功能高分子材料和智能高分子材料.

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高分子电性能材料,包括导电聚合物、能量转换型聚合物、 电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等,
高分子分离材料,包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性 膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等
高分子吸附材料,包括高分子吸附性树脂、高吸水性高 分子、高吸油性高分子等。
高分子智能材料,包括高分子记忆材料、信息存储材料 和光、磁、pH、压力感应材料等。
功能高分子材料和智能高分子材料
2000 Nobel Prize in chemistry
艾伦-J-黑格 Alan J. Heeger
艾伦-G-麦克迪尔米德 白川英树 Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa
Organic Electronics
Display
Solar cell Lighting
2.2 智能材料与普通材料的区别
下面简要的介绍三种智能高分子材料: 记忆高分子材料 智能高分子凝胶 智能高分子膜
20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学,在光聚合、光 交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重 大突破,特别在过去20多年中有了飞快发展,并在工业上 得到广泛应用......
1966年little提出超导高分子模型,随后在1975年发现了 聚氮化硫的超导性,1993年俄罗斯科学家报道了在经过长 期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体;
1.5.3 功能高分子材料的多功能复合
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。
1.5.4 在同一分子中引入多种功能基
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。
电 视
5亿US$
30亿US$
2004
2009
塑料电子学为跨学科领域国际科学前沿的重要
研究方向和高技术的竞争焦点。
光敏高分子
药物缓释高分子
第一部分:功能高分子材料
1.1 功能高分子材料的概念
是指除了具有一定力学性能外,还具有物质分 离、光、电、磁、能量储存和转化、生物医用等特 殊性能的高分子材料,这种特殊功能是由它们的链 结构、链上所带的功能基的种类、数量、分布以及 高分子的聚集态和形态所确定的。
子农药等;
生物分解材料,如可降解性高分子材料等。
1.4.3 按用途分类
反应性高分子材料,包括高分子试剂、高分子催化剂和高 分子染料和涂料、粘合剂,带各种功能团的中间体,特别 是高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。
光敏型高分子,包括各种光稳定剂、光刻胶,感光材料、 非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。
目前采用的制备方法来看,功能高分子材料的制备可 归纳为以下四种类型:
功能性小分子材料的高分子化, 已有高分子材料的功能化, 多功能材料的复合, 已有功能高分子材料的功能扩展。
1.5.1 功能性小分子材料的高分子化
对具有一定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,即有可能开发出新的功能 高分子材料。例如:利用青霉素结构中的羧基、氨 基与高分子反应,可得到疗效长的高分子青霉素。
高分子医用材料,包括医用高分子材料、药用高分子材 料和医药用辅助材料等。
高性能工程材料,如高分子液晶材料,耐高温高分子材 料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能 纤维材料、生物降解高分子等。
1.4.4 按来源分类
功能高分子材料
天然功能高分子材料包 括蛋白质、核酸、酶、
多肽、和来自百度文库红素等
20世纪80年代,高分子传感器、人工脏器、高分子 分离膜等技术得到快速发展;
1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研 制成功;
