功能高分子材料

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功能高分子材料
子？两者的区别和关系如何？
（1）功能高分子：是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应输出的高分子材料。

功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料。

（2）特种高分子材料：是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料的范畴。

（3）功能高分子属于特种高分子材料的范畴。

特种高分子材料可细分为功能高分子和高性能高分子两类。

▲2、功能和性能有什么区别？功能高分子和高性能高分子有什么不同？
（1）性能：材料对外部作用的抵抗特性。

（2）功能：指从外部向材料输入信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出的特性。

（3）功能高分子：是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应输出的高分子材料。

（4）高性能高分子：是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。

（从实用的角度看，对功能材料来说，人们着眼于它们所具有的独特的功能；
而对高性能材料，人们关心的是它与通用材料在性能上的差异。

）
3B、功能高分子材料的类型
（1）力学功能材料：①强化功能材料，②弹性功能材料。

（2）化学功能材料：①分离功能材料，②反应功能材料，③生物功能材料。

（3）物理化学功能材料：①耐高温高分子，②电学功能材料，③光学功能材料，④能量转换功能材料。

（4）生物化学功能材料：①人工脏器用材料，②高分子药物，③生物分解材料。

这一分类，实际上包括了所有特种高分子材料。

国内一般采用按其性质、功能或实际用途划分为8种类型。

（1）反应性高分子材料，（2）光敏型高分子，（3）电性能高分子材料，（4）高分子分
离材料，（5）高分子吸附材料，（6）高分子
智能材料，（7）医药用高分子材料，（8）高
性能工程材料。

特征是什么？
（1）活性聚合：是指引发速度远远大于增
长速度，并且在特定条件下不存在链终止反
应和链转移反应，亦即活性中心不会自己消
失的反应。

二氯乙基氯/乙酸乙酯引发
（2）阴离子活性聚合的基本特点：①聚合
反应速度极快；②单体对引发剂有强烈的选
择性；③无链终止反应；④多种活性种共存；
⑤相对分子质量分布很窄。

▲2、通过哪些途径可实现阳离子活性聚
合？哪些单体适合进行阳离子活性聚合？
（1）途径①设计匹配性亲核反离子，如
采用HI/I2引发体系引发烷基乙烯基醚进
行阴离子活性聚合②适当的lewis酸碱配对
引发，如采用二氯乙基铝/乙酸乙酯引发
（2）目前，烷基乙烯基醚、异丁烯、苯乙
烯及其衍生物、1, 3 —戊二烯、茚和α-蒎烯
等都已经实现了阳离子活性聚合。

▲3、为什么基团转移聚合也属于活性聚合
范畴？
基团转移聚合与阴离子型聚合一样，属“活
性聚合”范畴。

基团转移聚合是以不饱和酯、
酮、酰胺和腈类等化合物为单体，以带有硅、
锗、锡烷基等基团的化合物为引发剂，用阴
离子型或路易士酸型化合物作催化剂，选用
适当的有机物为溶剂，通过催化剂与引发剂
之间的配位，激发硅、锗、锡等原子与单体
羰基上的氧原子结合成共价键，单体中的双
键与引发剂中的双键完成加成反应，硅、锗、
锡烷基团移至末端形成“活性”化合物的
过程。

包括①链引发反应，②链增长反应，③链终
止反应。

▲4、自由基活性可控聚合有哪几类？
阴离子活性聚合、阳离子可控聚合、基团转
移聚合、原子转移自由基聚合、活性开环聚
合、活性开环歧化聚合等
▲5、什么是高分子的化学反应？他们与小
分子的化学反应有什么异同点？影响高分
子化学反应的因素有哪些？
（1）高分子的化学反应：可以将天然和合
成的通用高分子转变为具有新型结构与功
能的聚合物的化学反应。

（2）与小分子的化学反应的相同点：
高分子可以进行与低分子同系物相同的化
学反应。

例如含羟基高分子的乙酰化反应和
乙醇的乙酰化反应相同；聚乙烯的氯化反应
和己烷的氯化反应类似。

（3）与小分子的化学反应的不同点：
①在低分子化学中，副反应仅使主产物产率
降低。

而在高分子反应中，副反应却在同一
分子上发生，主产物和副产物无法分离，因
此形成的产物实际上具有类似于共聚物的
结构。

（4）高分子的反应活性的影响因素：
①聚集态结构因素：结晶和无定形聚集态结
构、交联结构与线性结构、均相溶液与非均
向溶液等结构因素均会对高分子的化学反
应造成影响。

