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李净植

授课老师：

罗鲲

完成时间：

文摘

功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。

本文在论述功能高分子的基本理论和设计思想的基础上，主要论述了在工程上应用较广和具有重要应用价值的一些功能高分子材料，如吸附分离功能高分子、反应型功能高分子、光功能高分子、电功能高分子、医用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等。

在阐述这些功能高分子材料时，对涉及的基本概念、基本原理作了介绍，阐明了功能高分子材料的结构和组成与功能性之间的关系，同时也对发展方向以及最新成果作了一定的介绍。

引言

功能高分子材料是研究功能高分子材料规律的科学，是高分子材料科学领域发展最为迅速，与其他科学领域交叉度最高的一个研究领域。

它是建立在高分子化学、高分子物理等相关学科的基础之上，并与物理学、医学、甚至生物学密切联系的一门学科。

由于涉及面广，因此给人的感觉是资料零散，规律性不强。

但是任何一门科学总有其自身的发展现律，随着功能高分子材料科学研究的深入，有关信息的日趋丰富，为功能高分子材料学科在摸清自身发展规律以及完善其理论提供了有利条件。

本章试图对来自于科学研究前沿的丰富而较散在的大量相关文献资料进行归纳、分类、总结，从中找出功能高分子材料学科中的一般发展规律。

此课程主要介绍功能高分子材料性能与结构的一般关系，制备功能高分子材料的总体策略和功能高分子化学的研究方法等内容，使学生对功能高分子材料科学有一个概括性的认识。

高分子材料科学与工程，顾名思义，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。

目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、科研和国防等各个领域，成为我国科学研究的一个重点领域。

近代科学技术与工业的进步，为高分子材料学科的发展开拓了更广泛的前景。

高分子材料已由传统的有机材料向具有光、电、磁、生物和分离效应的功能材料延伸。

高分子结构材料正朝着高强度、高韧性、耐高温、耐极端条件的高性能材料发展，为航天航空、近代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和环境保护等各个方面提供各种新型材料。

高分子材料与工程属于理工科类，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。

高分子科学的形成可以追溯到19世纪30年代，但直到20世纪70年代，才得到全面的发展。

80年代初，高分子的三大合成材料（塑料、橡胶、纤维）的总产量超过亿吨，高分子工业体系在整个经济中占有举足轻重的地位。

但俗话说万事开头难，高分子学说创立之前，高分子学科历史上的几次重要事件给我们带来的思想上得冲击，是值得我们去瞻仰的。

1功能高分子材料总论

1.1功能高分子材料概述

功能高分子材料的定义为：

与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的聚合物大分子（主要指全人工和半人工合成的聚合物）都应归属于功能高分子材料范畴。

而以这些材料为研究对象，研究它们的结构组成、构效关系、制备方法，以及开发应用的科学，应称为功能高分子材料科学。

功能高分子研究的主要目标和内容包括新材料的制备方法、物理化学性能表征、结构与性能之间的关系、应用开发研究等几个方面。

其中结构与性能之间的关系研究建立起聚合物结构与功能之间的关系理论，以此理论可指导开发功能更强的，或具有全新功能的高分子材料。

与其他材料一样，功能高分子材料的性能与其化学组成、分子结构和宏观形态存在密切关系，即构效关系。

1.2功能高分子材料的发展与展望

1.2.1功能高分子发展的背景

经济发展的需。

自从1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。

至20世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善，解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。

通用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千万吨/年，特种高分子则为几十万吨/年。

1973年和1978年两次世界性的石油大危机，使原油价格猛涨。

以石油为主要原料的高分子材料成本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。

在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。

功能高分子在这种外部条件促使下迅速地发展了起来。

表1—1

品种

主要产品举例

产量/万吨/年

价格比

通用高分子材料

LDPE，HDPE，PVC，PP，PS

＞1000

1

中间高分子材料

ABS，PMMA

100～1000

1～2

工程高分子材料

PA，PC，POM，PBT，PPO

20～80

2～4

特种高分子材料

有机氟材料，耐热性高分子，各种功能高分子

1～20

10～100

从表1—1的数据可以看出，发展功能高分子材料可以获得较高的经济效益。

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。

然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。

以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的1％，就需100μ的单晶硅至少2.7万吨。

这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。

为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。

如换能型高分子分离膜的利用。

交通和宇航技术的要求。

既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。

采用功能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。

就目前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料），可省油50％。

汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。

微电子技术的要求。

高度集成化是微电子工业发展的趋势。

存储容量将从目前的16K发展到256K。

此时相应的电路细度仅为1.5μm。

因此，高功能的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一。

生命科学的要求。

人类对生命奥秘的探索，对建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。

例如，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。

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。

总之，功能高分子材料在国民经济建设和日常生活中将发挥越来越重要的作用，发展前景不可估量。

当然，目前的成就尚处于十分初级的阶段，有待于进一步研究和探索。

1.2.2功能高分子的发展历程与展望

高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。

1839年，美国人Goodyear发明硫化橡胶。

1855年，英国人Parks用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。

1889年，法国人DeChardonnet（夏尔多内）发明人造丝。

1907年，酚醛树脂诞生。

1920年，德国人Staudinger发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。

高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。

Flory为此获得诺贝尔奖。

40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。

50年代，Ziegler和Natta发明配位聚合催化剂，制得高密度PE和有规PP，低级烯烃得到利用。

60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。

特种高分子：

高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。

功能高分子：

分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。

80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。

新的聚合方法：

阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等；

新结构的聚合物：

新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含C60聚合物等等。

虽然特种与功能高分子材料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历史。

但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的。

最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。

20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。

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。

1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，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，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。

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。

1991年发现了尼龙11的铁电性，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。

这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。

其中从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。

比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。

近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。

反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。

更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。

电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极的出现。

此外超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。

此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。

高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