1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性,导致 了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世;
1.3.1 经济发展需要的促进
品种
主要产品举例
通用高分子材料 中间高分子材料
太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换 材料就成为太阳能利用的关键,硅材料已进入了实 用阶段。因为其最高能量转换效率达40.8%,然而 单晶硅价格太高,为此,人们正把注意力转向可高 效转换太阳能的功能高分子太阳能电池(11%)。
2)交通和宇航技术的要求
3)微电子技术的要求
高度集成化是微电子 工业发展的趋势,高功 能光致抗蚀材料(感光 高分子)已成为微电子 工业的关键材料之一 。
独特的“功能”
功能高分子化学之所以能成为国内外材料科学的重要研究 热点之一,最主要的原因在于他们具有独特的“功能”,可 以用于替代其他功能材料,并提高或改进其性能使其成为 具有全新性质的功能材料。
功能高分子化学研究,代表了高分子化学的发展方向,人 们甚至期望功能高分子材料能象合成纤维带来纺织革命一 样,在其它生产和科学领域带来一场革命。
目前现状:高分子设计目前尚处于定性设计阶
段,还没有进入定量设计的高级阶段。但功能高 分子的结构和性能的关系相对比较简单,随着科 学技术的发展和分子设计基础研究的深化,完全 有可能搞清它们的结构和性能的关系,并在此基 础上根据结构设计合成路线和加工工艺,从而可 望开发出各种具有特定功能基或一定结构的性能 优良的功能高分子材料。
3)物理化学功能材料
热功能高分子,如耐高温高分子,高分子液晶等; 电学功能材料,如导电性高分子、超导高分子,感电子性高
分子;
光学功能材料,如导光性高分子,光敏性高分子、荧光和发 光高分子等;
能量转换功能材料,如压电性高分子、热电性高分子等。
4)生物化学功能材料
人工脏器用高分子材料,如人工肾、人工心肺等; 高分子药物,如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分
LDPE,HDPE, PVC,PP,PS
ABS,PMMA
工程高分子材料 特种高分子材料
PA,PC,POM, PBT,PPO
有机氟材料, 耐热性高分子,
功能高分子
(价格比以通用高分子为1计)
产量 /万吨/ 年
>1000
100~1000 20~80
1~20
价格比 1
1~2 2~4 10~100
1.3.2 科学技术发展的需求 1)新能源的要求
Bisensor
有机光电子器件
• 需求:研究有机分子/高分子的电子过程将建立一个 由新型电子屏幕、存储器和晶体管等组成的 “有机电子工业”。
• 学科:将诞生分子电子学、纳米电子学与塑料电子学 学科领域
领域背景
• 新工作原理和新物理机制 • 容易实现大屏幕和柔性 • 制备工艺简单,具有价格优势
手 机
功能高分子的产生
随着人们在生产和生活方面对新型聚合材料的需求,以及 高分子化学研究的深入和发展,众多的有着不同于以上特 征,带有特殊物理化学性质和功能的高分子材料大量涌现, 其性能和特征都超出了原有常规高分子材料的范畴,使人 们有必要对这些新型聚合物材料进行重新认识。
功能高分子化学就是在这种背景下发展起来的一门科学。 那些性质和功能很特殊的新型聚合物材料即属于功能高分 子材料。
4)生命科学和环境保护 的要求
生物分离介质的研制成功
使生命组成的各种组分能得
以精细地分级,对生命科学
的贡献将是十分重大的。药 物缓释高分子材料,可降 解性高分子材料的问世,
将大大减缓白色公害对人类
的危害。
1.4 功能高分子材料的分类
1.4.1 从组成和结构上分类:
结构型功能高分子材料
大分子链结构中 具有特定功能基 团
O CH2 CH CH2 O
CH3
O
C
O CH2 CH CH2 + CH2 CH COOH
CH3
O
OH
CH2 CH CO CH2 CH CH2 O
CH3
O
C
O CH2 CH CH2
CH3
(2)带功能性基团的小分子与高分子骨架的结合
这种方法主要是利用化学反应将活性功能基引入 聚合物骨架,从而改变聚合物的物理化学性质,赋予 其新的功能。通常用于这种功能化反应的高分子材料 都是较廉价的通用材料。
1.5.2 通过物理方法制备功能高分子
聚合物的这种功能化方法可以用于当聚合物或者功能性小 分子缺乏反应活性,不能或者不易采用化学方法进行功能化, 或者被引入的功能性物质对化学反应过于敏感,不能承受化 学反应条件的情况下对其进行功能化。
