《功能高分子材料及智能高分子材料》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《功能高分子材料及智能高分子材料（61頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、功能高分子材料和智能高分子材料功能高分子材料和智能高分子材料 東華大學(xué)材料學(xué)院東華大學(xué)材料學(xué)院艾倫-J-黑格Alan J. Heeger 艾倫-G-麥克迪爾米德Alan G. MacDiarmid 白川英樹(shù)Hideki Shirakawa 2000 Nobel Prize in chemistry Organic Electronics Display Solar cell Lighting Bisensor有機(jī)光電子器件 需求：需求：研究研究有機(jī)分子有機(jī)分子/ /高分子的高分子的電子過(guò)程將建立一個(gè)電子過(guò)程將建立一個(gè) 由新型電子屏幕、存儲(chǔ)器和晶體管等組成的由新型電子屏幕、存儲(chǔ)器和晶體管等組成的

2、 “ “有機(jī)電子工業(yè)有機(jī)電子工業(yè)”。 學(xué)科：學(xué)科：將誕生將誕生分子電子學(xué)、納米電子學(xué)與分子電子學(xué)、納米電子學(xué)與塑料電子學(xué)塑料電子學(xué) 學(xué)科領(lǐng)域?qū)W科領(lǐng)域新工作原理和新物理機(jī)制新工作原理和新物理機(jī)制容易實(shí)現(xiàn)大屏幕和柔性容易實(shí)現(xiàn)大屏幕和柔性制備工藝簡(jiǎn)單，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)制備工藝簡(jiǎn)單，具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)5億億US$30億億US$20042009塑料電子學(xué)塑料電子學(xué)為跨學(xué)科領(lǐng)域國(guó)際科學(xué)前沿的重要為跨學(xué)科領(lǐng)域國(guó)際科學(xué)前沿的重要研究方向和高技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。研究方向和高技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。手機(jī)手機(jī)電視電視領(lǐng)域背景光敏高分子光敏高分子藥藥物物緩釋緩釋高分子高分子第一部分：功能高分子材料第一部分：功能高分子材料1.1 1.1 功

3、能高分子材料的概念功能高分子材料的概念 是指除了具有一定力學(xué)性能外，還具有物質(zhì)分離、光、電、磁、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)化、生物醫(yī)用等特殊性能的高分子材料，這種特殊功能是由它們的鏈結(jié)構(gòu)、鏈上所帶的功能基的種類、數(shù)量、分布以及高分子的聚集態(tài)和形態(tài)所確定的。 功能高分子的功能高分子的產(chǎn)產(chǎn)生生v 隨隨著人著人們們?cè)谏谏a(chǎn)產(chǎn)和生活方面和生活方面對(duì)對(duì)新型聚合材料的需求新型聚合材料的需求, ,以及以及高分子化高分子化學(xué)研學(xué)研究的深入和究的深入和發(fā)發(fā)展展, ,眾眾多的有著不同于以上特多的有著不同于以上特征征, ,帶帶有特殊物理化有特殊物理化學(xué)學(xué)性性質(zhì)質(zhì)和功能的高分子材料大量涌和功能的高分子材料大量涌現(xiàn)現(xiàn), ,其其性能

4、和特征性能和特征都超出了原有都超出了原有常常規(guī)規(guī)高分子材料高分子材料的范的范疇疇, ,使人使人們們有必要有必要對(duì)這對(duì)這些新型聚合物材料些新型聚合物材料進(jìn)進(jìn)行行重新重新認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)。v 功能高分子化功能高分子化學(xué)學(xué)就是在就是在這種這種背景下背景下發(fā)發(fā)展起展起來(lái)來(lái)的一的一門門科科學(xué)學(xué)。那些性那些性質(zhì)質(zhì)和功能很特殊的新型聚合物材料即和功能很特殊的新型聚合物材料即屬屬于功能高于功能高分子材料。分子材料。 功能高分子化學(xué)的發(fā)展功能高分子化學(xué)的發(fā)展 v 功能高分子化功能高分子化學(xué)學(xué)的的發(fā)發(fā)展可以追述到很久以前，如展可以追述到很久以前，如光敏高光敏高分子材料和離子交分子材料和離子交換樹(shù)換樹(shù)脂都有很脂都有很長(zhǎng)長(zhǎng)的