②化学结构因素：a）几率效应：当高分子
的化学反应涉及分子中相邻基团作无规成
对反映时，某些基团由于反应几率的关系而
不能参与反应，结果在高分子的分子链上留
下孤立的单个基团，使转化程度受到限制。

b）邻近结构效应：分子链上邻近结构的某
些作用，如静电作用和位阻效应，均可使基
团的反应能力降低或增加。

6、有哪些制备特种与功能高分子的制备方
法？各有什么优缺点？
（1）功能高分子的制备方法主要有以下四
种类型：
①功能性小分子的高分子化；②已有高分子
材料的功能化；③多功能材料的复合；④已
有功能高分子的功能扩展。

（2）制备方法各自的优缺点：
①功能性小分子的高分子化：对功能性小分
子进行高分子化反应，赋予其高分子的功能
特点。

包括：a）带有功能性基团的单体的聚合，b）
带有功能性基团的小分子与高分子骨架的
结合，c）功能性小分子通过聚合包埋与高
分子材料结合。

主要优点是可以使生成的功能高分子功能
基分布均匀，聚合物结构可以通过聚合机理
预先设计，产物的稳定性较好。

.
缺点主要包括：a）在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应；b）要求在反应中不破坏原有结构和功能；c）当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护；d）有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响。

②已有高分子材料的功能化：
好处：可以利用廉价的商品化聚合物，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料机械性能比较有保障。

主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合来实现。

③多功能材料的复合：将两种以上的功能高分子材料以某种方式结合，将形成新的功能材料，而且具有任何单一功能高分子均不具备的性能，这一结合过程被称为功能高分子材料的多功能复合过程。

④已有功能高分子的功能扩展：在同一种功能材料中，甚至在同一个分子中引入两种以上的功能基团也是制备新型功能聚合物的一种方法。

以这种方法制备的聚合物，或者集多种功能于一身，或者两种功能起协同作用，产生出新的功能。

具有哪些功能？
（1）离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。

（2）离子交换树脂最主要的功能是离子交换。

此外，还具有吸附、催化、脱水、脱色、作载体等功能。

▲2、离子交换树脂为什么可作为许多化学反应的催化剂？
小分子酸和碱是许多有机化学反应和聚合反应的催化剂。

离子交换树脂相当于多元酸和多元碱，也可对许多化学反应起催化作用。

（与低分子酸碱相比，离子交换树脂催化剂具有易于分离、不腐蚀设备、不污染环境、产品纯度高、后处理简单等优点。

离子交换树脂用作化学反应催化剂，可大大提高催化效率，简化后处理操作，避免设备的腐蚀）▲3、何谓离子交换树脂的中毒？
在离子交换树脂使用中，体积较大的离子扩散进入树脂内部。

而在再生时，由于外疏内密的结构，较大离子会卡在分子间隙中，不
易与可移动离子发生交换，最终失去交换功
能，造成树脂“中毒”现象。

▲4、什么是大孔型离子交换树脂？它们与
普通离子交换树脂的区别何在？
（1）大孔型离子交换树脂：是外观不透明，
表面粗糙，为非均相凝胶结构的离子交换树
脂。

（2）大孔型离子交换树脂与普通的凝胶型
离子交换树脂的区别：
①大孔型离子交换树脂：外观不透明，表面
粗糙，为非均相凝胶结构。

凝胶型离子交换树脂：外观透明，表面光滑。

具有均相高分子凝胶结构。

②大孔型离子交换树脂：在树脂内部存在大
量的毛细孔。

无论树脂处于干态或湿态、收
缩或溶胀时，这种毛细孔都不会消失。

因此
可在非水体系中起离子交换和吸附作用。

凝胶型离子交换树脂：球粒内部没有大的毛
细孔。

有在干态和非水系统中不能使用的缺
点。

③大孔型离子交换树脂：孔径一般为几纳米
至几百纳米，比表面积可达几百或几千
m2/g，因此其吸附功能十分显著。

凝胶型
离子交换树脂：在水中会溶胀成凝胶状，并
呈现大分子链的间隙孔。

④大孔型离子交换树脂：吸附能力远远大于
凝胶型树脂。

不仅可以从极性溶剂中吸附弱
极性或非极性的物质，而且可以从非极性溶
剂中吸附弱极性的物质，也可对气体进行选
择吸附。

⑤大孔型离子交换树脂：不存在外疏内密的
结构，从而克服了中毒现象。

凝胶型离子交
换树脂使用中会产生“中毒”现象。

▲5、什么是螯合树脂？它们有哪些基本功
能？
（1）螯合树脂是对分离重金属、贵金属应
运而生的树脂，分析化学中常利用络合物既
有离子键又陪未见的特点来鉴定特定的金
属离子，将这些络合以基团的形式连接到高
分子链上，就得到螯合树脂。

