功能高分子材料

1、第三節(jié)第三節(jié) 功能高分子材料功能高分子材料時代周刊時代周刊評出評出2020世紀最偉大的世紀最偉大的100100項發(fā)明，其中項發(fā)明，其中“尿不濕尿不濕”榜上有名榜上有名 為什么為什么“尿不濕尿不濕” ” 能評為能評為2020世紀最偉大的世紀最偉大的100100項項發(fā)明呢發(fā)明呢? ?最初是為誰專門設計的呢？最初是為誰專門設計的呢？ 美國在上世紀六十年代初，航天事業(yè)崛起，如何解決美國在上世紀六十年代初，航天事業(yè)崛起，如何解決宇航員的排尿問題迫在眉睫，華人宇航員的排尿問題迫在眉睫，華人唐鑫源唐鑫源成為成為“尿不濕尿不濕”的發(fā)明人，后來他被譽為美國的發(fā)明人，后來他被譽為美國“太空服之父太空服之父”。“神

2、舟神舟”系列上天的航天員都使用了系列上天的航天員都使用了“尿不濕尿不濕” ” 航天員專用航天員專用“尿不濕尿不濕”1 1克能吸收約克能吸收約10001000克水克水 ，吸水性遠強于一般嬰兒使用的吸水性遠強于一般嬰兒使用的“尿不濕尿不濕” ” “尿不濕尿不濕”是航天產(chǎn)品是航天產(chǎn)品“下凡下凡”的成功典范！現(xiàn)的成功典范！現(xiàn)在不僅是嬰幼兒使用，還有供特殊成人使用的，在不僅是嬰幼兒使用，還有供特殊成人使用的，更有趣的是有些寵物也系上了更有趣的是有些寵物也系上了“尿不濕尿不濕”出門溜出門溜達，以保護公共衛(wèi)生。達，以保護公共衛(wèi)生。 資料顯示：資料顯示：19871987年年，英國，英國一次性尿布銷一次性尿布銷

3、售利潤達售利潤達2 2億英億英鎊。設想一下鎊。設想一下我們中國這樣我們中國這樣一個人口大國，一個人口大國，利潤有多么驚利潤有多么驚人！人！ 前前后后 “ “尿不濕尿不濕”起作用的物質(zhì)是一種起作用的物質(zhì)是一種功能高分子功能高分子材料，材料，具有具有很強的吸水能力很強的吸水能力。它所用的材料是高吸水性樹。它所用的材料是高吸水性樹脂（常用網(wǎng)狀結構的聚丙烯酸鈉脂（常用網(wǎng)狀結構的聚丙烯酸鈉 ）（課本）（課本P114P114）聚丙烯酸鈉如何合成？聚丙烯酸鈉如何合成？思考：如何思考：如何以帶有強親水性原子團的化合物以帶有強親水性原子團的化合物CHCH2 2=CHCOOH=CHCOOH制得網(wǎng)狀聚丙烯酸鈉？制得

4、網(wǎng)狀聚丙烯酸鈉？CHCH2 2=CHCOOH CH=CHCOOH CH2 2=CHCOONa =CHCOONa 加加交聯(lián)劑交聯(lián)劑得網(wǎng)狀結構得網(wǎng)狀結構 高吸水性樹脂高吸水性樹脂加交聯(lián)劑的目的加交聯(lián)劑的目的是變線型結是變線型結構為體型結構，使其既有吸水性而又不溶于水，構為體型結構，使其既有吸水性而又不溶于水，耐擠壓。耐擠壓。前前后后高吸水性樹脂的結構特征：高吸水性樹脂的結構特征： a.a.分子中具有強親水性基團，如分子中具有強親水性基團，如羥基、羧基，能夠與水分子形成氫羥基、羧基，能夠與水分子形成氫鍵；鍵； b.b.樹脂具有樹脂具有交聯(lián)結構交聯(lián)結構； c.c.聚合物內(nèi)部具有較高的離子濃聚合物內(nèi)部具