5、的發(fā)發(fā)展展歷歷史。但是作史。但是作為為一一門獨(dú)門獨(dú)立立學(xué)學(xué)科，科，則則是一是一門門全新的科全新的科學(xué)學(xué)。v 功能高分子化功能高分子化學(xué)還學(xué)還是一是一門門新新興邊緣興邊緣交叉交叉學(xué)學(xué)科，是目前科，是目前國(guó)國(guó)內(nèi)內(nèi)外外異異?；畛；钴S躍的一的一個(gè)研個(gè)研究究領(lǐng)領(lǐng)域。域。v 功能高分子化功能高分子化學(xué)學(xué)在高分子化在高分子化學(xué)學(xué)中地位、相中地位、相當(dāng)當(dāng)于于精精細(xì)細(xì)化工化工在化工在化工領(lǐng)領(lǐng)域地位，因此有人域地位，因此有人稱稱功能高分子功能高分子為為精精細(xì)細(xì)高分子高分子，指其指其產(chǎn)產(chǎn)品的品的產(chǎn)產(chǎn)量小、量小、產(chǎn)值產(chǎn)值高、制造工高、制造工藝復(fù)雜藝復(fù)雜、性能、性能獨(dú)獨(dú)特。特。 獨(dú)獨(dú)特的特的“ “功能功能” ”v 功能

6、功能高分子高分子化化學(xué)學(xué)之所以能成之所以能成為國(guó)內(nèi)為國(guó)內(nèi)外材料科外材料科學(xué)學(xué)的重要的重要研研究究熱熱點(diǎn)之一，最主要的原因在于他點(diǎn)之一，最主要的原因在于他們們具有具有獨(dú)獨(dú)特的特的“ “功能功能” ”，可，可以用于替代其他功能材料，以用于替代其他功能材料，并并提高或改提高或改進(jìn)進(jìn)其性能使其成其性能使其成為為具有全新性具有全新性質(zhì)質(zhì)的功能材料。的功能材料。v 功能高分子化功能高分子化學(xué)研學(xué)研究，代表了高分子化究，代表了高分子化學(xué)學(xué)的的發(fā)發(fā)展方向，人展方向，人們們甚至期望甚至期望功能高分子材料功能高分子材料能象能象合成合成纖維帶來(lái)紡織纖維帶來(lái)紡織革命革命一一樣樣，在其，在其它它生生產(chǎn)產(chǎn)和科和科學(xué)領(lǐng)學(xué)領(lǐng)

7、域域帶來(lái)帶來(lái)一一場(chǎng)場(chǎng)革命。革命。 功能高分子材料1.2 1.2 功能高分子與高性能高分子材料的區(qū)別功能高分子與高性能高分子材料的區(qū)別 高性能高分子材料或結(jié)構(gòu)材料當(dāng)有外來(lái)的刺激時(shí)，能通過(guò)化學(xué)或化學(xué)或物理的方法做出響應(yīng)物理的方法做出響應(yīng)的高分子材料 對(duì)外力有特別強(qiáng)抵抗能力的高分子材料 1.3 1.3 功能高分子發(fā)展的背景功能高分子發(fā)展的背景 l 1935年發(fā)明了離子交換樹(shù)脂； l 1957年發(fā)現(xiàn)了聚乙烯基咔唑的光電導(dǎo)光電導(dǎo)性，打破了多年來(lái)認(rèn)為高分子材料只能是絕緣體絕緣體的觀念；l 20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的光敏高分子化學(xué)光敏高分子化學(xué)，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導(dǎo)機(jī)理的研究方面都取得了重

8、大突破，特別在過(guò)去20多年中有了飛快發(fā)展，并在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用.l 1966年little提出超導(dǎo)高分子模型超導(dǎo)高分子模型，隨后在1975年發(fā)現(xiàn)了聚氮化硫聚氮化硫的超導(dǎo)性，1993年俄羅斯科學(xué)家報(bào)道了在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期氧化的聚丙烯氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體； l 20世紀(jì)80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術(shù)得到快速發(fā)展；l 1994年塑料柔性太陽(yáng)能電池塑料柔性太陽(yáng)能電池在美國(guó)阿爾貢實(shí)驗(yàn)室研制成功；l 1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔聚乙炔經(jīng)過(guò)摻雜具有金屬導(dǎo)電性金屬導(dǎo)電性，導(dǎo)致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導(dǎo)電高分子的問(wèn)世；1.3.1 1.3.1 經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的促進(jìn) （價(jià)格比以