（2）具有特殊的选择分离功能
①胺基羧酸类（EDTA类）：对特种贵金属
有很好的选择分离性。

②肟类：分离Ni。

③8－羟基喹啉类：分离Cr2+，Ni2+，Zn2+。

④聚乙烯基吡啶类：分离Cu2+，Ni2+，
Zn2+。

▲6、氧化还原树脂又称什么树脂？它们能
与周围活性物质进行哪类化学反应？
（1）氧化还原树脂也称电子交换树脂（指
带有能与周围活性物质进行电子交换、发生
氧化还原反应的一类树脂）。

（2）能与周围活性物质进行电子交换、发
生氧化还原反应。

典型的膜分离技术有：微孔过滤(MF)、超滤
(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电
渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发( PV)等。

▲2、制备分离膜的高分子材料应具备哪些
基本特性？
目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素
酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。

（1）纤维素酯类膜材料：易受微生物侵蚀，
PH值适应范围较窄，不耐高温和某些有机
溶剂或无机溶剂
（2）非纤维素酯类膜材料：基本特性：①
分子链中含有亲水性的极性基团；②主链上
应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗
压密性和耐热性；③化学稳定性好；④具有
可溶性。

（常用于制备分离膜的合成高分子
材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离
子聚合物等）。

▲3、微孔膜的特点是什么？使用中有何要
求？
（1）微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90～
150μm左右，过滤粒径在0.025～10μm之间，
操作压在0.01～0.2MPa。

具有开放式的网格
结构。

开放式网格的孔径一般在0.1～1μm
之间，可以让离子、分子等通过，但不能使
微粒、胶体、细菌等通过。

优点：①孔径均匀，过滤精度高。

②孔隙
大，流速快。

③无吸附或少吸附。

④无介
质脱落。

缺点：①颗粒容量较小，易被堵塞；②使
用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常
工作。

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（2）使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。

另外，在保存时应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。

4、简述几种主要分离膜的分离过程。

膜分离过程的三种形式：
9，电位差，7、8 浓度差，1-6压力差（1）渗析式膜分离：渗析和电渗析。

料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。

（2）过滤式膜分离：超滤、微滤、反渗透和气体渗透。

利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。

（3）液膜分离：
液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。

溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取。

是什么？
（1）按照材料的结构与组成，可分为结构型（本征型）导电高分子和复合型导电高分子。

（2）①结构型导电高分子本身具有“固有”的导电性，由聚合物结构提供导电载流子（包括电子、离子或空穴）。

②复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑、金属粉、箔等，通过分散复合、层积复合、表面复合等方法构成的复合材料，从而具有导电性
▲2、哪些类型的聚合物具有本征导电性？四类聚合物具有导电性：高分子电解质、共轭体系聚合物、电荷转移络合物和金属有机螯合物。

（其中，高分子电解质是以离子传导为主，其余三类聚合物都是以电子传导为主）。

▲3、共轭导电高分子的导电机理是什么？掺杂的作用是什么？
1）具有本征导电性的共轭体系必须具备两条件。

第一，分子轨道能强烈离域；第二，分子轨道能互相重叠。

满足这两个条件的共
轭体系聚合物，便能通过自身的载流子产生
和输送电流。

共轭聚合物的分子链越长，π
电子数越多，则电子活化能越低，亦即电子
越易离域，则其导电性越好。

（2）掺杂的作用是提高电导率。

（因添加了电子受体或电子给体而提高电
导率的方法称为“掺杂”）
▲4、复合型导电高分子的导电机理是什
么？主要的导电填料有哪些？
（1）复合型导电高分子是以普通的绝缘聚
合物为主要基质（成型物质），并在其中掺
入较大量的导电填料配制而成的。

在复合型
导电高分子中，高分子材料本身并不具备导
电性，只充当了粘合剂的角色。

导电性是通
过混合在其中的导电性的物质如炭黑、金属
粉末等获得的，导电填料在复合型导电高分
子中起提供载流子的作用
（2）常用的导电填料有金粉、银粉、铜粉、
铝粉、镍粉、钴粉、钯粉、钼粉、镀银二氧
化硅粉、镀银玻璃微珠、炭黑、石墨、碳化
钨、碳化镍等。

