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亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MMST(燕山大學(xué)),第１章功能高分子材料學(xué)總論,材料是人類文明的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是衡量人類文明的一種尺度。是時(shí)代發(fā)展的特征標(biāo)志，也是人類進(jìn)化的重要里程碑。,功能高分子材料學(xué)是研究功能高分子材料合成、制備、結(jié)構(gòu)、性能、構(gòu)效關(guān)系與規(guī)律的一門科學(xué)，是高分子材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最為迅速，與其他科學(xué)領(lǐng)域交叉度最高的一個(gè)研究領(lǐng)域。它是建立在高分子化學(xué)、高分子物理、高分子加工工程等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)之上，并與數(shù)學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)密切聯(lián)系的一門學(xué)科。功能材料（Functionalmaterial）的概念是美國(guó)MortonJ.A.于1965年首先提出來的。,第１章功能高分子材料學(xué)總論,1.1概述1.2功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系1.3功能高分子材料的設(shè)計(jì)與制備1.4功能高分子材料的研究方法1.5功能高分子學(xué)展望,什么是功能高分子材料？,功能高分子材料(FunctionalPolymerMaterials)的廣義定義是與常規(guī)聚合物相比具有明顯不同的物理化學(xué)性質(zhì)，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)都應(yīng)歸屬于功能高分子材料范疇。以這些功能材料為研究對(duì)象，探討結(jié)構(gòu)組成、構(gòu)效關(guān)系、制備方法，開發(fā)應(yīng)用的科學(xué)，應(yīng)稱為功能高分子材料學(xué)。,功能高分子狹義地定義為與活性小分子相對(duì)應(yīng)的高分子試劑、高分子催化劑、離子交換樹脂等具有特殊化學(xué)活性功能的高分子范圍。,1.1概述1.1.1功能高分子材料學(xué)的研究對(duì)象,1.1概述1.1.1功能高分子材料學(xué)的研究對(duì)象,功能高分子學(xué)研究的主要目標(biāo)和內(nèi)容,,功能高分子和新材料的設(shè)計(jì)與制備方法物理化學(xué)性能表征結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系應(yīng)用開發(fā)研究,1.1.2功能高分子材料學(xué)的發(fā)展歷程,20世紀(jì)70年代美國(guó)學(xué)者首先提出材料科學(xué)與工程（Materialsscienceandengineering）這個(gè)學(xué)科全稱。,北京大學(xué)李福綿教授,功能高分子材料科學(xué)作為一個(gè)完整學(xué)科是從20世紀(jì)80年代中后期開始的。北京大學(xué)李福綿教授首先把日本高分子學(xué)會(huì)組織的17位（包括歐美人士）在功能高分子研究方面卓有成就的專家執(zhí)筆的《功能高分子》一書譯成中文。1983年在科學(xué)出版社出版，是中國(guó)在這一領(lǐng)域的第一部著作。南開大學(xué)何炳林先生、北京大學(xué)馮新德先生、周其鳳院士也都是杰出的功能高分子科學(xué)家。美國(guó)工程院院士程正迪，中國(guó)科學(xué)院沈家驄院士、卓仁禧、張俐娜院士等也為功能高分子材料的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。,高分子化學(xué)、高分子物理及其交叉學(xué)科的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者：,1.1.2功能高分子材料學(xué)的發(fā)展歷程,1.1.3功能高分子材料學(xué)的分類方法,1.1.3功能高分子材料學(xué)的分類方法,1.1.3功能高分子材料學(xué)的分類方法,1.1.3功能高分子材料學(xué)的分類方法,1.1.3功能高分子材料學(xué)的分類方法,1.2功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,功能高分子材料科學(xué)的主要研究目的之一是為現(xiàn)有材料的利用和新型功能材料的開發(fā)提供理論依據(jù)。