功能高分子材料及智能高分子材料

Display
Solar cell Lighting
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
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；
手 机
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。
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。
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
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（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
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 。
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
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
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
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；
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。
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。
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。
功能高分子材料和智能高分子材料
东华大学材料学院
2000 Nobel Prize in chem istry
艾 伦 -J-黑 格 Alan J. Heeger
艾 伦 -G-麦 克 迪 尔 米 德
白川英树
Alan G. M acDiarmid Hideki Shirakawa
Organic Electronics