9、通用高分子為1計(jì))品 種 主要產(chǎn)品舉例 產(chǎn)量 /萬(wàn)噸/年 價(jià)格比 通用高分子材料 LDPE，HDPE，PVC，PP，PS 1000 1 中間高分子材料 ABS，PMMA 1001000 12 工程高分子材料 PA，PC，POM， PBT，PPO 2080 24 特種高分子材料 有機(jī)氟材料， 耐熱性高分子， 功能高分子 120 10100 1.3.2 1.3.2 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求 1）新能源的要求 太陽(yáng)能和氫將成為今后的主要能源。光電轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能和氫將成為今后的主要能源。光電轉(zhuǎn)換材料就成為太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵，硅材料已進(jìn)入了實(shí)材料就成為太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵，硅材料已進(jìn)入了實(shí)用階段。因?yàn)?/p>

10、其最高能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)用階段。因?yàn)槠渥罡吣芰哭D(zhuǎn)換效率達(dá)40.8%40.8%，然而，然而單晶硅價(jià)格太高，為此，人們單晶硅價(jià)格太高，為此，人們正正把注意力轉(zhuǎn)向把注意力轉(zhuǎn)向可高可高效轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的功能高分子太陽(yáng)能電池效轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能的功能高分子太陽(yáng)能電池(11%)(11%)。2 2）交通和宇航技術(shù)的要求）交通和宇航技術(shù)的要求 3 3）微電子技術(shù)的要求）微電子技術(shù)的要求 高度集成化是微電子高度集成化是微電子工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，高功高功能光致抗蝕材料能光致抗蝕材料（感光感光高分子高分子）已成為微電子）已成為微電子工業(yè)的關(guān)鍵材料之一工業(yè)的關(guān)鍵材料之一 。4 4）生命科學(xué)和環(huán)境保護(hù)）生命科學(xué)和環(huán)境保護(hù)的

11、要求的要求 生物分離介質(zhì)的研制成功使生命組成的各種組分能得以精細(xì)地分級(jí)，對(duì)生命科學(xué)的貢獻(xiàn)將是十分重大的。藥物緩釋高分子材料，可降解性高分子材料的問(wèn)世，將大大減緩白色公害對(duì)人類的危害。1.4 1.4 功能高分子材料的分類功能高分子材料的分類1.4.1 從組成和結(jié)構(gòu)上分類： 功能高分子材料 結(jié)構(gòu)型功能高分子材料 復(fù)合型功能高分子材料 大分子鏈結(jié)構(gòu)中具有特定功能基團(tuán) 普通高分子材料為載體或基體，與具有某些特定功能的其他材料進(jìn)行復(fù)合 1.4.2 1.4.2 從功能上分類從功能上分類： 1）力學(xué)功能材料u強(qiáng)化功能材料，如超高強(qiáng)材料、高結(jié)晶材料等；u彈性功能材料，如熱塑性彈性體等。2）化學(xué)反應(yīng)功能材料 分

12、離功能材料，如分離膜、離子交換樹(shù)脂、高分子絡(luò)合物等；u反應(yīng)功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑、螯合高分子、感光性高分子；u生物功能材料，如固定化酶、生物反應(yīng)器等。3）物理化學(xué)功能材料u熱功能高分子，如耐高溫高分子，高分子液晶等；u電學(xué)功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)高分子，感電子性高分子；u光學(xué)功能材料，如導(dǎo)光性高分子，光敏性高分子、熒光和發(fā)光高分子等；u能量轉(zhuǎn)換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等。4）生物化學(xué)功能材料u人工臟器用高分子材料，如人工腎、人工心肺等；u高分子藥物，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物、高分子農(nóng)藥等；u生物分解材料，如可降解性高分子材料等。 1.4.3 1.4.