,1.2.1功能高分子材科的結(jié)構(gòu)層次,1．構(gòu)成功能高分子的元素組成元素是構(gòu)成任何物質(zhì)的基礎(chǔ)，也是影響材料性能最基本的因素之一。2．材料分子中的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)有機(jī)化合物以及其千變?nèi)f化的復(fù)雜性質(zhì)，更多地取決于材料分子中的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。官能團(tuán)結(jié)構(gòu)決定了分子大部分化學(xué)性質(zhì)，如氧化還原性質(zhì)、強(qiáng)堿性質(zhì)、親電親核性質(zhì)和配位性質(zhì)等，材料的許多物理化學(xué)性質(zhì)也與官能團(tuán)密切相關(guān)。3．聚合物的鏈結(jié)構(gòu)作為聚合物大分子結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部分是骨架的鏈段結(jié)構(gòu)和分子量分布，聚合物一般都是由結(jié)構(gòu)相同或相似的結(jié)構(gòu)片段連接而成，這種結(jié)構(gòu)片段稱為鏈段。,1.2.1功能高分子材科的結(jié)構(gòu)層次,4．高分子的微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)高分子的微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)是指分子在空間上是呈棒狀、球狀、片狀，呈螺旋狀或無定型狀等。高分子的微觀構(gòu)象結(jié)構(gòu)主要取決于材料的分子間力，如范德華力、氫鍵力和靜電力等。5．材料的超分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)材料的超分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)包括分子的排列方式和晶態(tài)結(jié)構(gòu)等，如蛋白質(zhì)等的空間結(jié)構(gòu)、液晶態(tài)結(jié)構(gòu)、纖維的高取向結(jié)構(gòu)等。6．材料的宏觀結(jié)構(gòu)材料的宏觀結(jié)構(gòu)宏觀結(jié)構(gòu)包括材料的立體形狀、宏觀尺寸、組合形式、復(fù)合結(jié)構(gòu)等。,1.2.2功能高分子材料構(gòu)效關(guān)系分析,功能高分子材料之所以能夠在應(yīng)用中表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)，主要與其上述結(jié)構(gòu)有關(guān)。不同的功能高分子材料，因?yàn)樗韫δ懿煌?，依?jù)的結(jié)構(gòu)層次也有所不同。,1．官能團(tuán)的性質(zhì)與聚合物功能之間的關(guān)系(1)功能高分子材料的性質(zhì)主要取決于所含的官能團(tuán)(2)功能高分子材料的性質(zhì)取決子聚合物骨架與官能團(tuán)協(xié)同作用(3)官能團(tuán)與聚合物骨架不能區(qū)分(4)官能團(tuán)在功能高分子材料中僅起輔助作用,1.2.2功能高分子材料構(gòu)效關(guān)系分析,2．功能高分子材料中聚合物骨架的作用(1)溶解度下降效應(yīng)(2)高分子骨架的機(jī)械支撐作用(3)高分子骨架的模板效應(yīng)(4)高分子骨架的穩(wěn)定作用,具有高分子骨架是功能高分子材料區(qū)分功能小分子的主要標(biāo)志,3.聚合物骨架的種類和形態(tài)的影響1)以聚乙烯型、聚苯乙烯、聚醚等為代表的飽和碳鏈型聚合物2)以聚酯、聚酰胺骨架為代表的雜鏈型聚合物3)以聚吡咯、聚乙炔、聚苯等為主鏈的，帶有線性共扼結(jié)構(gòu)的聚合物4)以聚芳香內(nèi)酰胺為主鏈的所謂梯形聚合物,1.2.2功能高分子材料構(gòu)效關(guān)系分析,4．交聯(lián)高分子骨架(1)微孔型或溶膠型樹脂(2)大孔樹脂(3)米花狀聚合物(4)大網(wǎng)狀聚合物,5.功能高分子性能相關(guān)的理論和概念,1.3功能高分子材料的設(shè)計(jì)與制備1.3.1功能高分子材料的設(shè)計(jì),1功能高分子材料的設(shè)計(jì)將功能基團(tuán)設(shè)計(jì)于高分子結(jié)構(gòu)中，這樣形成的高分子本身就具有相應(yīng)的功能，因此為本征型功能高分子材料。2聚集態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)高分子鏈本身剛?cè)嵝?、?guī)整性的不同,通過不同的加工工藝來調(diào)節(jié)高分子鏈在空間的形態(tài)及其堆砌方式，來賦予高分子以功能特性的設(shè)計(jì)方法。例如光學(xué)塑料、光導(dǎo)纖維等透光、傳光材料，材料本身的透明性是首要考慮的問題。