比如,某些酶的固化,某些金属和金属氧化物的固化等。与 化学法相比,通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺点 是共混物不够稳定,在使用条件下(如溶胀、成膜等)功能 聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。
质轻易涂覆
利于感知判 断环境实现 环境响应
2.1 智能高分子材料的一般分类及应用
类别
记忆功能 高分子材料
性质 对应力形状体积色泽等有记忆效应
应用
医用材料/包装材料 织物材料/热收缩管
智能纤维织物
智能高分子 凝胶
智能高分子 复合材料
智能高分子膜
热适应性,可逆收缩性
三维高分子网络与溶剂 组成的体系,体积相转变
(1) 带有功能性基团的单体的聚合
在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体 然后进行均聚或共聚反应
在含有可聚合基团的单体中 引入功能性基团得到功能性单体
单体均聚或共聚
例:将含有环氧基团的低分子量双酚A型环氧树脂与 丙烯酸反应,得到含双键的环氧丙烯酸酯,这种单 体在制备功能性粘合剂方面有广泛的应用:
第二部分:智能高分子材料
指集感知、驱动和信息处理于一体,形成类似 生物材料那样具有智能属性的高分子材料,具有自 诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动 完成特定功能(如振动控制)的能力。
外界环境变化
瞬时主动响应
功能材料 智能材料
智能金属材料 智能无机非金属材料
智能高分子材料
多水平结构层次 较弱的分子间作用力 侧链易引入官能团 便于分子设计和精细控制
功能高分子化学的发展
功能高分子化学的发展可以追述到很久以前,如光敏高分 子材料和离子交换树脂都有很长的发展历史。但是作为一 门独立学科,则是一门全新的科学。
功能高分子化学还是一门新兴边缘交叉学科,是目前国内 外异常活跃的一个研究领域。
功能高分子化学在高分子化学中地位、相当于精细化工在 化工领域地位,因此有人称功能高分子为精细高分子,指 其产品的产量小、产值高、制造工艺复杂、性能独特。
集成传感器、信息处理器 功能驱动器,多学科交叉产物
服装/保温系统 传感/执行系统 生物医用压力绷带
组织培养/环境工程 化学机械系统/调光材料
智能药物释放体系
自愈合、自应变、自动修补混凝土 减震速造建筑材料
形状记忆合金/复合功能器件压电材料
选择性渗透、选择性吸附和分离等 膜的组成、结构和形态的变化
选择透过膜材 传感膜材/仿生膜材人工肺
半合成功能高分子材料 如:固化淀粉酶和固化糖酶
合成功能高分子材料
所占比例 最大
1.5 功能高分子材料的合成方法
特种与功能高分子材料的特点在于他们特 殊的“性能”和“功能”,因此在制备这些高 分子材料的时候,分子设计成为十分关键的研 究内容。设计一种能满足一定需要的功能高分 子材料是高分子化学研究的一项主要目标。
(3)功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合
a)在聚合反应之前,向单体溶液中加入小分子 功能化合物,在聚合过程中小分子被生成的聚合物 所包埋,用这种方法得到的功能高分子材料,聚合 物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接, 固化作用通过聚合物的包络作用来完成。
b)以微胶囊(microcapsules)的形式将功能性小 分子包埋在高分子材料中
1.2 功能高分子与高性能高分子材料的区别
功能高分子 材料
当有外来的刺激时,能通过化学或 物理的方法做出响应的高分子材料
高性能高分子 材料或结构材料
对外力有特别强抵抗能力的高分子材料
1.3 功能高分子发展的背景
1935年发明了离子交换树脂;
1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性,打破了多年来认 为高分子材料只能是绝缘体的观念;
功能高分子材料
普通高分子材料为载体或基 体,与具有某些特定功能的
其他材料进行复合
复合型功能高分子材料
1.4.2 从功能上分类:
1)力学功能材料
强化功能材料,如超高强材料、高结晶材料等; 弹性功能材料,如热塑性弹性体等。
2)化学反应功能材料
分离功能材料,如分离膜、离子交换树脂、高分子络合 物等; 反应功能材料,如高分子催化剂、高分子试剂、螯合高 分子、感光性高分子; 生物功能材料,如固定化酶、生物反应器等。
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