高分子科学导论功能高分子

• There is a difference between the words “performance” and “function”.
• Generally, “performance” is the resistance of material to the external action, and the “function” means the conversion of material in quantity or quality responded to the external input signal.
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Ease of Production
Chemical Versatility
Conductivity of polymers
() O CO M CO
β-diketone
() crown ether
O
O
O
M
O
O
O
Adsorbent resins
吸附树脂也称物理吸附功能高分子，主要是一些非离子吸附树脂，根据其极性大 小可分为非极性、中极性和强极性三类。
非极性吸附树脂主要是交联聚苯乙烯大孔树脂，可通过范德华力吸附具有一定疏 水性的物质；中极性吸附树脂主要是交联聚丙烯酸酯类及其与苯乙烯的共聚物。其吸 附作用除范德华力外，氢键也起一定的作用；强极性吸附树脂主要是聚丙烯酸酯树脂 利用水解反应生成强极性的羧基，其吸附作用主要通过氢键和偶极作用进行。
• It is generally accepted that metals conduct electricity well and that organic compounds are insulating, but this class of materials combines the properties of both.
• 普通高分子材料对电磁波的屏 蔽性差，通信设备常常因电磁 波的入侵造成误操作。
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导电高分子的发展已远远超过开始的设想
Merits of conductive polymers
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Content
Conducting and Semi-conducting Functional Polymer 导电和半导体功能高分子
Functional Polymer Materials for Adsorption and Separation 吸附分离功能高分子
E-ink
• 美国 Lucent 公司和 E Ink 公司共 同开发出了“电子纸”，它可以 应用于电子书籍和电子报纸等。
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Polymeric transistor
Si
• 与硅晶体管相比，塑料晶体管的好处在于成本低廉，生产便捷，不需 要专门化的昂贵制造设备和高度洁净的真空环境。
• Their properties can be fine-tuned using the exquisite methods of organic synthesis.
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Why conductive polymer
• 普通高分子材料的静电积聚 • 静电在工业生产中有很大的危 害性。 • 每年因静电事故造成的损失超 过百亿美元。
• 2000: Heeger, MacDiarmid and Shirakawa win Nobel Prize in Chemistry
• 2000+: First ‘organic electronics’ appear on the market as flexible displays.
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SO3- Na+
Anion exchange resin CH2N+(CH3)3 OH-
H+ H2O
OH-
CH2N+(CH3)3 Cl-
Cl-
• 水处理离子交换大都是基于含磺酸基的交联聚合物。水中的Na+通过树脂层，交换磺 酸中的H+。Ca2+，Fe3+和Mg2+与磺酸基团具有更大的亲合力，因此硬水通过树脂层 后，不仅可以交换H+还可以交换Na+，得到软水。
•
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The input signal could be force, heat, light, electron, and so on …
Classification of functional polymers
• 力学功能材料 • 强化功能材料，弹性功能材料
• 化学功能材料 • 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、高分子试剂等 • 生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等
• Strong-acid, cation-exchange resins and strong-base anion exchange resins can be produced.
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Mechanism of ion-exchange
Cation exchange resin SO3- H+ Na+
• 物理化学功能材料 • 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、超导性高分子、感电了性高分子等 • 光学功能材料，如感光性高分子、导光性高分子、光敏性高分子等 • 能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等
• 生物化学功能材料 • 人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等 • 高分子药用材料，如药物活性高分子、缓释性高分子药物 • 生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
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Conducting and Semi-conducting Functional Polymer
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What is conductive polymer
• Conductive polymers are polymers that conduct electricity. Such compounds may be true metallic conductors or semiconductors.
• The biggest advantage of conductive polymers is their processibility. Conductive polymers are also plastics (which are organic polymers) and therefore can combine the mechanical properties (flexibility, toughness, malleability, elasticity, etc.) of plastics with high electrical conductivities.
Superabsorbent Resin 高吸水性树脂 Functional Polymer with Photoelectronic Properties
光电功能高分子 Biomedical Polymers 生物医用高分子 Polymeric Liquid Crystal 高分子液晶 Ionic Polymers 离子型聚合物
• 为了使共轭高分子导电，必须要做掺杂。这和半导体经过参杂后提高导电度类似。
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Some conductive polymers
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Invention of Conductive Polymer
Hideki Shirakawa
A.G. McDiarmid
高分子科学导论功能高 分子
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2020年4月9日星期四
Functional polymers
Functional polymer is
• Polymer that bears specified chemical groups or;
• Polymer that has specified physical, chemical, biological, pharmacological, or other uses which depend on specific chemical groups.
•
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当树脂中的磺酸基团被这些硬离子饱和时，树脂层必须通过添加大量过量的盐酸溶 液或氯化钠溶液进行再生，以交换紧密结合的硬离子，从而再次使用。
Structure of ion-exchange resin
活性基团 阳离子交换树脂
磺酸基类（强酸型） 丙烯酸类（弱酸型） 阴离子交换树脂 季铵盐类（强碱型） 仲胺类（弱碱型） 叔胺类（弱碱型）
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结构
-SO3- H+ -COO- H+
-CH2-NR3+ OH-CH2-NHR -CH2-NR2
Other Adsorption and Separation polymer
Polymeric chelate resin
通过对不同金属离子的选 择性螯合作用，高分子螯合树 脂可实现对各种金属离子的浓 缩和富集，可广泛地应用于分 析检测、污染治理、环境保护 和工业生产。
-20 -16 -12
-8
-4
0
lg(1/ohm•cm-1)
4
绝缘体
PE PS PTFE
Nylon
半导体
导体
超导体
Ge, Si Nichrom
Conductive Polymers e
Ag
Carbon
fiber Cu
Al
• 要使高分子材料导电就必须能模拟金属的行为，亦即电子必须能不受原子的束缚而 能自由移动，要达到此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双 键，亦称为“共轭”双键。
A. Heeger
• Early 1970’s: Mistake in Skirakawa’s lab leads to accidental discovery of silver looking polymer (polyacetylene)
• Late 1970’s: Collaboration between Heeger, MacDiarmid and Shirakawa lead to 10 million-fold increase in conductivity of polyacetylene.
• Generally solid gels in spherical or granular form consisting of: • A 3-dimensional polymeric network, • Ionic functional groups attached to the network, • Counterions • A solvent
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Application of Adsorption and Separation polymer
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Electroluminescence
空穴注入（正极）
电子注入（负极）
空穴迁移
电子与空穴复合
电子迁移
辐射 电致发光
激子扩散 激子复合
非辐射 电致发热
• 常用于电致发光材料的聚合物包括：聚对苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等。
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Polymeric solar cell
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Functional Polymer Materials for Adsorption and Separation
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Ion-exchangers
• Synthetic organic polymer resins based on styrene – or acrylicacid-type monomers are most widely used.