5、有較高的離子濃度；度； d.d.聚合物具有較高的分子量。聚合物具有較高的分子量。吸水性高分吸水性高分子制子制法：法：（1）對天然吸水性高分子材料（淀粉、纖維）對天然吸水性高分子材料（淀粉、纖維素）進行改性，形成接枝共聚物素）進行改性，形成接枝共聚物(如與丙烯酸如與丙烯酸鈉共聚鈉共聚)（2）以帶有強親水基的化合物為單體，均聚）以帶有強親水基的化合物為單體，均聚或共聚得到親水性高聚物或共聚得到親水性高聚物如聚丙烯酸鈉如聚丙烯酸鈉（同時加入交聯(lián)劑）（同時加入交聯(lián)劑） 。 纖維素的結構簡式纖維素的結構簡式 傳統(tǒng)吸水性的材料棉花為何有一定的吸水性？傳統(tǒng)吸水性的材料棉花為何有一定的吸水性？ 發(fā)現(xiàn)其每個鏈節(jié)

6、上都有發(fā)現(xiàn)其每個鏈節(jié)上都有OHOH，它是一種親水基，它是一種親水基 在橡膠工業(yè)中，制造橡膠要經(jīng)過硫化工藝，將順在橡膠工業(yè)中，制造橡膠要經(jīng)過硫化工藝，將順丁橡膠的線型結構連接成網(wǎng)狀結構。在制備高吸丁橡膠的線型結構連接成網(wǎng)狀結構。在制備高吸水性樹脂時也要加入交連劑，以得到具有網(wǎng)狀結水性樹脂時也要加入交連劑，以得到具有網(wǎng)狀結構的樹脂。構的樹脂。請你想一想，為什么都要做成網(wǎng)狀結請你想一想，為什么都要做成網(wǎng)狀結構呢？目的是否相同？構呢？目的是否相同？橡膠工業(yè)將線型結構連接成網(wǎng)狀結構橡膠工業(yè)將線型結構連接成網(wǎng)狀結構是為增加是為增加 橡膠的強度；橡膠的強度；高吸水性樹脂將線型結構連接成網(wǎng)狀結構高吸水性樹脂將

7、線型結構連接成網(wǎng)狀結構是使是使 它既吸水又不溶于水。它既吸水又不溶于水?！緦W與問學與問】如無土栽培、改良土壤、改造沙漠等。如無土栽培、改良土壤、改造沙漠等。強吸水能力的功能高分子材料除了用于強吸水能力的功能高分子材料除了用于 “ “尿不尿不濕濕”，還有哪些用途？，還有哪些用途？ P114P114 保水劑是一種吸水能力特強的功能高分子材料。無毒無害，保水劑是一種吸水能力特強的功能高分子材料。無毒無害，反復吸水、釋水反復吸水、釋水 “ “微型水庫微型水庫”。同時，它還能吸收肥料、。同時，它還能吸收肥料、農(nóng)藥、并緩慢釋放，增加肥效、藥效。高吸水性樹脂廣泛用于農(nóng)藥、并緩慢釋放，增加肥效、藥效。高吸水性

8、樹脂廣泛用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝、建筑等。農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝、建筑等。 上世紀上世紀7070年代發(fā)展起來的親水隱形眼鏡具有年代發(fā)展起來的親水隱形眼鏡具有特點：特點：吸收相當于自重吸收相當于自重80%80%水，才變得柔軟、透水，才變得柔軟、透氣、舒適、戴時長氣、舒適、戴時長 制備隱形眼鏡所用的原料主要是制備隱形眼鏡所用的原料主要是丙烯酸羥乙酯丙烯酸羥乙酯（CHCH2 2=CHCOOCH=CHCOOCH2 2CHCH2 2OHOH） 具有新型骨架結構的高分子材料和在天具有新型骨架結構的高分子材料和在天然或合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種然或合成高分子的主鏈或支鏈上引入某種功能的官能團，使其顯示出功能的官

