1、功能高分子材料某某大学 功能高分子材料课程论文 功能高分子材料综述 专 业： 化学工程与工艺 学生姓名： 班 级： 学 号： 完成时间： 摘 要 功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术，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。 关键词 材料；高分子；高分子材料；功能材料目 录1 功能高分子材料总论5 1.1 功
2、能高分子材料概述5 1.2 功能高分子材料的类型5 1.3 功能高分子的发展历程与展望62 导电高分子材料6 2.1 导电高分子材料的发展概况6 2.2导电聚合物的分类7 2.2.1结构型导电高分子7 2.2.2 复合型导电高分子7 2.3 高分子导电机理7 2.4 展望83 医用高分子材料8 3.1 概 述8 3.2 医用高分子材料的要求8 3.3 医用高分子材料的应用9 3.4 展望94 高分子纳米复合材料9 4.1 概述9 4.2 高分子纳米复合材料的结构与性能10 4.3 高分子纳米复合材料的分类10 4.4 高分子纳米复合材料的应用前景及展望105 高分子液晶材料11 5.1 概述1
3、1 5.2 功能高分子液晶材料的分类11 5.3 展望116 高分子染料12 6.1 概述12 6.2 高分子染料的分类12 6.3 高分子染料的应用12 6.4 展望127 高分子表面活性剂13 7.1 概述13 7.2 高分子表面活性剂的类型13 7.3 展望138 吸附性高分子材料13 8.1 概述13 8.2 种类和特点13 8.3 展望149 结语14参考文献15致谢16 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。
4、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。功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。例如吸水树脂，它是由水溶性高分子通过适度交联而制得，遇水时将水封闭在高分子的网络内，吸水后呈透明凝胶，因而产生吸水和保水的功能。在合成或天然高分子原有力学性能的基础上，再赋予传统使用性能以外的各种特定功能（如化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分类性能等）而制得的一类高分子。一般在功能高分
5、子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的显示更为重要。1.2 功能高分子材料的类型人们对功能高分子材料的次级划分普遍采用按其性质、功能或实际用途划分的办法。按其性质和功能划分，可以将其划分为7种类型：（1）反应性高分子材料，包括高分子试剂、高分子催化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。（2）光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。
6、（3）电活性高分子材料，包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等。（4）膜型高分子材料，包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料等。（5）高分子吸附材料，包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。（6）高性能工程材料，如高分子液晶材料、功能纤维材料等。（7）高分子智能材料，包括高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。1.3 功能高分子的发展历程与展望功能高分子正经历日新月异的发展，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
7、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。 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。 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。
8、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、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨/日纯水设备的能力。医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个领域，高分子药物、高分子人工组织器官、高分子医用材料在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及内容包括有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。可以预计，在今后很
9、长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。2 导电高分子材料2.1 导电高分子材料的发展概况 近几年来，导电性高分子的研究取得了长足的发展，形成了一个十分活跃的边缘学科领域，它对电子工业、信息工业及新技术的发展具有重大的意义。现有的研究成果表明，发展导电高分子不仅可以满足人们对导电材料的需要，而且由于它兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能，具有重量轻，易加工成各种复杂的形状，化学稳定性好及电阻率可在较大范围内调节等特点。此外在电子工业中的应用日趋广泛，促进了现代科学技术的发展。因此，自然引起了学术界和工业界的广泛兴趣。2.2导电聚合物的分类导电高分子材