▲5、什么是超导态？超导态有何特征？
（1）当温度降低时，汞的电阻先是平稳地
减小，而在4.2K附近，电阻突然降为零。

这种零电阻现象意味着此时电子可毫无阻
碍地自由流过导体，而不发生任何能量的消
耗。

金属汞的这种低温导电状态，称为超导
态。

（2）超导态有以下四个特征：①电阻值为
零，②超导体内部磁场为零，③超导现象只
有在临界温度以下才会出现，④超导现象存
在临界磁场，磁场强度超越临界值，则超导
现象消失。

义的感光高分子包括哪些范围？
（1）从广义上讲，按其输出功能，感光性
高分子包括光导电材料、光电转换材料、光
能储存材料、光记录材料、光致变色材料和
光致抗蚀材料等。

（2）狭义的感光高分子指具有感光基团的
高分子，和光聚合型感光高分子。

（其中开
发比较成熟并有实用价值的感光性高分子
材料主要是指光致抗蚀材料和光致诱蚀材
料。

（感光性高分子是指在吸收了光能后，
能在分子内或分子间产生化学、物理变化的
一类功能高分子材料。

而且这种变化发生
后，材料将输出其特有的功能。

）
▲2、何谓光致抗蚀材料和光致诱蚀材料？
（1）光致抗蚀材料：是指经过光照后，分
子结构从线型可溶性转变为网状不可溶性，
从而产生了对溶剂的抗蚀能力的高分子材
料。

2）光致诱蚀材料：是指受光照辐射后，感
光部分发生光分解反应，从而变为可溶性的
高分子材料。

3、感光高分子具备哪些性能？
感光性高分子材料基本的性能：对光的敏感
性、成像性、显影性、膜的物理化学性能等。

对不同的用途，要求并不相同。

4、什么是增感剂？作为增感剂必须具备哪
些基本条件？
（1）某一激发态分子D*将激发态能量转移
给另一基态分子A，使之成为激发态A*，
而自己则回到基态。

A*进一步发生反应成为
新的化合物。

这时，A被D增感了或光敏
了，故D称为增感剂或光敏剂。

（2）作为增感剂，必须具备以下的基本条
件：
①增感剂三线态的能量必须比被增感物质
的三线态能量大，以保证能量转移的顺利进
行。

②增感剂三线态必须有足够长的寿命，以完
成能量的传递；③增感剂的量子收率应较
大。

④增感剂吸收的光谱应与被感物质的吸收
光谱一致，且范围更宽
▲5、感光高分子有哪些分类方法？
（1）根据光反应的类型分类：光交联型，
光聚合型，光氧化还原型，光二聚型，光分
解型。

（2）根据感光基团的种类分类：重氮型，
叠氮型，肉桂酰型，丙烯酸酯型等。

（3）根据物理变化分类：光致不溶型，光
致溶化型，光降解型，光导电型，光致变色
型等。

（4）根据骨架聚合物种类分类：PVA系，
聚酯系，尼龙系，丙烯酸酯系，环氧系，氨
基甲酸酯（聚氨酯）系等。

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（5）根据聚合物的形态和组成分类：感光性化合物（增感剂）+ 高分子型，带感光基团的聚合物型，光聚合型等。

超强吸水高分子材料也称为高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合物，是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。

▲2、从化学组成和分子结构来分析高吸水性树脂的吸水性能？
从化学组成和分子结构看，高吸水性树脂是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联型高分子。

水分子与亲水性基团中的金属离子形成配位水合，与电负性很强的氧原子形成氢键等。

高分子网状结构中的疏水基团因疏水作用而易于斥向网格内侧，形成局部不溶性的微粒状结构，使进入网格的水分子由于极性作用而局部冻结，失去活动性，形成“伪冰”结构。

亲水性基团和疏水性基团的这些作用，显然都为高吸水性树脂的吸水性能作了贡献。

▲3、高吸水性树脂的基本性能有哪些？
高吸水性、加压保水性、吸氨性、增稠性。

（1）考察和表征高吸水性树脂吸水性的指标通常有两个，—是吸水率，二是吸水速度。

（2）分子中大量的羧基、羟基和酰氧基团与水分子之间的强烈范得华力吸收水分子，并由网状结构的橡胶弹性作用将水分子牢固地束缚在网格中。

一旦吸足水后，即形成溶胀的凝胶体。

这种凝胶体的保水能力很强，即使在加压下也不易挤出来。

（3）吸氨性：（详见第5题）
（4）增稠性：高吸水性树脂吸水后体积可迅速膨胀至原来的几百倍到几千倍，因此增稠效果远远高于水性体系的增稠剂，如聚氧乙烯、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠等。