9、能團，使其顯示出在光、電、磁、在光、電、磁、聲、熱、化學、生物、醫(yī)學等方面的特殊聲、熱、化學、生物、醫(yī)學等方面的特殊功能功能的高分子。的高分子。1.1.化學功能化學功能離子交換樹脂離子交換樹脂、高分子試劑高分子試劑、高分子催化劑高分子催化劑、分解性高分子等。分解性高分子等。2.2.物理功能物理功能 導電性高分子導電性高分子、高分子光電導體、高分子顯示、高分子光電導體、高分子顯示材料、高分子光致變色材料等。材料、高分子光致變色材料等。 3.3.復合功能復合功能 高分子功能膜、高分子功能膜、高分子吸附劑、高分子表面活高分子吸附劑、高分子表面活性劑、高分子染料、高分子穩(wěn)定劑等。性劑、高分子染料、高分

10、子穩(wěn)定劑等。4.4.生物、醫(yī)用功能生物、醫(yī)用功能 抗血栓、控制藥物釋放和抗血栓、控制藥物釋放和生物活性生物活性等等 。 （按照功能來分類）（按照功能來分類）化學功能n吸水性高分子吸水性高分子n離子交換樹脂離子交換樹脂n高分子催化劑高分子催化劑離子交換樹脂是離子交換樹脂是帶有官能團帶有官能團( (有交換離子的活性有交換離子的活性基團基團) )、具有網(wǎng)狀結構、不溶性的高分子化合物、具有網(wǎng)狀結構、不溶性的高分子化合物。是。是最早工業(yè)化的功能高分子材料，通常是球形顆粒物。最早工業(yè)化的功能高分子材料，通常是球形顆粒物。 經(jīng)過各種官能化的樹脂（聚苯乙烯），含有經(jīng)過各種官能化的樹脂（聚苯乙烯），含有H H+

11、 +離離子結構，能交換各種陽離子的稱為子結構，能交換各種陽離子的稱為陽離子交換樹脂陽離子交換樹脂，含有含有OHOH離子結構能交換各種陰離子的稱為離子結構能交換各種陰離子的稱為陰離子交陰離子交換樹脂換樹脂。 它們主要用于它們主要用于水的處理水的處理。離子交換膜還可以用于。離子交換膜還可以用于飲用水處理、飲用水處理、海水淡化海水淡化、廢水處理、牛奶和醬油的脫、廢水處理、牛奶和醬油的脫鹽、酸的回收以及作為電解隔膜和鹽、酸的回收以及作為電解隔膜和電池隔膜電池隔膜。酶屬于高分子催化劑。酶屬于高分子催化劑。 人工合成的方法模擬酶，將人工合成的方法模擬酶，將金屬化合物結合在金屬化合物結合在高分子配體上，開發(fā)

12、高活性、高選擇性的高效催化高分子配體上，開發(fā)高活性、高選擇性的高效催化劑劑，這種，這種高分子催化劑稱為高分子金屬催化劑高分子催化劑稱為高分子金屬催化劑。 已有的研究工作表明，高分子金屬催化劑對已有的研究工作表明，高分子金屬催化劑對加加氫反應、氧化反應、硅氫加成反應、羰基化反應、氫反應、氧化反應、硅氫加成反應、羰基化反應、異構化反應、聚合反應異構化反應、聚合反應等具有很高的催化活性和選等具有很高的催化活性和選擇性，而且易與反應物分離，可回收重復使用。擇性，而且易與反應物分離，可回收重復使用。 物理功能n高分子分離膜 能從海水中分離出淡水的逆滲透膜已達大規(guī)模使能從海水中分離出淡水的逆滲透膜已達大規(guī)