10、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。2.2.1结构型导电高分子结构型导电高分子又可以称为本征型导电高分子， 本征型导电高分子是指聚合物本身具导电性能， 例如聚乙炔、聚吡咯等。但这些本征型的导电聚合物由于其结构的限制， 导电能力是极其有限的，一般在100S#cm- 1 以下， 所以经常在聚合物
11、中掺杂一定的物质以提高聚合物的导电性能。2.2.2 复合型导电高分子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。2.3 高分子导电机理导电过程是载流子在电场下作定向运动的过程。高分子聚合物要能导电， 必须具备两个条要能产生足够数量的载流子电子、空道件穴或离子等大分子链内和链间要能形成导电通在离子型导电高分子材料中， 聚醚、聚醋等的大分子链形成螺旋体空间结构， 与其配位络合的碱金属阳离子在大
12、分子链段运动促进下， 便能在其螺旋孔道内通过空位迁移“ 自由体积模型” ， 或被大分子“ 溶剂化” 了的阳阴离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散“动力学扩散理论” 。对于电子型导电高分子材料， 作为主体的高分子聚合物， 大多为共扼体系至少是不饱和键体系， 长链中一键电子较为活泼， 特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后， 容易从轨道上逃逸出来而形成自由电子。大分子链内和链间二一电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下， 便可传导电流川。2.4 展望虽然导电高分子材料的发展史只有短短的30年， 但当前导电高分子聚合物在国民经济中的地位， 在许多方
13、面不亚于20世纪50年代初传统塑料的地位。在合成、加工和应用方面取得了突破性进展， 走向了实用化， 同时很多潜在的应用正在探索研究中。目前， 其研究方向可以概括为以下几个主要方面高导电性， 通过复合、改变分子结构等手段挖掘导电高分子材料潜在性能。最近， 已成功研制出导电率达3000S/cm的聚苯乙炔。多功能化， 其中包括光、电、磁之间的转换， 改善稳定性、可加工性。提高导电材料的实用性， 按实用要求确定攻关方向。多行业多学科交叉结合， 开发导电高分子材料应用新领域， 加速其商品化进程。3 医用高分子材料3.1 概 述在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料可谓异军突起，目前已成为发展最快的一个
14、重要分支。医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的合成高分子材料，可以利用聚合的方法进行制备，是生物医用材料的重要组成之一。由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质，以满足不同的需求，耐生物老化，作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易加工成型，原料易得，便于消毒灭菌，因此受到人们普遍关注，已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种，近年来发展需求量增长十分迅速。3.2 医用高分子材料的要求医用高分子材料需长期与人体体表、血液、体液接触，有的甚至要求永久性植入体内。因此，这类材料必须具有优良的生物体替代性和生物相
15、容性。一般要满足下列基本条件：(1) 在化学上是不活泼的，不会因与体液或血液接触而发生变化； (2) 对周围组织不会引起炎症反应；(3) 不会产生遗传毒性和致癌；(4) 不会产生免疫毒性；(5) 长期植入体内也应保持所需的拉伸强度和弹性等物理机械性能；(6) 具有良好的血液相容性；(7) 能经受必要的灭菌过程而不变形；(8) 易于加工成所需要的、复杂的形态。3.3 医用高分子材料的应用 目前用高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。已取得重大研究成果，但还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血
16、液等。另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。则正处于大力研究开发之中。 从应用情况看，人工器官的功能开始从部分取代向完全取代发展，从短时间应用向长时期应用发展，从大型向小型化发展，从体外应用向体内植入发展、人工器官的种类从与生命密切相关的部位向人工感觉器官、人工肢体发展。3.4 展望 医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难题是材料的抗血栓问题。当材料用于人工器官植入体内时，必然要与血液接触。由于人体的自然保护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成手术失败，严重的还会引起生命危险。对高分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关
17、键问题，至今尚未完全突破。将是今后医用高分子材料研究中的首要问题。4 高分子纳米复合材料4.1 概述 纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合
18、物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。4.2 高分子纳米复合材料的结构与性能 由于复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数( 复合度、联结型、对称性、标度、周期性等) ，改变这些参数可以在很宽的范围内大幅度地改变复合材料的物性； 且复合材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应，所以高分子基纳米复合材料的性能不仅与纳米粒子的结构性能有关，还与纳米粒子的聚集结构和其协同性能、高聚物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺方式等有关。4.3 高分子纳米复合材料的分类 高分子纳米复合材料的涉及面较宽，包括的范围较广，可分为四大类： （1）纳米单元与高分子直接共混；