13、3 按用途分類按用途分類 v 反應(yīng)性高分子材料，包括高分子試劑、高分子催化劑和高分子染料和涂料、粘合劑，帶各種功能團(tuán)的中間體，特別是高分子固相合成試劑和固定化酶試劑等。v 光敏型高分子，包括各種光穩(wěn)定劑、光刻膠，感光材料、非線性光學(xué)材料、光導(dǎo)材料和光致變色材料等。v 高分子電性能材料，包括導(dǎo)電聚合物、能量轉(zhuǎn)換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料以及其他電敏感性材料等，v 高分子分離材料，包括各種分離膜、緩釋膜和其他半透性膜材料、離子交換樹(shù)脂、高分子螯合劑、高分子絮凝劑等v 高分子吸附材料，包括高分子吸附性樹(shù)脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。v 高分子智能材料，包括高分子記憶材料、信息存儲(chǔ)材料和

14、光、磁、pH、壓力感應(yīng)材料等。v 高分子醫(yī)用材料，包括醫(yī)用高分子材料、藥用高分子材料和醫(yī)藥用輔助材料等。v 高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高溫高分子材料、高強(qiáng)高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纖維材料、生物降解高分子等。 1.4.4 1.4.4 按來(lái)源分類按來(lái)源分類 功能高分子材料天然功能高分子材料包括蛋白質(zhì)、核酸、酶、多肽、和血紅素等 半合成功能高分子材料如：固化淀粉酶和固化糖酶 合成功能高分子材料所占比例最大1.5 1.5 功能高分子材料的合成方法功能高分子材料的合成方法 特種與功能高分子材料的特點(diǎn)在于他們特殊的“性能”和“功能”，因此在制備這些高分子材料的時(shí)候，分子設(shè)計(jì)成為十

15、分關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容。設(shè)計(jì)一種能滿足一定需要的功能高分子材料是高分子化學(xué)研究的一項(xiàng)主要目標(biāo)。目前采用的制備方法來(lái)看，功能高分子材料的制備可歸納為以下四種類型：v功能性小分子材料的高分子化，功能性小分子材料的高分子化，v已有高分子材料的功能化，已有高分子材料的功能化，v多功能材料的復(fù)合，多功能材料的復(fù)合，v已有功能高分子材料的功能擴(kuò)展已有功能高分子材料的功能擴(kuò)展。1.5.1 1.5.1 功能性小分子材料的高分子功能性小分子材料的高分子化 對(duì)具有一定功能性小分子進(jìn)行對(duì)具有一定功能性小分子進(jìn)行高分子化反應(yīng)高分子化反應(yīng)，賦，賦予其高分子的功能特點(diǎn)，即有可能開(kāi)發(fā)出新的功能予其高分子的功能特點(diǎn)，即有可能開(kāi)發(fā)出

16、新的功能高分子材料。例如：利用青霉素結(jié)構(gòu)中的羧基、氨高分子材料。例如：利用青霉素結(jié)構(gòu)中的羧基、氨基與高分子反應(yīng)，可得到療效長(zhǎng)的高分子青霉素。基與高分子反應(yīng)，可得到療效長(zhǎng)的高分子青霉素。 （1） 帶有功能性基團(tuán)的單體的聚合 單體均聚或共聚單體均聚或共聚 在在功能性小分子功能性小分子中引入可聚合基團(tuán)得到單體中引入可聚合基團(tuán)得到單體然后進(jìn)行均聚或共聚反應(yīng)然后進(jìn)行均聚或共聚反應(yīng)在含有可在含有可聚合基團(tuán)聚合基團(tuán)的單體中的單體中引入功能性基團(tuán)得到功能性單體引入功能性基團(tuán)得到功能性單體例：將含有環(huán)氧基團(tuán)的低分子量雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂與 丙烯酸反應(yīng)，得到含雙鍵的環(huán)氧丙烯酸酯，這種單體在制備功能性粘合劑功能性粘合劑

17、方面有廣泛的應(yīng)用：CH2CHOCH2OCCH3CH3O CH2CHCH2O+ CH2CH COOHCH2CHOHCH2OCCH3CH3O CH2CHCH2OCH2CH COO（2 2）帶功能性基團(tuán)的小分子與高分子）帶功能性基團(tuán)的小分子與高分子骨架骨架的結(jié)合的結(jié)合 這種方法主要是利用化學(xué)反應(yīng)將這種方法主要是利用化學(xué)反應(yīng)將活性功能基引入活性功能基引入聚合物骨架聚合物骨架，從而改變聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)，賦予，從而改變聚合物的物理化學(xué)性質(zhì)，賦予其新的功能。通常用于這種功能化反應(yīng)的高分子材料其新的功能。通常用于這種功能化反應(yīng)的高分子材料都是較廉價(jià)的通用材料。都是較廉價(jià)的通用材料。 （3）功能性小分子通過(guò)

