13-高分子科学导论-天然高分子材料.ppt

1、Natural PolymersIntroduction to Polymer ScienceNatural Polymers Natural polymersNatural polymers are polymers produced by living organisms.are polymers produced by living organisms.Natural Polymer 天然高分子是指没有经过人工合成，天然存在于动植物天然高分子是指没有经过人工合成，天然存在于动植物和微生物体内的大分子有机化合物。和微生物体内的大分子有机化合物。天然高分子都是处在一个完整而严谨的超分子体系内

2、，天然高分子都是处在一个完整而严谨的超分子体系内，一般是多种天然高分子以高度有序的结构排列起来。一般是多种天然高分子以高度有序的结构排列起来。天然高分子作为可再生、可持续发展的资源，在能源问天然高分子作为可再生、可持续发展的资源，在能源问题日益紧迫的今天，开始表现出越来越重要的经济和战题日益紧迫的今天，开始表现出越来越重要的经济和战略意义。略意义。人类对天然高分子的利用始终伴随着人类的进化与发展。人类对天然高分子的利用始终伴随着人类的进化与发展。与人的社会生产和生活密不可分。与人的社会生产和生活密不可分。Advantage of the Natural Polymers 价格低廉、来源广泛，在

3、自然界动植物中广泛存在。价格低廉、来源广泛，在自然界动植物中广泛存在。Advantage of the Natural Polymers 绿色、清洁、具有可生物降解性和可再生性，绿色、清洁、具有可生物降解性和可再生性，农作物农作物农作物农作物二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳水水水水阳光阳光农产品农产品农产品农产品天然高分子天然高分子天然高分子天然高分子提取提取可降解制品可降解制品可降解制品可降解制品堆肥堆肥Disadvantage of the Natural Polymers 一般的天然高分子加工性能都很差，难以通过常用塑一般的天然高分子加工性能都很差，难以通过常用塑料的加工方法成型；料的加

4、工方法成型；力学性能、耐环境性能等存在缺陷，应用范围较窄；力学性能、耐环境性能等存在缺陷，应用范围较窄；因此为了拓展天然高分子的应用范围、提高其使用性因此为了拓展天然高分子的应用范围、提高其使用性能，研究者们开始致力于天然高分子的改性研究，并能，研究者们开始致力于天然高分子的改性研究，并已成为近年来的研究热点。已成为近年来的研究热点。Classification of the Natural Polymers多聚糖类多聚糖类淀粉、纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、纤维素、木质素、甲壳素、多聚肽类多聚肽类蛋白质、酶、激素、蚕丝。蛋白质、酶、激素、蚕丝。遗传信息物质遗传信息物质DNADNA、RNARN

5、A动植物分泌物动植物分泌物生漆、天然橡胶、虫胶。生漆、天然橡胶、虫胶。PolysaccharidePolysaccharide 糖类通称为碳水化合物，分为单糖、低聚糖和多聚糖三大类。糖类通称为碳水化合物，分为单糖、低聚糖和多聚糖三大类。单糖是最简单的碳水化合物，如葡萄糖、果糖、木糖等。单糖是最简单的碳水化合物，如葡萄糖、果糖、木糖等。低聚糖是由二个至十个单糖分子经由糖苷键连接而成的化合物。低聚糖是由二个至十个单糖分子经由糖苷键连接而成的化合物。多糖是由十个以上的单糖分子经由糖苷键连接而成的碳水化合物。多糖是由十个以上的单糖分子经由糖苷键连接而成的碳水化合物。Polysaccharide自然界存

6、在自然界存在着大量的多着大量的多糖类高分子糖类高分子淀粉淀粉淀粉淀粉纤维素纤维素纤维素纤维素壳聚糖壳聚糖壳聚糖壳聚糖Conformation of PolysaccharideOHOHOOHOHOHOHOHOOHOHOH-D-Glucose-D-Glucose-D-Glucose-D-GlucoseStarch(helix)Starch(helix)Cellulose(sheet)Cellulose(sheet)OOHOOHOH OOHOOHHOOOOHOOHOHOOHOOHOHOOHOHOOHOHOHO-D-Glucose-D-GlucoseDextran(coil)Dextran(coil