19、（2）在高分子基体中原位生成纳米单元； （3）在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子；（4）纳米单元和高分子同时生成。4.4 高分子纳米复合材料的应用前景及展望由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应，以及粒子的协同效应，而且兼有高分子材料本身的优点，使得它们在催化、力学、物理功能等方面呈现出常规材料不具备的特性，有广阔的应用前景。纳米科学技术是一门跨学科、跨行业的高新科学技术， 近几年来发展迅速， 成为各国研究与发展的重点。尤其是纳米氧化颗粒技术应用于开发新功能的复合材料方面，更成为该学科的研究热点， 并将成为下个世纪科技发展的， 个重要方向。21 世纪
20、将是信息、生物、材料三大学科的发展变革的时代， 足以可见与材料科学息息相关的纳米科学技术发展的重要。纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。由于纳米材料体系具有许多独特的性质，应用前景广阔，而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21 世纪最有前途的材料”。5 高分子液晶材料5.1 概述 物质有固、液、气三种相态， 固态又可分为晶态和非晶态。在外界条件发生变化时， 物质可在三种相态间转换， 即发生相变。一般情况下，物质发生相变是从一种相态直
21、接转变成另一种相态， 不存在中间过渡阶段， 如液态无序状态的水受冷在0时转变为有序排列的固态晶体冰。然而， 又存在某些物质， 受热熔融或溶解后，外观呈现液态的流动性， 却又仍然保留着晶态物质的分子有序排列， 在物理性质上呈现出各向异性， 这种兼有晶体和液体部分性质的中间过渡相态称为液晶态。处于这种状态下的物质称为液晶。那么， 将这类具有过渡相态的分子连接成大分子， 或将其连接到聚合物骨架上， 仍保持液晶性质的材料就称为高分子液晶材料。5.2 功能高分子液晶材料的分类 功能高分子液晶材料包括： 光学非线性高分子液晶，铁电性和反铁电性高分子液晶，光导高分子液晶，生物性高分子液晶和高分子液晶膜等。由
22、于它们的特殊性能将会有非常广阔的重要应用前景。由于液晶高分子中介晶基元的聚集和有序排列形成的微区结构也影响了大分子链铡基肉桂酸酯的聚集状态， 从而使其光化学性质发生了变化， 可望用于光固化涂料的改性。任何一种材料的开发都必须有完善的理论作基础， 都必须以满足社会的发展需要为根本目的。5.3 展望随着高分子液晶的理论日臻完善，其应用也日益广泛，人们不仅开发了大量的高强、高模以及具有显示和信息存储功能的高分子液晶材料，同时还在不断探索在其它领域的应用。可以肯定，作为一门交叉学科，高分子液晶材料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开发中必将发挥越来越重要的作用。6 高分
23、子染料6.1 概述高分子染料是高分子材料与染料分子在分子水平上的结合，在具有染料色彩性、透明性的同时还具有高分子材料的可加工性等特性，是有发展前途的功能高分子材料。它是通过一定的化学反应将发色基团引入高分子的主链或侧链而形成的一类有色高分子化合物，这种结合方式赋予了高分子染料的双重功能：即高分子的高强度、易成膜性、耐溶剂性、耐迁移性和耐热性以及有机染料对光的选择吸收性和多彩性。6.2 高分子染料的分类 高分子染料可依据不同的方法进行分类。按聚合方式可分为加聚型和缩聚型等；按所连结的高分子单体的性质可分为苯乙烯类、聚丙烯酸酯类、有机硅类等。6.3 高分子染料的应用大量的科学研究发现高分子染料具有
24、如下优点: (1) 可明显地改善了一般小分子染料易迁移的缺点，尤其是偶氮染料和蒽醌染料的耐迁移性大大提高; (2) 在溶剂中的溶解度较低，不易褪色; (3) 分子量极大，不能为细胞膜所透过，故不为生物体所吸收，对生物体无害; (4) 具有较高的熔点，耐热性大大提高。高分子染料的独特性能使得它在纤维着色、塑料加工、涂料工业、油墨生产、食品制造、化妆品、医药、感光材料等很多领域都具有广泛应用。6.4 展望大分子骨架和发色基团的协同作用， 使它的应用不仅仅限于在染色方面。作为一种特殊高分子材料， 高分子染料的合成使其功能扩大。不仅具有染色的功能， 还潜在着光致发光， 光致变色， 光聚合引发剂等功能。
25、它在非线性光学、液晶显示等光电以及导电方面也都有广泛的应用前景。高分子染料是一种有前途的功能高分子材料，对于它的开发与应用都还有很大潜力可挖。同时对它的研究手段和方法随研究者研究的目的和侧重点不同而有很大差异队， 属于多学科交叉领域。7 高分子表面活性剂7.1 概述分子中具有亲水基与疏水基，能富集(吸附)于界面，使界面性质发生显著改变而出现界面活性的物质称为表面活性剂。而高分子表面活性剂是指相对分子质量在数千以上，具有表面活性功能的高分子化合物。7.2 高分子表面活性剂的类型高分子表面活性剂按离子分类，可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型四种高分子表面活性剂，如表1 所示。高分子表面活性
26、剂按来源分类可分为天然高分子表面活性剂和合成高分子表面活性剂，前者包括半合成高分子表面活性剂。7.3 展望随着材料工业的发展，对高分子表面活性剂的需求必将日趋旺盛，人们对高分子表面活性剂的研究也在不断深人，开发新的品种和新的合成方法也是当前研究的热点。到目前为止具有超高分子量和高表面活性的高分子表面活性剂这一领域的研究仍然进展缓慢。因此研究其结构与性能的关系，重视新型高分子表面活性剂的研究与开发，合成高摩尔质量高赫度、高表面活性的两亲高分子化合物，具有重要的理论和应用价值。8 吸附性高分子材料8.1 概述 随着科学研究和生产技术的不断发展，吸附性高分子材料正迅速进入人们的生产和生活领域中，目前已经成为重要的有机功能材料之一.
