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功能高分子材料期末论文
功能高分子材料期末论文
课程总结
我们都知道，材料是与我们日常生活息息相关的，而高分子材料由于具有许多优良性能，适合现代化生产，经济效益显著，因而在工业上取得了突飞猛进的发展，其中功能高分子材料就是它的一个重要应用，它可以在高分子材料的主链或者侧链上加入一些具有特殊功能的功能基团，使高分子同时具有高分子的性质和这些功能基团，即高分子材料功能化。
一、功能高分子材料的定义及特点
（1）功能高分子材料的定义
一般说来，性能是指材料对外部作用的表征与抵抗特性，而功能则是外部作用引起材料内部变化而产生的输出特性，因而我们可定义为：
对物质、能量和信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高分子材料，通常也可简称为功能高分子，有时也称为精细高分子或特种高分子（包括高性能高分子）。
（2）功能高分子材料的分类
功能高分子从制造和结构的角度可分为两类：
一类是高分子本身具有特殊功能作用的结构型功能高分子；另一类是高分子本身不具有功能作用，而仅仅作为基体或载体与其他功能材料进行复合而制成的复合型功能高分子材料，按照功能特性通常可分成：
光、电、磁、热、力、声、化学和生物等八大类。
（3）功能高分子材料的特点
功能高分子之所以发展迅速，是因为除了具有重量轻、易加工、可大面积成膜、原材料来源广泛等优点之外，还具有如下特点：
①涉及面广；②技术密集，附加值高；③开发难度大，周期长，竞争激烈；④专用性强，品种多，产量小，价格贵。
（4）功能高分子材料的应用
功能高分子材料主要应用在制备吸附分离高分子材料、高分子分离膜、电功能高分子材料、光功能高分子材料、环境降解高分子材料、生物医用高分子材料等方面。
下面具体讲解这几方面。
1、吸附分离高分子材料
1.1吸附分离功能高分子的分类
（1）按吸附机理：
化学吸附剂、物理吸附剂、亲和吸附剂
（2）按树脂形态：
无定形、球形、纤维状
（3）按孔结构：
微孔、中孔、大孔、特大孔、均孔等
吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂。
1.2吸附树脂
吸附树脂是以吸附为特点，具有多孔立体结构的树脂吸附剂。
由苯乙烯和二乙烯苯等单体，在甲苯等有机溶剂存在下，通过悬浮共聚法制得的鱼籽样的小圆球。
广泛用于废水处理、药剂分离和提纯，用作化学反应催化剂的载体，气体色谱分析及凝胶渗透色谱分子量分级柱的填料。
其特点是容易再生，可以反复使用。
如配合阴、阳离子交换树脂，可以达到极高的分离净化水平。
1.2.1吸附树脂的应用
（1）有机物的分离：
由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。
例如，含酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。
（2）在医疗卫生中的应用：
吸附树脂可作为血液的清洗剂。
（3）药物的分离提取：
在红霉索、丝裂霉素、头孢菌素等抗菌素的提取中，已采用吸附树脂提取法。
、（4）在制酒工业中的应用：
酒中的高级脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水，因此当制备低度白酒时，需向高度酒中加水稀释。
1.3离子交换树脂
离子交换树脂是带有官能团（有交换离子的活性基团）、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。
通常是球形颗粒物。
可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树脂。
树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。
首先区分为阳离子树脂和阴离子树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离子交换。
阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和弱碱性两类（或再分出中强酸和中强碱性类）。