7、)OHO HOOOOOHO HOOHHStarch 淀粉是自然界中产量仅次于纤维素的碳水化合物，是由淀粉是自然界中产量仅次于纤维素的碳水化合物，是由 D-D-葡萄糖葡萄糖通过通过-糖苷糖苷键键组成的多聚糖。组成的多聚糖。未经改性处理的淀粉称为原淀粉，呈颗粒结构有一定大小和形状，水分未经改性处理的淀粉称为原淀粉，呈颗粒结构有一定大小和形状，水分含量高，蛋白质少的淀粉颗粒较大。含量高，蛋白质少的淀粉颗粒较大。淀粉颗粒具有结晶结构，结晶结构占颗粒体积淀粉颗粒具有结晶结构，结晶结构占颗粒体积25%50%25%50%。OOHOOHOH OOHOOHHOO 淀淀粉粉（starchstarch）是是植植物物

8、体体中中贮贮存存的的养养分分，贮贮存存在在种种子子、水水果果、块块茎茎、根根茎茎中中，各各类类农农作作物物中中的的淀淀粉粉含含量量都都较较高高，大大米米中中含含淀淀粉粉 62 62 8686，麦麦子子中中含含淀淀粉粉 57755775，玉玉米米中中含含淀淀粉粉 65726572，马马铃铃薯薯中中则则含含淀淀粉粉 12141214，是我们饮食中碳水化合物的主要来源。是我们饮食中碳水化合物的主要来源。Source of the Starch淀粉淀粉Topology of starchModified Starch 淀粉本身不具有熔点，加热后容易发生分解和氧化反应，因此需要进行淀粉本身不具有熔点，加

9、热后容易发生分解和氧化反应，因此需要进行改性处理。改性处理。物理变性：包括预糊化淀粉、物理变性：包括预糊化淀粉、-射线、超高频辐射处理淀粉、机械研磨射线、超高频辐射处理淀粉、机械研磨处理淀粉、湿热处理淀粉等。处理淀粉、湿热处理淀粉等。化学变性：用各种化学试剂处理得到的变性淀粉。其中有两大类：一类化学变性：用各种化学试剂处理得到的变性淀粉。其中有两大类：一类是使淀粉分子量下降，如酸解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊精等；另一类是是使淀粉分子量下降，如酸解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊精等；另一类是使淀粉分子量增加，如交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等。使淀粉分子量增加，如交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀

10、粉等。酶法变性（生物改性）：各种酶处理淀粉。如环糊精、麦芽糊精、直链酶法变性（生物改性）：各种酶处理淀粉。如环糊精、麦芽糊精、直链淀粉等。淀粉等。复合变性：采用两种以上处理方法得到的变性淀粉。如氧化交联淀粉、复合变性：采用两种以上处理方法得到的变性淀粉。如氧化交联淀粉、交联酯化淀粉等。采用复合变性得到的变性淀粉具有两种变性淀粉的各交联酯化淀粉等。采用复合变性得到的变性淀粉具有两种变性淀粉的各自优点。自优点。Application of Starch 另外在石油工业、造纸工业、纺织工业等领域中淀粉也常被用做增稠剂、另外在石油工业、造纸工业、纺织工业等领域中淀粉也常被用做增稠剂、粘合剂、胶凝剂等不

11、同的用途。粘合剂、胶凝剂等不同的用途。Cellulose 纤维素是自然界中存在量最大的天纤维素是自然界中存在量最大的天然高分子化合物。然高分子化合物。纤维素由很多纤维素由很多 D-D-吡喃葡萄糖单元以吡喃葡萄糖单元以 (1-4)(1-4)苷键连接而成。苷键连接而成。纤维素是高等植物细胞壁的主要成纤维素是高等植物细胞壁的主要成分，主要来源为木材等。分，主要来源为木材等。纤维素具有一定的纤维素具有一定的结晶性；结晶性；纤维素的分子间存纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，在非常强烈的氢键，使得其具有更高度使得其具有更高度的结构有序性，耐的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶化学腐蚀性和耐溶剂性。剂性。Sou