13、模使用階段用階段, ,它是一種半透膜它是一種半透膜, ,只讓水分子通過只讓水分子通過, ,而含鹽的低而含鹽的低分子溶質(zhì)幾乎不能通過分子溶質(zhì)幾乎不能通過, ,施加一定的壓力后施加一定的壓力后, ,就能使水就能使水加速擠出加速擠出. .采用不同結構的逆滲透膜就可獲得采用不同結構的逆滲透膜就可獲得工業(yè)鍋爐工業(yè)鍋爐水、飲料水、無菌水、去離子水、洗滌半導體的超純水、飲料水、無菌水、去離子水、洗滌半導體的超純水等水等. .在非洲一些缺水地區(qū)已建不少在非洲一些缺水地區(qū)已建不少海水淡化海水淡化裝置裝置. .一一種種PECPEC1000的海水淡化裝置對海水如加壓的海水淡化裝置對海水如加壓40407070kg/c

14、mkg/cm2 2, ,就可以得到就可以得到16162020的淡水的淡水. .沙特阿拉伯的基塔自來沙特阿拉伯的基塔自來水廠水廠, ,是世界上最大海水淡化廠是世界上最大海水淡化廠, ,日供淡水日供淡水1.21.2萬萬噸噸, ,主主要使用要使用醋酸纖維素醋酸纖維素分離膜裝置。分離膜裝置。 高分子分離膜的材料主要有高分子分離膜的材料主要有醋酸纖維素、聚酰醋酸纖維素、聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纖維素膜透等。醋酸纖維素膜透水量大，脫鹽率高，價格便宜，應用普遍。水量大，脫鹽率高，價格便宜，應用普遍。海水淡海水淡化化的原理是利用只允許溶劑透過，不允許溶質(zhì)透過的原理是利用

15、只允許溶劑透過，不允許溶質(zhì)透過的半透膜，將海水與淡水分隔開的。的半透膜，將海水與淡水分隔開的。 分離膜具有神奇的魔術師般的本領分離膜具有神奇的魔術師般的本領, ,從下面的實從下面的實驗中不難領會驗中不難領會. . 將一瓶含酒精將一瓶含酒精4.54.5的普通啤酒用水稀釋成兩瓶的普通啤酒用水稀釋成兩瓶, ,然后倒入玻璃容器內(nèi)，只要將這種溶液通過薄薄的然后倒入玻璃容器內(nèi)，只要將這種溶液通過薄薄的一層分離膜，就能夠在幾分鐘內(nèi)提取出酒精濃度達一層分離膜，就能夠在幾分鐘內(nèi)提取出酒精濃度達9393的乙醇。這種乙醇用一根火柴就能點燃。的乙醇。這種乙醇用一根火柴就能點燃。 這個實驗中在分離膜的表面施加了高頻電場

16、這個實驗中在分離膜的表面施加了高頻電場, ,促促使乙醇溶解、擴散、和水分離使乙醇溶解、擴散、和水分離, ,所耗電能僅為蒸餾法所耗電能僅為蒸餾法的十分之一。而在過去要從液體中分離另一種液體的十分之一。而在過去要從液體中分離另一種液體, ,只能使用蒸餾法。只能使用蒸餾法。復合功能n高分子吸附劑n導電高分子材料 吸附性高分子材料主要是指那些吸附性高分子材料主要是指那些對某些特定離子對某些特定離子或分子或分子有選擇性親和作用有選擇性親和作用的高分子材料的高分子材料。 吸附樹脂的吸附性不僅受到結構和形態(tài)等內(nèi)在因素吸附樹脂的吸附性不僅受到結構和形態(tài)等內(nèi)在因素的影響，還與使用環(huán)境關系密切：溫度因素，樹脂周的