18、聚合包埋聚合包埋與高分子材料結(jié)合 a）在聚合反應(yīng)之前在聚合反應(yīng)之前，向單體溶液中加入小分子功能化合物，在聚合過(guò)程中小分子被生成的聚合物所包埋，用這種方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架與小分子功能化合物之間沒(méi)有化學(xué)鍵連接沒(méi)有化學(xué)鍵連接，固化作用通過(guò)聚合物的包絡(luò)作用聚合物的包絡(luò)作用來(lái)完成。 b）以）以微微膠膠囊囊（microcapsules）的形式的形式將將功能性小功能性小分子包埋在高分子材料中分子包埋在高分子材料中1.5.2 1.5.2 通過(guò)通過(guò)物理方法物理方法制備功能高分子制備功能高分子 聚合物的這種功能化方法可以用于當(dāng)聚合物或者功能性小分子缺乏反應(yīng)活性，不能或者不易采用化學(xué)方法進(jìn)行功能化，

19、缺乏反應(yīng)活性，不能或者不易采用化學(xué)方法進(jìn)行功能化，或者被引入的功能性物質(zhì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)于敏感，不能承受化或者被引入的功能性物質(zhì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)于敏感，不能承受化學(xué)反應(yīng)條件的情況下對(duì)其進(jìn)行功能化學(xué)反應(yīng)條件的情況下對(duì)其進(jìn)行功能化。 比如，某些酶的固化酶的固化，某些金屬和金屬氧化物的固化等。與化學(xué)法相比，通過(guò)與聚合物共混制備功能高分子的主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)是共混物不夠穩(wěn)定共混物不夠穩(wěn)定，在使用條件下（如溶脹、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。 1.5.3 1.5.3 功能高分子材料的多功能復(fù)合功能高分子材料的多功能復(fù)合 將兩種以上的功能高分子材

20、料以某種方式結(jié)合，將形成新的功能材料，而且具有任何單一功能高分子均不具備的性能，這一結(jié)合過(guò)程被稱為功能功能高分子材料的多功能復(fù)合過(guò)程高分子材料的多功能復(fù)合過(guò)程。 1.5.4 1.5.4 在同一分子中引入多種功能基在同一分子中引入多種功能基 以這種方法制備的聚合物，或者集多種功能于一身，或者兩種功能起協(xié)同作用協(xié)同作用，產(chǎn)生出新的功能。 目前現(xiàn)狀：目前現(xiàn)狀：高分子設(shè)計(jì)目前尚處于定性設(shè)計(jì)階定性設(shè)計(jì)階段段，還沒(méi)有進(jìn)入定量設(shè)計(jì)定量設(shè)計(jì)的高級(jí)階段。但功能高分子的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系相對(duì)比較簡(jiǎn)單，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和分子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究的深化，完全有可能搞清它們的結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)結(jié)

21、構(gòu)設(shè)計(jì)合成路線和加工工藝，從而可望開(kāi)發(fā)出各種具有特定功能基或一定結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)良的功能高分子材料。 第二部分：智能高分子材料第二部分：智能高分子材料 指集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣具有智能屬性的高分子材料，具有自自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)和壽命預(yù)報(bào)以及靠自身驅(qū)動(dòng)診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)和壽命預(yù)報(bào)以及靠自身驅(qū)動(dòng)完成特定功能完成特定功能（如振動(dòng)控制）的能力。外界環(huán)境變化外界環(huán)境變化瞬時(shí)主動(dòng)響應(yīng)瞬時(shí)主動(dòng)響應(yīng) 智能材料智能材料智能高分子材料智能高分子材料智能無(wú)機(jī)非金屬材料智能無(wú)機(jī)非金屬材料智能金屬材料智能金屬材料 功能材料功能材料多水平結(jié)構(gòu)層次多水平結(jié)構(gòu)層次較弱的分子間作用力較弱的分子間作