1.3.1离子交换树脂的应用
（1）水处理：
水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。
目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。
（2）食品工业：
离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。
例如：
高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。
（3）制药行业：
制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。
（4）合成化学和石油化学工业：
在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。
用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。
如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。
（5）环境保护：
目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。
如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。
2、高分子分离膜
高分子分离膜是由聚合物或高分子复合材料制得的具有分离流体混合物功能的薄膜。
膜分离是依据膜的选择透过性，将分离膜作间隔层，在压力差、浓度差或电位差的推动力下，借流体混合物中各组分透过膜的速率不同，使之在膜的两侧分别富集，以达到分离、精制、浓缩及回收利用的目的。
单位时间内流体通过膜的量（透过速度）、不同物质透过系数之比（分离系数）或对某种物质的截留率是衡量膜性能的重要指标。
2.1高分子分离膜的种类
高分子分离膜可按结构分为:
①致密膜，膜中无微孔，物质仅从高分子链段之间的自由空间通过；②多孔质膜，一般膜中含有孔径为0.02～20μm的微孔，可用于截留胶体粒子、细菌、高分子量物质粒子等；③不对称膜，由同一种高分子材料制成，膜的表面层与膜的内部结构不相同，表面层为0.1～0.25μm薄的活性层，内部为较厚的多孔层;④含浸型膜，在高分子多孔质膜上含浸有载体而形成的促进输送膜和含有官能基团的膜，如离子交换膜；⑤增强膜，以纤维织物或其他方式增强的膜。
按膜的分离特性和应用角度可分为反渗透膜（或称逆渗透膜）、超过滤膜、微孔过滤膜、气体分离膜、离子交换膜、有机液体透过蒸发膜、动力形成膜、镶嵌带电膜、液体膜、透析膜、生物医学用膜等多种类别。
2.2高分子分离膜的制备方法
最初用作分离膜的高分子材料是纤维素酯类材料。
后来，又逐渐采用了具有各种不同特性的聚砜、聚苯醚、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚酰亚胺等。
高分子共混物和嵌段、接枝共聚物也越来越多地被用于制分离膜，使其具有单一均聚物所没有的特性。
制备高分子分离膜的方法有流延法、不良溶剂凝胶法、微粉烧结法、直接聚合法、表面涂覆法、控制拉伸法、辐射化学侵蚀法和中空纤维纺丝法等。
2.3高分子分离膜的应用
高分子分离膜广泛应用于海水淡化、食品浓缩、废水处理、富氧空气制备、医用超纯水制造、人工肾及人工肺装置、药物的缓释等方面。
以及用于核燃料及金属提炼，气体及烃类分离，海水及苦咸水淡化，纯水及超纯水制备，环境保护和污水处理等。
3、电功能高分子材料
3.1电功能高分子材料的分类
电功能高分子材料可以分为结构型和复合型两大类。
结构型导电高分子材料是高分子本身的结构具有一定的导电性能，或者经过一定的掺杂处理后具有导电功能的材料，例如聚乙炔、聚苯胺等。
复合型导电高分子材料是由高分子基质与具有导电性能的材料通过各种复合方法形成的导电材料，复合材料中聚合物本身没有导电性能，起导电作用的是聚合物中添加的导电物质，例如炭黑、金属粉等。
3.2复合型导电高分子材料
复合型导电高分子材料中高分子基质可以选择普通塑料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，也可以选择工程塑料例如ABS，橡胶也能作为复合型导电高分子的基质，例如硅橡胶。