17、影響，還與使用環(huán)境關系密切：溫度因素，樹脂周圍的介質(zhì)。圍的介質(zhì)。 一般可分為一般可分為吸水性高分子吸水性高分子和和吸油性高分子吸油性高分子。具有優(yōu)異的具有優(yōu)異的_，較少受到，較少受到_，可以，可以滿足人工器官對材料的苛刻要求。滿足人工器官對材料的苛刻要求。如：人造心臟、人造關節(jié)、人造鼻等。如：人造心臟、人造關節(jié)、人造鼻等。一些有關人工器官的圖片一些有關人工器官的圖片人造人造關節(jié)關節(jié) 人工人工心臟瓣膜心臟瓣膜 人造人造皮膚、血管皮膚、血管人造人造心臟心臟 人造人造腎臟、膀胱腎臟、膀胱 人造人造膝關節(jié)膝關節(jié)生物相容性生物相容性排斥排斥人造關節(jié)人造關節(jié)人工心臟瓣膜人工心臟瓣膜一張柔軟的紙，白中透出微

18、黃，這一張柔軟的紙，白中透出微黃，這張不起眼的張不起眼的“白紙白紙”就是填補國就是填補國內(nèi)空白的高科技內(nèi)空白的高科技“人造皮膚人造皮膚”。這種這種“人造皮膚人造皮膚”能幫助傷口盡能幫助傷口盡快恢復。比如燒燙傷，把水泡的快恢復。比如燒燙傷，把水泡的水放出，用藥清洗后，將水放出，用藥清洗后，將“人造人造皮膚皮膚”敷貼在傷口上，很快敷貼在傷口上，很快“人人造皮膚造皮膚”就和人的身體長在一起，就和人的身體長在一起，成了真的皮膚。成了真的皮膚。 人造皮膚人造皮膚人造血管人造血管人造心臟人造心臟人造腎臟人造腎臟人工膀胱人工膀胱人造膝關節(jié)人造膝關節(jié)二、復合材料二、復合材料1復合材料涵義：復合材料涵義：指兩種

19、或兩種以上材料組合成的一種新型指兩種或兩種以上材料組合成的一種新型材料。其中一種做為材料。其中一種做為_，另外材料做為，另外材料做為_。具有具有_等等優(yōu)異性能，在綜合性能上超過了單一材料。優(yōu)異性能，在綜合性能上超過了單一材料。2復合材料的性能：復合材料的性能：P115基體基體增強劑增強劑強度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕強度高、質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕復合材料玻璃鋼復合材料玻璃鋼玻玻 璃璃 鋼鋼 游游 艇艇玻璃鋼冷卻塔玻璃鋼冷卻塔玻璃鋼產(chǎn)品在化工、石油、建筑、體育、國防、航空航天工玻璃鋼產(chǎn)品在化工、石油、建筑、體育、國防、航空航天工業(yè)包括神州五號載人飛船等高端技術領域發(fā)揮重要作用業(yè)包括神州五號載人飛

20、船等高端技術領域發(fā)揮重要作用碳纖維是一種碳纖維是一種纖維狀碳材料纖維狀碳材料。它是一種。它是一種強度比強度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導電，具有比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導電，具有許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料許多寶貴的電學、熱學和力學性能的新型材料。 目前，人們還不能直接用碳或石墨來抽成碳纖目前，人們還不能直接用碳或石墨來抽成碳纖維，只能采用一些含碳的有機纖維（如尼龍絲、維，只能采用一些含碳的有機纖維（如尼龍絲、腈綸絲、人造絲等）做原料，將有機纖維跟塑腈綸絲、人造絲等）做原料，將有機纖維跟塑料樹脂結合在一起，放在稀有氣體的氣氛中，料樹脂結合在一起，放在稀有氣體的氣氛中，在一定壓強下強熱炭化而成，而碳纖維零件都在一定壓強下強熱炭化而成，而碳纖維零件都是把碳纖維經(jīng)過高溫高壓制做而成的。是把碳纖維經(jīng)過高溫高壓制做而成的。 碳纖維復合材料，它具