22、用力側(cè)鏈易引入官能團(tuán)側(cè)鏈易引入官能團(tuán)便于分子設(shè)計(jì)和精細(xì)控制便于分子設(shè)計(jì)和精細(xì)控制質(zhì)輕易涂覆質(zhì)輕易涂覆利于感知判利于感知判斷環(huán)境實(shí)現(xiàn)斷環(huán)境實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)環(huán)境響應(yīng)2.1 2.1 智能高分子材料的一般分類及應(yīng)用類別性質(zhì)應(yīng)用記憶功能記憶功能高分子材料對(duì)應(yīng)力形狀體積色澤等有記憶效應(yīng)醫(yī)用材料/包裝材料織物材料/熱收縮管智能纖維織物熱適應(yīng)性，可逆收縮性服裝/保溫系統(tǒng)傳感/執(zhí)行系統(tǒng)生物醫(yī)用壓力繃帶智能高分子凝膠凝膠三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系，體積相轉(zhuǎn)變組織培養(yǎng)/環(huán)境工程化學(xué)機(jī)械系統(tǒng)/調(diào)光材料智能藥物釋放體系智能高分子復(fù)合材料集成傳感器、信息處理器集成傳感器、信息處理器功能驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器，多學(xué)科交叉產(chǎn)物自愈合、

23、自應(yīng)變、自動(dòng)修補(bǔ)混凝土減震速造建筑材料形狀記憶合金/復(fù)合功能器件壓電材料智能高分子膜選擇性滲透、選擇性吸附和分離等膜的組成、結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化選擇透過(guò)膜材傳感膜材/仿生膜材人工肺2.2 2.2 智能材料與普通材料的區(qū)別智能材料與普通材料的區(qū)別下面簡(jiǎn)要的介紹三種智能高分子材料：下面簡(jiǎn)要的介紹三種智能高分子材料：記憶高分子材料記憶高分子材料智能高分子凝膠智能高分子凝膠智能高分子膜智能高分子膜2.3 2.3 記憶高分子材料記憶高分子材料（shape memory polymer) 形狀記憶是指具有初始形狀的制品，經(jīng)形變固定之后，通過(guò)加熱等外部條件刺激手段的處理，又可使其恢復(fù)初始形狀的現(xiàn)象,可分為熱致感

24、應(yīng)型，光致感應(yīng)型，電致感應(yīng)型，化學(xué)感熱致感應(yīng)型，光致感應(yīng)型，電致感應(yīng)型，化學(xué)感應(yīng)型應(yīng)型四種。固定變形態(tài)固定變形態(tài)記憶起始態(tài)記憶起始態(tài)恢復(fù)起始態(tài)恢復(fù)起始態(tài)應(yīng)力應(yīng)力記憶高分子材料記憶高分子材料形狀形狀記憶高分子材料記憶高分子材料體積體積記憶高分子材料記憶高分子材料色澤色澤記憶高分子材料記憶高分子材料2.3.1 形狀記憶高分子材料的要求 結(jié)晶型聚合物結(jié)晶型聚合物要求要求適度結(jié)晶適度結(jié)晶，否則結(jié)晶度過(guò)高不，否則結(jié)晶度過(guò)高不可能產(chǎn)生形狀記憶功能?？赡墚a(chǎn)生形狀記憶功能。對(duì)對(duì)無(wú)定型聚合物無(wú)定型聚合物，當(dāng)其，當(dāng)其相對(duì)分子質(zhì)量足夠大相對(duì)分子質(zhì)量足夠大，大，大分子之間的纏繞足夠緊密。在溫度大于分子之間的纏繞足夠緊

25、密。在溫度大于TgTg接近粘接近粘流溫度流溫度T Tf f時(shí)，纏繞點(diǎn)也不會(huì)因松弛而解除。時(shí)，纏繞點(diǎn)也不會(huì)因松弛而解除。結(jié)構(gòu)較結(jié)構(gòu)較對(duì)稱并適度交聯(lián)對(duì)稱并適度交聯(lián)的聚合物。的聚合物。微相分離明顯且兩相微相分離明顯且兩相TgTg相差較大的無(wú)定型聚合物相差較大的無(wú)定型聚合物。2.3.2 熱致形狀記憶反應(yīng)過(guò)程熱致形狀記憶反應(yīng)過(guò)程 2.3.2 2.3.2 熱致形狀記憶高分子種類和應(yīng)用熱致形狀記憶高分子種類和應(yīng)用 聚烯烴類： 耐高溫/耐腐蝕場(chǎng)合熱致形狀熱致形狀記憶高分子 聚酯類：耐熱/耐化學(xué)藥品/醫(yī)用 聚氨酯類：建筑/醫(yī)學(xué)v 熱收縮管熱收縮管v 手術(shù)縫合線手術(shù)縫合線v 緊固鉚釘緊固鉚釘2.4 2.4 智能高