而导电填料有炭黑、碳纤维、金属粉、金属镀层的玻璃片和纤维以及金属氟化物等。
3.2.1复合型导电高分子材料的性能
（1）导电性
（2）压敏性：
压敏效应是指材料受到外力作用时，材料的电学性能发生明显变化，如电阻的变化，变化是由于外力施加能够导致材料发生形变或密度发生变化，必然会造成导电网络的变化，从而引起电阻率的变化。
（3）热敏性：
当温度发生变化时材料的电学性质发生变化，即具有热敏性。
3.2.2复合型导电高分子材料的应用
复合型导电高分子材料可用作防静电材料、导电涂料、电路板的制作、压敏元件、感温元件、电磁波屏蔽材料、半导体树脂薄膜等。
其发展趋势主要有以下几个方面：
（1）提高导电性，同时降低填料填充量；
（2）在增加填充量和提高导电性的前提下，维持和改善复合材料的成型加工性能、力学性能及其它性能；
（3）开发导电材料新品种，拓宽应用领域；
（4）复合材料的多功能化，除了具有导电性外，还具有优良的阻燃性、阻隔性、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦等性能。
3.3结构型导电高分子材料
结构型高分子导电材料是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。
根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。
按照导电机理可分为电子导电高分子材料和离子导电高分子材料。
电子导电高分子材料的结构特点是具有线型或面型大共轭体系，在热或光的作用下通过共轭π电子的活化而进行导电，电导率一般在半导体的范围。
采用掺杂技术可使这类材料的导电性能大大提高。
如在聚乙炔中掺杂少量碘，电导率可提高12个数量级，成为“高分子金属”。
经掺杂后的聚氮化硫，在超低温下可转变成高分子超导体。
结构型高分子导电材料用于试制轻质塑料蓄电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料以及试制半导体元器件等。
4、光功能高分子材料
光功能高分子材料研究是光化学和光物理科学的重要组成部分，是指能够对光进行传输、吸收、储存、转换的一类高分子材料，主要分为以下几种：
（1）光敏涂料：
主要由光敏预聚物、光引发剂和光敏剂、活性稀释剂（单体）以及其他添加剂等构成。
应用：
作表面涂料，起装饰和保护作用；作光致抗蚀剂用。
（2）光致抗蚀剂：
主要包括正性光致抗蚀剂和负性光致抗蚀剂等。
应用：
制作半导体器件、集成电路，在电子工业中广泛应用。
（3）高分子光稳定剂：
主要包括光屏蔽剂、激发态狙灭剂抗氧剂和聚合型光稳定剂等。
应用：
阻止聚合物对光的吸收在、热氧化反应、老化反应等。
（4）光致变色高分子材料：
主要包括含硫卡巴腙络合物的光致变色聚合物、含偶氮苯的光致变色高分子和含螺苯并吡喃结构的光致变色高分子等。
应用：
用作光的控制和调变、信号系统、信息存储元件、感光材料、光致变色玻璃等。
（5）光导电高分子材料：
由光导电聚合物材料构成。
应用：
用作静电复印、激光打印、图像传感器、光电池。
（6）光学塑料和光纤：
是指用作光学介质材料的塑料和一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。
应用：
用在制作塑料透镜、光盘基材、塑料光纤等。
光功能高分子材料还包括感光性树脂、光降解材料等。
感光性树脂是在光的作用下能迅速发生光化学反应,引起物理和化学变化的高分子。
这类树脂在吸收光能量后使分子内或分子间产生化学的或结构的变化。
吸收光的过程可由具有感光基团的高分子本身来完成,也可由加入感光材料中的感光性化合物（光敏剂）吸收光能后引发光化学反应来完成。
感光性树脂在印刷布线、孔板制造、集成电路和电子器件加工、精密机械加工及复印、照相等方面的应用愈来愈广泛。
5、环境降解高分子材料
5.1环境降解高分子材料的分类
高分子材料在许多条件下均可发生降解反应，如在热的作用下发生热降解；在机械力的作用下发生机械降解，在氧的作用下发生氧化降解，在化学试剂的作用下发生化学降解，在光、生物的作用下发生光降解、生物降解等。
