《精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)技術(shù)》課件第十六章

精細(xì)化工試驗(yàn)技術(shù)第十六章

功能高分子材料

一、功能高分子材料及其分類二、功能高分子材料的應(yīng)用三、功能高分子材料的發(fā)展概況實(shí)驗(yàn)三十四

高吸水性樹脂的制備實(shí)驗(yàn)三十五

光致變色聚合物的制備

功能高分子材料

一、功能高分子材料及其分類功能高分子材料(functionalmacromoleculematerials)是指與常規(guī)高分子材料相比具有明顯不同的物理化學(xué)性質(zhì)，并且具有某些特殊功能的高分子材料。它所具有的功能大體上可分為物理功能、化學(xué)功能、生物功能以及介于兩者之間的復(fù)合功能。功能高分子材料從組成和結(jié)構(gòu)上可分為結(jié)構(gòu)型功能高分子材料和復(fù)合型功能高分子材料。結(jié)構(gòu)型功能高分子材料是指在分子鏈上帶有可起特定作用的功能基團(tuán)的高分子材料，而復(fù)合型功能高分子材料是指以常規(guī)高分子材料為基體或載體，與具有特定功能的結(jié)構(gòu)型功能高分子材料進(jìn)行復(fù)合而得的復(fù)合功能材料。功能高分子材料按性質(zhì)和功能劃分，可將功能高分子材料分為以下七種類型：⑴

反應(yīng)型高分子材料

包括高分子試劑和高分子催化劑，特別是高分子固相合成試劑和固化酶試劑等。⑵

光敏型高分子材料

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。⑶

電活性高分子材料

包括異電聚合物、能量轉(zhuǎn)換型聚合物、電致發(fā)光和電致變色材料等。⑷

吸附型高分子材料

包括高分子吸附性樹脂、離子交換樹脂、高分子螯合劑、高分子絮凝劑和吸水性高分子吸附劑等。⑸

膜型高分子材料

包括各種分離膜、緩釋膜和其它半透性膜材料。⑹高性能工程材料

如高分子液晶材料、功能纖維材料等。⑺

高分子智能材料

包括高分子記憶材料、信息存儲(chǔ)材料和光、電、磁、PH、壓力感應(yīng)材料。

功能高分子材料

二、功能高分子材料的應(yīng)用分離膜材料具有節(jié)能、工藝連續(xù)化以及裝置緊湊等特點(diǎn)，它又能夠?qū)Φ蜐舛取⒎肿咏Y(jié)構(gòu)相似、分子間作用力相近等難分離系統(tǒng)以及一些熱敏性物質(zhì)的分離，因此廣泛應(yīng)用于物質(zhì)的分離、濃縮、精制過程。導(dǎo)磁高分子材料是正在開發(fā)研究中的高分子材料。我國(guó)已經(jīng)開發(fā)出一些品種并加以推廣應(yīng)用，如用于冰箱門的磁性塑料。彩色顯像管配套部件的匯聚片，是復(fù)合型高分子永磁材料，匯聚片組合件在彩電中起著調(diào)聚色彩的重要作用。功能高分子材料醫(yī)用高分子材料是當(dāng)今研究較多以及應(yīng)用較廣的一種功能高分子材料。由于有機(jī)硅材料具有生理惰性，人體適應(yīng)性強(qiáng)，抗凝血性好，以及耐老化、耐高壓蒸汽消毒等特點(diǎn)，因此是目前用于人體內(nèi)永久性植入的主要高分子材料。我國(guó)已經(jīng)開發(fā)了“醫(yī)用有機(jī)硅”級(jí)的有機(jī)硅橡膠、人工臟器、人工關(guān)節(jié)、人工晶體、牙科復(fù)合樹脂充填材料以及整形用材料等。預(yù)計(jì)在新世紀(jì)將有更多的醫(yī)用高分子材料問世。功能高分子材料種類繁多，其應(yīng)用也遍及各個(gè)領(lǐng)域，并且有新的品種和新的功能在不斷地開發(fā)研究之中。三、功能高分子材料的發(fā)展概況功能高分子材料實(shí)驗(yàn)三十四高吸水性樹脂的制備一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1．理解高吸水性樹脂制備的基本原理；2．掌握實(shí)驗(yàn)室中沉析、真空干燥等常見的操作。二、產(chǎn)品特性與用途高吸水性樹脂或稱超吸水性樹脂（SAR），是指能吸收自身質(zhì)量幾百倍甚至上千倍水分的高分子聚合物，在日常生活、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及其他工業(yè)部門有廣泛用途。例如，高吸水樹脂可用作香料載體、尿不濕的吸水材料；農(nóng)業(yè)上用作園藝保水劑；工業(yè)上用作油水分離材料、污水處理劑、溶劑脫水劑；醫(yī)藥上用作人工腎臟過濾材料、血液吸附劑等，其很多用途正處于開發(fā)研究之中。功能高分子材料三、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)以淀粉、丙烯腈為原料制備高吸水性樹脂，主要的化學(xué)反應(yīng)有兩個(gè)，即接枝反應(yīng)和水解反應(yīng)。接枝反應(yīng)是以水為介質(zhì)，以鈰鹽為引發(fā)劑，將丙烯腈接枝到已糊化的淀粉鏈上。水解反應(yīng)是在氫氧化鈉的作用下，將接枝聚合物側(cè)鏈上的腈基轉(zhuǎn)變?yōu)轷０坊汪人猁}基。其反應(yīng)式如下：接枝反應(yīng)：Rst+Ce4+Rst·+Ce3+(Rst代表淀粉，下同)功能高分子材料水解反應(yīng)：作為吸水材料必須具備兩個(gè)條件：一個(gè)是自身帶有較多的吸水基團(tuán)；二是本身不溶于水。本實(shí)驗(yàn)制備的樹脂是以淀粉為骨架，與丙烯腈接枝共聚成高分子化合物，不溶于水，側(cè)鏈上的腈基又經(jīng)過水解轉(zhuǎn)化為親水性很強(qiáng)的羧酸鹽基和酰胺基，使其具有極強(qiáng)的吸水性。因此，水解反應(yīng)是使接枝共聚物實(shí)現(xiàn)其吸水性關(guān)鍵的一步反應(yīng)，而水解反應(yīng)條件選擇的好壞直接影響到高吸水性樹脂吸水性的高低。