26、分子凝膠智能高分子凝膠 三維高分子網(wǎng)絡(luò)與溶劑組成的體系 含有親溶劑性基團(tuán)，可被溶劑溶脹 最大的特點(diǎn):體積相轉(zhuǎn)變pHpH值值/ /離子強(qiáng)度離子強(qiáng)度溫度溫度/ /光強(qiáng)度光強(qiáng)度/ /電場(chǎng)電場(chǎng)溶脹相溶脹相收縮相收縮相2.4.1 2.4.1 智能凝膠的分類智能凝膠的分類1、來(lái)源天然凝膠合成凝膠2、交聯(lián)方式化學(xué)凝膠物理凝膠3、響應(yīng)刺激信號(hào)溫敏凝膠光敏凝膠PH響應(yīng)凝膠鹽敏凝膠電場(chǎng)響應(yīng)性凝膠.2.4.2 2.4.2 智能高分子凝膠的應(yīng)用智能高分子凝膠的應(yīng)用v調(diào)光材料調(diào)光材料：低溫透明低溫透明高溫白濁化高溫白濁化v智能藥物釋放智能藥物釋放系統(tǒng):葡萄糖響應(yīng)高分子配合物形成葡萄糖響應(yīng)高分子配合物形成的胰島素釋放微囊

27、的胰島素釋放微囊感知葡萄糖濃度感知葡萄糖濃度交換鍵合釋放藥物交換鍵合釋放藥物患者的患者的血糖濃度血糖濃度維持正常水平維持正常水平釋放機(jī)理：刺激響應(yīng)脈沖釋放釋放機(jī)理：刺激響應(yīng)脈沖釋放2.5 2.5 智能高分子膜智能高分子膜 分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)的分離膜是指能以特定形式限制和傳遞流體物質(zhì)的分隔兩相或兩部分的界面。分隔兩相或兩部分的界面。篩分篩分 過(guò)濾過(guò)濾 蒸餾蒸餾蒸發(fā)蒸發(fā) 重結(jié)晶重結(jié)晶 萃取萃取 離心離心 分離分離分子尺寸的分離分子尺寸的分離生物體組分的分離生物體組分的分離常用的化工分離常用的化工分離高分子膜分離高分子膜分離2.5.1 2.5.1 智能高分子膜的分類智能高分子膜

28、的分類 1 1）按膜的材料分類）按膜的材料分類類 別膜材料舉 例 纖維素酯類 （占50%以上）纖維素衍生物類醋酸纖維素，硝酸纖維素，乙基纖維素等非纖維素酯類聚砜類聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等聚酰(亞)胺類聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亞胺等聚酯、烯烴類滌綸，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等含氟(硅)類聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷等其他殼聚糖，聚電解質(zhì)等2 2）按膜的分離原理及適用范圍分類）按膜的分離原理及適用范圍分類 根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將根據(jù)分離膜的分離原理和推動(dòng)力的不同，可將其分為微孔其分為微孔 膜、超過(guò)濾膜、反滲透膜、納濾膜、膜、超過(guò)濾膜、反滲透膜、納濾膜

29、、滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等滲析膜、電滲析膜、滲透蒸發(fā)膜等。3 3）按膜斷面的物理形態(tài)分類）按膜斷面的物理形態(tài)分類 根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為根據(jù)分離膜斷面的物理形態(tài)不同，可將其分為對(duì)稱膜，不對(duì)稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中對(duì)稱膜，不對(duì)稱膜、復(fù)合膜、平板膜、管式膜、中空纖維膜等。空纖維膜等。4 4）按功能分類）按功能分類 日本著名高分子學(xué)者日本著名高分子學(xué)者清水剛夫清水剛夫?qū)⒛ぐ垂δ芊譃椋簩⒛ぐ垂δ芊譃椋簂 分離功能膜分離功能膜 氣體氣體/ /液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜l 能量轉(zhuǎn)化功能膜能量轉(zhuǎn)化功能膜 濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機(jī)