▲4、影响高吸水性树脂吸水性能的因素有哪些？
吸水率是表征树脂吸水性的最常用指标。

物理意义为每克树脂吸收的水的重量。

影响树脂吸水率有很多因素，除了产品本身的化学组成之外，还与产品的交联度、水解度和被吸液体的性质等有关。

（1）交联度：高吸水性树脂在未经交联前，一般是水溶性的，不具备吸水性或吸水性很低，因此通常需要进行交联。

但交联密度过
高会造成吸水能力的降低。

因为一方面，网
格太小而影响水分子的渗透，另一方面，橡
胶弹性的作用增大，也不利于水分子向网格
内的渗透。

（2）水解度：高吸水性树脂的吸水率一般
随水解度的增加而增加。

当水解度高于一定
数值后，吸水率反而下降。

（3）被吸液的pH值与盐类物质：高吸水
性树脂是高分子电解质，水中盐类物质的存
在和pH值的变化都会显著影响树脂的吸水
能力。

▲5、试解释高吸水性树脂为什么具有吸氨
性？
高吸水性树脂一般为含羧酸基的阴离子高
分子，为提高吸水能力，必须进行皂化，使
大部分羧酸基团转变为羧酸盐基团。

但通常
树脂的水解度仅70％左右，另有30％左右
的羧酸基团保留下来，使树脂呈现一定的弱
酸性。

这种弱酸性使得它们对氨那样的碱性
物质有强烈的吸收作用。

可能用作医用材料？
生物体是有机高分子存在的最基本形式，有
机高分子是生命的基础。

动物体与植物体组
成中最重要的物质——蛋白质、肌肉、纤维
素、淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化合
物。

在各种材料中，高分子材料的分子结构、
化学组成和理化性质与生物体组织最为接
近，因此最有可能用作医用材料。

▲2、医用高分子有哪些分类方法？对医用
高分子材料的基本要求有哪些？
医用高分子的分类方法：
（1）①与生物体组织不直接接触的材料②
与皮肤、粘膜接触的材料③与人体组织短期
接触的材料④长期植入体内的材料⑤药用
高分子
除此之外，还有以下一些常用的分类方法。

2）按材料的来源分：①天然医用高分子材
料②人工合成医用高分子材料，③天然生物
组织与器官。

（3）按材料与活体组织的相互作用关系分：
①生物惰性高分子材料，②生物活性高分子
材料，③生物吸收高分子材料。

4）按生物医学用途分：①硬组织相容性高
分子材料，②软组织相容性高分子材料，③
血液相容性高分子材料，④高分子药物和药
物控释高分子材料。

（5）按与肌体组织接触的关系分：①长期
植入材料，②短期植入（接触）材料，③体
内体外连通使用的材料，④与体表接触材料
及一次性医疗用品材料。

（6）目前在实际应用中，更实用的是仅将
医用高分子分为两大类，一类是直接用于治
疗人体某一病变组织、替代人体某一部位或
某一脏器、修补人体某一缺陷的材料。

另一
类则是用来制造医疗器械、用品的材料，为
医疗事业服务，但本身并不具备治疗疾病、
替代人体器官的功能，不属功能高分子的范
畴。

对医用高分子材料的基本要求：
一个具备了以下七个方面性能的材料，可以
考虑用作医用材料。

①化学惰性，不会因与体液接触而发生反
应。

材料分解过程中，不会产生对人体有害
的副产物②对人体组织不会引起炎症或异
物反应。

③不会致癌。

④具有良好的血液相容性。

（最
重要）⑤长期植入体内不会减小机械强度。

⑥能经受必要的清洁消毒措施而不产生变
性。

⑦易于加工成需要的复杂形状。

▲3、什么是高分子材料的生物相容性？生
物相容性包括哪些方面？
（1）生物相容性是指植入生物体内的材料
与肌体之间的适应性。

（2）根据在医学中的应用目的不同，生物
相容性又可分为组织相容性和血液相容性
两种。

组织相容性是指材料与人体组织，如
骨骼、牙齿、内部器官、肌肉、肌腱、皮肤
等的相互适应性，而血液相容性则是指材料
与血液接触是不是会引起凝血、溶血等不良
反应。