功能高分子材料四、主要儀器與藥品1．主要儀器電熱恒溫水浴鍋，電動(dòng)攪拌器，500mL三口燒瓶以及氮?dú)怃撈康取?．主要藥品玉米淀粉，市售；丙烯腈，AR；硝酸鈰銨，AR；氫氧化鈉，AR；硝酸，AR；95%(v/v)乙醇，CP。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟1.稱量淀粉10克裝入三口燒瓶?jī)?nèi)，加200mL蒸餾水?dāng)嚢柚瞥傻矸蹪{。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在80～85℃糊化30～40min，然后冷卻到20～40℃。

功能高分子材料2.將硝酸鈰銨用1mol/L的硝酸配成0.1g/mL的溶液，取3mL硝酸鈰銨溶液與16克丙烯腈混合，配制成丙烯腈的硝酸鈰銨溶液。3.將丙烯腈的硝酸鈰銨溶液加入到淀粉糊中，在20～40℃下攪拌反應(yīng)1～2h。4.用稀氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至7，加40mL蒸餾水，加熱至80℃，保溫30min,除去未反應(yīng)的丙烯腈。然后加入2mol/L氫氧化鈉溶液160mL，于100℃皂化2h。5.冷卻至室溫，用乙酸調(diào)節(jié)pH值至7～7.5，用乙醇沉析，

真空抽濾，于60～80℃下真空干燥，粉碎即得到高吸水樹脂。6．準(zhǔn)確稱取樹脂約0.1g置于燒杯中，加去離子水約150mL，靜置1h后，濾去水分，稱重，計(jì)算吸水倍率。

功能高分子材料六、實(shí)驗(yàn)記錄與數(shù)據(jù)處理高吸水性樹脂的吸水倍率用下式計(jì)算：吸水倍率=式中：m2——吸水后樹脂質(zhì)量，g；m1——干樹脂質(zhì)量，g。七、安全與環(huán)保丙烯腈的蒸氣有毒，實(shí)驗(yàn)時(shí)保持室內(nèi)通風(fēng)。

功能高分子材料實(shí)驗(yàn)三十五光致變色聚合物的制備一、實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1．理解光致變色的基本原理。2．掌握光致變色聚合物的制備方法。二、產(chǎn)品特性與用途聚甲基十一碳?；嫉焦柩跬椋环N光致變色聚合物，在光照下（特別是紫外光或可見光），偶氮鍵發(fā)生順反式的改變，從而導(dǎo)致聚合物顏色的改變。主要應(yīng)用于光電子器件、記錄存儲(chǔ)介質(zhì)和全息照相等高科技方面。

功能高分子材料三、實(shí)驗(yàn)原理光致變色高分子是在高分子側(cè)鏈上引入可逆變色基團(tuán)，由于光照時(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，使其對(duì)可見光吸收的波長(zhǎng)也發(fā)生變化，因而產(chǎn)生顏色的變化。在停止光照后，又恢復(fù)原來(lái)的顏色。本實(shí)驗(yàn)中，4-氨基偶氮苯、十一烯-10-酰氯、聚甲基硅氧烷為反應(yīng)性物料；甲苯為溶劑，甲醇為沉淀劑；環(huán)戊二烯二聚體鉑銥復(fù)合物是硅氫化反應(yīng)的催化劑。反應(yīng)生成的最終產(chǎn)物——聚甲基十一碳酰基偶氮苯硅氧烷，在光照下，偶氮鍵發(fā)生順反式的改變，從而導(dǎo)致聚合物顏色的改變。

功能高分子材料四、主要儀器與藥品1．主要儀器電熱恒溫水浴鍋，電動(dòng)攪拌器，冰水浴，300mL三口燒瓶，布氏漏斗、抽濾瓶以及濾紙等。2．主要藥品4-氨基偶氮苯，AR；十一烯-10-酰氯，AR；環(huán)戊二烯二聚體鉑銥復(fù)合物，AR；聚甲基硅氧烷，AR；甲苯，AR；甲醇，AR。功能高分子材料五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與操作步驟1．中間產(chǎn)物的合成

稱量4-氨基偶氮苯20克，十一烯-10-酰氯30.4克，加入到三口燒瓶中。在60℃下攪拌反應(yīng)30min，反應(yīng)生成中間產(chǎn)物4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯。

2．重結(jié)晶將生成的4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯溶于熱的甲苯中，制成飽和溶液，趁熱過濾。將濾液置于冰水浴中降溫，這時(shí)有結(jié)晶析出。用布氏漏斗過濾，得到4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶體。功能高分子材料3．硅氫化反應(yīng)在燒瓶中加入100mL蒸餾水，取4-十一烯-10-酰胺基偶氮苯晶體20克，與10克聚甲基硅氧烷混合，加入到燒瓶中，并加適量的催化劑環(huán)戊二烯二聚體鉑銥復(fù)合物，在50℃下攪拌反應(yīng)1h，生成聚甲基十一碳?；嫉焦柩跬椤?/p>

4．沉淀

將反應(yīng)混合液冷卻到室溫，加10