30、械能轉(zhuǎn)化膜、電濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、機(jī)械能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜能轉(zhuǎn)化膜，導(dǎo)電膜l 生物功能膜生物功能膜 探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜2.5.2 2.5.2 幾種主要分離膜的分離過(guò)程幾種主要分離膜的分離過(guò)程膜過(guò)程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過(guò)物截留物膜類型微濾微濾壓力差顆粒大小形狀水、溶劑溶解物懸浮物 顆粒纖維多孔膜超濾超濾壓力差分子大小形狀水、溶劑小分子膠體和超過(guò)截留分子量分子非對(duì)稱性膜納濾納濾壓力差離子大小及電荷水、一價(jià)離子、多價(jià)離子有機(jī)物復(fù)合膜反滲透反滲透壓力差溶劑的擴(kuò)散傳遞水、溶劑溶質(zhì)、 鹽非對(duì)稱性膜復(fù)合膜膜過(guò)程推動(dòng)力傳遞機(jī)理透過(guò)物截留物膜類型滲析滲析濃度差溶質(zhì)擴(kuò)

31、散傳遞低分子量物離子溶劑非對(duì)稱性膜電滲析電滲析電位差電解質(zhì)離子的選擇傳遞電解質(zhì)離子非電解質(zhì)，大分子物質(zhì)離子交換膜氣體分離氣體分離壓力差氣體和蒸汽的擴(kuò)散滲透氣體或蒸汽難滲透性氣體或蒸汽均相膜復(fù)合膜非對(duì)稱膜滲透蒸發(fā)滲透蒸發(fā)壓力差選擇傳遞易滲溶質(zhì)或溶劑難滲透性溶質(zhì)或溶劑均相膜復(fù)合膜非對(duì)稱膜液膜分離液膜分離濃度差反應(yīng)促進(jìn)和擴(kuò)散傳遞雜質(zhì)溶劑乳狀液膜支撐液膜2.5.3 2.5.3 纖維素酯類膜材料纖維素酯類膜材料 纖維素是由幾千個(gè)椅式構(gòu)型的葡萄糖基通過(guò) 1,4甙鏈連接起來(lái)的天然線性高分子化合物，其結(jié)構(gòu)式為：OHOHOHHOH HOHHCH2OHHHOH HOHHOCH2OHOOHOHOHHOH HOHHC

32、H2OHHHHOH HOHHOCH2OHHn_22 從結(jié)構(gòu)上看，每個(gè)葡萄糖單元上有三個(gè)羥基，在催化劑（如硫酸、高氯酸或氧化鋅）存在下，能與冰醋酸、醋酸酐進(jìn)行酯化反應(yīng)，得到二醋酸纖維素或三醋酸纖維素。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH2.5.4 2.5.4 膜分離過(guò)程的幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)膜分離過(guò)程的幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)1）成本低、能耗少、效率高、無(wú)污染并可回收有用物質(zhì)；2）常溫下即可操作，所濃縮和富集物質(zhì)的性質(zhì)不容易發(fā)生變化，因此在膜分離過(guò)程食品、醫(yī)藥等行業(yè)使用具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)；3）膜分離裝置簡(jiǎn)單、操作容易，對(duì)無(wú)機(jī)物、有機(jī)物及生物制品均可適用，并且不產(chǎn)生二次污染。第三部分：功能高分子的一點(diǎn)展望第三部分：功能高分子的一點(diǎn)展望1）功能高分子材料是一門涉及范圍廣泛，與眾多學(xué)科相關(guān)的新興邊緣學(xué)科新興邊緣學(xué)科，涉及化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、電子學(xué)、甚至醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科，是目前國(guó)內(nèi)外異目前國(guó)內(nèi)外異?；钴S?；钴S的一個(gè)研究領(lǐng)域，2）功能高分子材料具有獨(dú)特的獨(dú)特的“性能性能”和和“功能功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改進(jìn)其性能，使其成為具有全新性質(zhì)的功能材料，3）在今后很長(zhǎng)的歷史時(shí)期中，功能高分子材料研究將代代表表了高分子材料發(fā)展的主要方向主要方向。Thank you