12、rce of the Cellulose 棉花：是棉属植物种子的表皮毛，棉花：是棉属植物种子的表皮毛，是自然界纯度最高的纤维。是自然界纯度最高的纤维。木材：是自然界中纤维素最主要木材：是自然界中纤维素最主要的来源。的来源。草类：包括禾本科和竹科等植物草类：包括禾本科和竹科等植物的茎。的茎。Modification of the Cellulose 纤维素改性可以使之具有更好的溶解性和加工性。纤维素改性可以使之具有更好的溶解性和加工性。酯化酯化 无机酯包括碳酸酯、硝酸酯、磷酸酯等；有机酯包括醋酸酯、磺酸无机酯包括碳酸酯、硝酸酯、磷酸酯等；有机酯包括醋酸酯、磺酸酯、氨基甲酸酯等。酯、氨基甲酸酯等。

13、醚化醚化 羧甲基纤维素、羟烷基纤维素、甲基纤维素芳基和芳烷基纤维素等。羧甲基纤维素、羟烷基纤维素、甲基纤维素芳基和芳烷基纤维素等。接枝与交联接枝与交联 卤化与氧化卤化与氧化Application of the CelluloseApplication of the Cellulose 纤维素通过水解可用于生产微晶纤维素和葡萄糖浆；纤维素通过水解可用于生产微晶纤维素和葡萄糖浆；通过接枝共聚等改性可得到具有各种新功能的材料，如抗酶抗菌材料、通过接枝共聚等改性可得到具有各种新功能的材料，如抗酶抗菌材料、离子交换材料、膜材料、高吸水性材料等；离子交换材料、膜材料、高吸水性材料等；通过化学和生物技术，将

14、有可能生产出食品、燃料及多种基本有机合成通过化学和生物技术，将有可能生产出食品、燃料及多种基本有机合成原料。原料。Application of the CelluloseChitosan 壳聚糖的化学名称为：壳聚糖的化学名称为：-(1,4)-(1,4)-聚聚-2-2-胺基胺基-D-D-葡萄糖。葡萄糖。壳聚糖具有较强的刚性结构和强烈的分子间氢键作用，具有稳定的结晶壳聚糖具有较强的刚性结构和强烈的分子间氢键作用，具有稳定的结晶结构因此具有较好的耐溶剂性和耐化学腐蚀性。结构因此具有较好的耐溶剂性和耐化学腐蚀性。壳聚糖分子结构单元中含有氨基，因此具有较好的生理活性和吸附性。壳聚糖分子结构单元中含有氨基

15、，因此具有较好的生理活性和吸附性。清洗，去除无机盐和蛋白质清洗，去除无机盐和蛋白质漂白、晾干漂白、晾干hydrolysishydrolysis虾蟹壳虾蟹壳ChitinChitinChitosanChitosanChitin:x y;Chitin:x yChitosan:x yApplication of Chitosan 壳聚糖具有较强的吸附性，可用于香烟过滤嘴和絮凝剂等壳聚糖具有较强的吸附性，可用于香烟过滤嘴和絮凝剂等 壳聚糖由于具备良好的成膜性和抑菌性，因此被应用在以下领域：壳聚糖由于具备良好的成膜性和抑菌性，因此被应用在以下领域：医用材料：医用纤维和膜功能材料。医用材料：医用纤维和膜功能

16、材料。保鲜剂：壳聚糖具有明显的保鲜、防腐作用。保鲜剂：壳聚糖具有明显的保鲜、防腐作用。PolypeptideProtein 蛋白质由蛋白质由 C C、H H、O O、N N、S S等元素组成，特种蛋白质还含有铜、铁、磷、等元素组成，特种蛋白质还含有铜、铁、磷、铂、锌、碘等元素。铂、锌、碘等元素。组成蛋白质的单体为氨基酸，蛋白质水解得到各种组成蛋白质的单体为氨基酸，蛋白质水解得到各种-氨基酸的混合物。氨基酸的混合物。仅有大约仅有大约2020种氨基酸是维持生命存在所必不可少的。在这种氨基酸是维持生命存在所必不可少的。在这2020种氨基酸中，种氨基酸中，有有1111种可以在人体中合成，其余种可以在人体中合成，其余9 9种从食物中获得。种从食物中获得。不同的组合方式使蛋白质具有众多不同的种类，从而也具有不同的性能。不同的组合方式使蛋白质具有众多不同的种类，从而也具有不同的性能。蛋白质是由天然产生的不同种类的蛋白质是由天然产生的不同种类的 L-L-氨基酸以酰胺键氨基酸以酰胺键(CONH)(CONH)结合生成的共聚物，这些酰胺键也被称为肽键结合生成的共聚物，这些酰胺键也被称为肽键 (peptide