因此，将环境降解高分子材料分为四大类：
（1）光降解塑料：
主要有两类：
一类是引入光增感集团（合成型）如：
乙烯-一氧化碳的共聚物乙烯基酮和乙烯基单体共聚物。
另一类是添加有光增感作用的化学助剂（添加型）包括：
光敏剂，过渡金属化合物，多芳香族碳氢化合物。
（2）生物降解塑料：
根据其降解形式又可分为完全生物降解塑料和不完全生物降解塑料。
（3）光-生物双降解塑料：
主要是：
光敏剂、生物降解剂与聚苯乙烯、聚丙烯的共混物，以及光敏剂、改性淀粉与聚苯乙烯、聚丙烯的共混物。
（4）化学降解塑料：
主要有氧化降解塑料和水降解塑料，如PVA与不同单体的共聚物、丙烯酸类共聚物等。
在环境降解高分子材料中主要有光降解高分子材料和生物降解高分子材料
5.2光降解高分子材料
5.2.1光降解机理
光降解反应是指在光的作用下聚合物链发生断裂，分子量降低的光化学程。
光降解反应的存在使高分子材料老化，力学性能变坏，从而失去价值。
5.2.2光降解的三种形式:
（1）无氧光降解过程，主要发生在聚合物分子含有发色团时，或含有光敏杂质。
一般认为与聚合物中羰基吸收光能后，发生一系列能量转移和化学反应，导致聚合物链断裂有关。
（2）不含有羰基发色团的聚合物，可能有两种光降解方式导致主链断裂：
一是：
首先发生侧基断裂，然后由所产生的自由基引起聚合物链断裂。
二是：
主链键直接被光解成一对自由基。
（3）高聚物中含有光敏剂，此时光敏剂分子可以将其吸收的光能传递给聚合物，发生降解反应。
5.3生物降解高分子材料
5.3.1生物降解高分子材料的种类
根据降解机理和破坏形式可将生物降解高分子分为完全生物降解高分子和生物破坏高分子两种：
①完全生物降解高分子：
指在微生物作用下，在一定时间内完全分解为CO：
和H20的化合物。
②生物破坏性（或称崩解）高分子：
指在微生物的作用下高分子仅能被分解为散乱的碎片。
5.3.2生物降解高分子材料的降解机理
生物降解机理和光一生物降解机理．完全生物降解机理大致有三种途径：
①生物物理作用：
由于生物细胞增长而使聚合物组分水解，电离质子化而发生机械性的毁坏．分裂成低聚物碎片；②生物化学作用：
微生物对聚合物作用而产生新物质（CH4、C02和H20）；③酶直接作用：
被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩裂。
而光一生物降解机理则是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解，增大表面/体积比，同时，日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成含氧化物，并氧化断裂．分子量下降到能被微生物消化的水平。
进一步研究发现．不同的生物降解高分子材料的生物降解性与其结构有很大关系，包括化学结构、物理结构、表面结构等。
5.3.3生物降解的过程
生物降解过程主要分为3个阶段：
（1）高分子材料的表面被微生物黏附．微生物黏附表面的方式受高分子材料表面张力、表面结构、多孔性、温度和湿度等环境的影响。
（2）微生物在高分子材料表面上所分泌的酶作用下，通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片。
（3）微生物吸收或消耗低相对分子质量的碎片，一般相对分子质量低于500，经过代谢最终形成C02、H20及生物量。
6、生物医用高分子材料
生物医用高分子材料是以医用为目的,用于和活体组织接触,具有诊断、治疗或替换机体中组织、器官或增进其功能的高分子材料,生物医用高分子材料是在高分子材料科学不断向医学和生命科学渗透,高分子材料广泛应用于医学领域的过程中,逐渐发展起来的一类生物材料,它已形成一门介于现代医学和高分子科学之间的边缘科学。
6.1生物医用高分子材料的分类
（1）按材料的来源分类
1）天然医用高分子材料：
如胶原、明胶、丝蛋白、角质蛋白、纤维素等。
2）人工合成医用高分子材料：
如聚氨酯、硅橡胶、聚酯等。
3）天然生物组织与器官
①取自患者自体的组织，例如采用自身隐静脉作为冠状动脉搭桥术的血管替代物；
②取自其他人的同种异体组织，例如利用他人角膜治疗患者的角膜疾病；
③来自其他动物的异种同类组织，例如采用猪的心脏瓣膜代替人的心脏瓣膜，治疗心脏病等.
