第七章功能高分子材料

第七章功能高分子材料

7.1 概述

7.1.1 功能高分子材料的分类

高分子学科的发展：

通用高分子材料大型工业化、发展高性能工程塑料与复合材料、开发特种高分子材料。

功能树脂是指具有特殊功能的新型高分子材料。这类材料在高分子主链和侧链上带有反应性功能基团，并具有可逆的或不可逆的物理功能或化学特性。

功能树脂按其应用范围分为以下几类：

化学功能树脂：离子交换与吸附树脂、离子交换膜、渗透膜

机械功能树脂：耐磨损材料、超高强度纤维

光学功能树脂：感光性树脂、太阳能电池、光导纤维和棱镜材料

电磁功能树脂：有机半导体、电绝缘材料、超导电材料

热功能树脂：耐高温材料、耐低温材料、绝热材料和发热材料

7.1.2 功能树脂的合成方法

功能树脂的合成是利用高分子本身结构或聚集态结构的特点，引入功能性基团，形成具有特殊功能的新型高分子材料。主要有以下三种合成方法。

1.功能单体聚合或缩聚反应

将含有功能基的单体通过聚合或缩聚制备具有某种功能基的聚合物。

对单体的要求：必须引入可聚合或缩聚的反应性基团（一般为双键）；功能基的引入也不能妨碍聚合或缩聚反应的进行。

方法特点:困难而复杂，但功能基在高分子链上的分布是均匀的，功能基的含量可达到理论计算值。

2.高分子的功能化反应

通过化学反应将功能性基团引入到现有的天然或合成高分子链上。

所用高分子原料母体链节上都有可进行反应的基团。高分子骨架利用的最多的是聚苯乙烯。

方法特点：方便而廉价，可供选用的高分子原料较多，天然和合成，可制备具有多功能的树脂

3.与功能材料复合

通过在高分子加工过程中引入一些小分子化合物或其它添加剂而使高分子具有某些特殊功能性质。

方法特点：机械混合，易于实施，可制备多种类型功能高分子材料。如磁性材料，导电材料。

7.2 离子交换树脂

离子交换树脂是一类带有三维网状结构的、以高分子为基体、不溶于水和有机溶剂，具有可进行离子交换的官能团的物质。

离子交换树脂由三部分组成：不溶性的三维空间物质骨架、连接在骨架上的功能基团、功能基团所带的相反电荷的可交换离子。

7.2.1 离子交换树脂的种类

一、以功能基特征进行分类

阳离子：骨架上结合有磺酸和羧酸等酸性功能基的一类聚合物。在水溶液中可像普通酸一样发生电离。

阴离子：骨架上结合有季铵盐、伯胺基、仲胺基、叔胺基的一类聚合物。

特种树脂：螯合树脂、两性树脂、氧化还原树脂、光活性树脂、酶活性树脂

两性离子交换树脂：同一高分子骨架上同时含有酸性和碱性基团的离子交换树脂。

氧化还原型离子交换树脂：这类树脂可以使与其交换物质的电子数改变，故又称为电子交换树脂。

螯合树脂：吸附金属离子除了形成离子键之外还形成若干配位键，典型的螯合树脂有氨基二乙酸型、膦酸型、氨基膦酸型。

二、按树脂的骨架结构不同

可分为凝胶型和大孔型

凝胶型（微孔型）：呈透明状态，具有交联网状结构的凝胶型聚合物。其凝胶孔的大小一般由交联度控制，交联度越低，其离子交换树脂吸水量越高。多用苯乙烯和二乙烯苯在引发剂存在下进行自由基悬浮聚合而得，得到的是1－2mm的小球。

大孔型：树脂内具有更多、更大的孔道，被交换物质易于扩散进入，比表面积大，交换速度快，效率高。

三、按聚合反应类型分为

加聚型：苯乙烯和丙烯酸－甲基丙烯酸体系树脂

缩聚型：苯酚－间苯二胺和环氧氯丙烷体系树脂

四、按照制备高分子基体的原料分

苯乙烯体系树脂、丙烯酸－甲基丙烯酸体系树脂、苯酚－间苯二胺体系树脂、环氧氯丙烷体系树脂

7.2.2 离子交换树脂的制备

一、强酸型阳离子交换树脂

苯乙烯体系的阳离子交换树脂的制备是用苯乙烯和二乙烯基苯悬浮于水中，搅拌聚合得到球状共聚物，然后用硫酸－氯磺酸等磺化剂进行磺化而制得。

二、弱酸型阳离子交换树脂

具有－COOH基的弱酸型离子交换树脂几乎都是水解丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯与DVB的共聚物得到的。

三、强碱型阳离子交换树脂

利用苯乙烯与二乙烯基苯共聚物小球引入强碱性有机胺基团即可制得

四、弱碱型阳离子交换树脂

苯乙烯与二乙烯基苯共聚物小球引入弱碱性有机胺基团即可制得。

7.2.3 离子交换树脂的基本理论

离子交换反应在一定条件下的反应方向和反应限度，即离子交换热力学；离子交换反应的历程和达到平衡的时间，即离子交换动力学。

一、离子交换平衡

：选择性系数，其值越大，离子交换树脂对A离子的交换能力就越大，就越易K A

B

吸附A离子。

影响选择性的因素：

1离子价数：离子价数越高，其与树脂功能基的静电吸引力越大，亲和力越大

2离子半径：对同价离子，当原子序数增大，其水合离子的半径减小，其选择性增大

3树脂交联度：交联度越高，对树脂的选择性影响越大。这是由于交联网络形成的筛网作用造成的。

二、离子交换动力学

离子交换的效果取决于离子交换速度，而离子交换速度主要受离子从溶液进入到树脂表面和树脂内部的扩散过程的影响。

其中膜扩散和粒内扩散速度是影响离子交换速度的主要因素。而影响膜扩散和粒内扩散的主要因素有：

1溶液流速，增大搅拌速度或柱流速，可增加膜扩散速度；

2树脂颗粒大小，减小树脂的粒度，可同时提高膜扩散和粒内扩散速度

3溶液浓度，溶液浓度较低时，膜扩散是影响交联速度的主要因素，溶液浓度较高时，粒内扩散则成为影响交换速度的主要因素；

4树脂交联度

水的离子软化和水的强酸强碱脱盐过程中，交换过程为液膜控制，再生则多属受粒内扩散控制，弱酸弱碱的离子交换过程一般受粒内扩散控制。

7.2.4 离子交换树脂的应用

水处理：硬水软化、无离子水、高纯水制备