3高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過兩種或兩種以上的具有不同功能或性能的材料進(jìn)行復(fù)合，制成復(fù)合型材料，是目前材料改性所廣泛采用的方法，具有工藝簡(jiǎn)單、材料來源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。功能高分子設(shè)計(jì)中，通過復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是最為方便的途徑之一。,例如設(shè)計(jì)導(dǎo)電高分子，就必須首先決定載流子的種類，即利用電子(空穴)導(dǎo)電還是利用離子導(dǎo)電。電子導(dǎo)電可以運(yùn)用共軛結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物體系、或金屬有機(jī)高分子體系；離子導(dǎo)電則可以采用聚電解質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用大分子體系中的小離子作為導(dǎo)電載流子。就共軛結(jié)構(gòu)而言,隨著共軛程度的增加，其π電子能級(jí)裂分程度增大，躍遷能隙將減小，最終成鍵π軌道和反鍵π軌道將各自形成價(jià)帶和導(dǎo)帶，其導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂間的能量差為禁帶寬度，即能隙。共軛鏈長(zhǎng)達(dá)到一定程度后，能隙可以降得很低，此時(shí)材料應(yīng)具有較高的導(dǎo)電能力。然后將理論分析結(jié)果與實(shí)際情況比較，找出其差距產(chǎn)生的原因，再進(jìn)一步改善體系，完成設(shè)計(jì)構(gòu)想。,1.3.2功能高分子材料的制備,1.功能型小分子的高分子化對(duì)這些功能型小分子主要通過一個(gè)稱為高分子化的過程，賦予其高分子的功能特點(diǎn)，將其“材料化”，即有可能開發(fā)出新的功能高分子材料。,（1）可聚合單體法這種制備方法主要包括下述兩個(gè)步驟，首先是通過引入可聚合基團(tuán)合成功能型小分子單體，然后進(jìn)行均聚或共聚反應(yīng)生成功能聚合物。,（2）聚合包埋法聚合包埋法是利用生成高分子的束縛作用將功能型小分子包埋固定來制備功能高分子材料。制備方法是在聚合反應(yīng)之前，向單體溶液中加入小分子功能化合物，在聚合過程中小分子被生成的聚合物所包埋。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有化學(xué)鍵連接，固化作?猛酆銜锏陌繾饔美賜瓿傘?,1.3.2功能高分子材料的制備,2.普通高分子材料的功能化此方法是通過化學(xué)的或物理方法對(duì)已有聚合物進(jìn)行功能化，使這些常見的高分子材料賦予特定功能，成為功能高分子材料。,,（2）聚合物功能化的物理方法聚合物的物理功能化方法主要是通過小分子功能化合物與聚合物的共混和復(fù)合來實(shí)現(xiàn)。共混方法主要有熔融態(tài)共混和溶液共混。,1.3.2功能高分子材料的制備,3.功能高分子材料的復(fù)合制備方法,將兩種以上的功能高分子材料以某種方式結(jié)合,在同一種功能材料中，引入兩種以上的功能基團(tuán)也是制備新型功能聚合物的一種方法,1.3.2功能高分子材料的制備,4.功能高分子超分子組裝,1.3.2功能高分子材料的制備,5.功能高分子制備方法,１.4功能高分子材料的研究方法,功能高分子材料研究,,制備方法研究結(jié)構(gòu)和組成分析與研究性能表征與構(gòu)效關(guān)系研究材料實(shí)際應(yīng)用研究,1.4.1功能高分子材料化學(xué)研究方法,1.4.2功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與組成研究方法,1.4.3功能高分子材料的構(gòu)效關(guān)系研究方法,功能高分子材料的結(jié)構(gòu)與功效關(guān)系，即功能和作用機(jī)理研究是功能高分子材料科學(xué)研究最重要的內(nèi)容之一，是材料評(píng)價(jià)、性能改進(jìn)、完善理論、拓展應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)。,1.5功能高分子學(xué)展望,功能高分子是高分子科學(xué)發(fā)展的主要方向之一，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的支柱。特別是納米科學(xué)與技術(shù)與高分子科學(xué)結(jié)合，通過測(cè)控技術(shù)使構(gòu)成高分子的鏈段、結(jié)構(gòu)單元、官能團(tuán)、分子、原子、原子團(tuán)發(fā)生重排，組成新物質(zhì)。,功能高分子產(chǎn)品,