（2）按材料与活体组织的相互作用关系分类
1）生物惰性高分子材料：
在体内不降解、不变性、不会引起长期组织反应的高分子材料，适合长期植入体内。
2）生物活性高分子材料：
指植入生物体内能与周围组织发生相互作用，促进肌体组织、细胞等生长的材料。
3）生物吸收高分子材料：
这类材料又称生物降解高分子材料。
这类材料在体内逐渐降解，其降解产物能被肌体吸收代谢，获通过排泄系统排出体外，对人体健康没有影响。
如用聚乳酸制成的体内手术缝合线、体内粘合剂等。
（3）按生物医学用途分类
1）硬组织相容性高分子材料，如骨科、齿科用高分子材料；
2）软组织相容性高分子材料；
3）血液相容性高分子材料；
4）高分子药物和药物控释高分子材料；
（4）按与肌体组织接触的关系分类
1）长期植入材料，如人工血管、人工关节、人工晶状体等；
2）短期植入（接触）材料，如透析器、心肺机管路和器件等；
3）体内体外连通使用的材料，如心脏起搏器的导线、各种插管等；
4）与体表接触材料及一次性医疗用品材料；
6.2生物医用高分子材料的特殊要求
（1）生物功能性:
因各种医用高分子材料的用途而异，如:
作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。
（2）生物相容性:
医用高分子材料的生物相容性包括2个方面:
一是材料反应，主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效等；二是宿主反应，包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致畸和免疫反应等。
（3）可加工性:
能够成型、消毒（紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等）。
正因为对于医用高分子材料的要求严格，相关的研发周期一般较长，需要经过物理性能、化学性能实验、型式检验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验。
6.3生物医用高分子材料的发展趋势
生物技术将是21世纪最有前途的技术，医用高分子材料将在其中起到重要的作用，其性能将不断提高，应用领域也将进一步拓宽。
今后将主要从以下几方面发展：
（1）改进和发展材料的生物相容性评价：
随着新型生物医用材料的出现，需对材料与基体所有信息进行有机的全面研究和评价。
（2）研究新的降解性高分子材料：
医用可生物降解高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到广泛的重视，它在缓释药物、促进组织生长的骨架材料方面具有极大的发展潜力。
尤其是可对生物降解型聚合物进行物理和化学修饰，研发出适合于不同药物的聚合物基材料，使之达到理想的控制释放效果。
（3）研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料：
复制具有人体各部天然组织的物理力学性质和生物学性质的生物医用材料，达到高分子的生物功能化和生物智能化，是医用高分子材料发展的重要方向。
（4）研究新的药物缓释体系和药物载体材料：
新的药物缓释体系包括靶向药物体系、智能型药物体系、微胶囊等体系。
（5）材料表面改性：
可提高材料的生物相容性，其中获得基体与涂层之间较强的结合力是需要研究解决的重要课题。
二、功能高分子材料的发展前景
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是工业革命的先导，关系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力的重要标志。
高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已经成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要保证。
功能高分子材料由于它的优越性，使其在材料行业迅猛发展。
功能高分子材料是未来材料科学与工程技术领域的重要发展方向,现代学科交叉的特点促进了新型功能高分子材料的研究与发展,也孕育了新一代的功能高分子材料。
由于高分子材料在结构上的复杂性和多样性,可以在分子结构（包括支链结构）、聚集态结构、共混、复合、界面和表面甚至外观结构等诸多方面,进行单一或多种结构的综合利用，因此最大程度地满足了其他高技术要求材料技术为他们提供的更多、更好的功能。
我国电子、国防、医药和许多尖端技术部门所需的不少功能高分子材料仍依赖于国外市场，这使得我们的一些产品和核心技术在国际市场上竞争力不足，制约我国综合国力的进一步提高。
并且在未来的材料领域中，将会有很广泛的应用。
总结：
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。
因此学习这门学科能让我们很好的将高分子学科的知识综合起来，进而使我们对高分子学科有更深刻的认识，让我们受益匪浅。
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