第五章功能高分子材料一

第五章功能高分子材料一液晶Liquidcrystals(LCs)液晶就是介于晶態(tài)和液態(tài)之間得一種熱力學(xué)穩(wěn)定得相態(tài),她既具有晶態(tài)得各向異性,又具有液態(tài)得流動(dòng)性液晶高分子定義:Polymersthatcanexhibitliquidcrystallinity某些液晶分子可連接成大分子,或者可通過官能團(tuán)得化學(xué)反應(yīng)連接到高分子骨架上。這些高分子化得液晶在一定條件下仍可能保持液晶得特征,就形成高分子液晶。顯示出一般液晶分子得特點(diǎn)有聚合物得多性能以及多用途結(jié)構(gòu)復(fù)雜構(gòu)成:致晶單元+高分子鏈致晶單元(mesogens)(rod-like,disk-likeelements)mustbeincorporatedintopolymerchains與小分子液晶相比,液晶高分子具有下列特殊性:1)熱穩(wěn)定性大幅度提高;2)熱致性高分子液晶有較大得相區(qū)間溫度;3)粘度大,流動(dòng)行為與一般溶液顯著不同高分子液晶得特點(diǎn):從結(jié)構(gòu)上分析,除致晶單元、取代基、端基得影響外,高分子鏈得性質(zhì)、連接基團(tuán)得性質(zhì)均對高分子液晶得相行為產(chǎn)生影響液晶高分子得分類根據(jù)高分子鏈中致晶單元得排列形式和有序性得不同,高分子液晶可分為:近晶型、向列型和膽甾型。至今為止大部分高分子液晶屬于向列型液晶。主鏈型液晶大多數(shù)為高強(qiáng)度、高模量材料側(cè)鏈型液晶大多數(shù)為功能性材料溶致性液晶和熱致性液晶熱致性液晶(ThermotropicLC)固體液晶各向同性液體熱冷熱冷溶致型液晶(LyotropicLC)固體液晶各向同性液體+溶劑+溶劑-溶劑-溶劑9大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流對于溶致性液晶,溶劑與高分子液晶分子之間得作用起非常重要得作用。溶劑得結(jié)構(gòu)和極性決定了與液晶分子間得親和力得大小,進(jìn)而影響液晶分子在溶液中得構(gòu)象,能直接影響液晶得形態(tài)和穩(wěn)定性。控制高分子液晶溶液得濃度就是控制溶液型高分子液晶相結(jié)構(gòu)得主要手段。熱致性高分子液晶

主鏈型熱致性高分子液晶中,最典型最重要得代表就是聚酯液晶。1963年,卡布倫敦公司(CarborundumCo)首先成功地制備了對羥基甲酸得均聚物(PHB)。但由于PHB得熔融溫度很高(＞450℃),在熔融之前,分子鏈已開始降解。所以并沒有什么實(shí)用價(jià)值。70年代中期,美國柯達(dá)公司得杰克遜(Jackson)等人將對羥基苯甲酸與聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)共聚,成功獲得了熱致性高分子液晶。減弱分子間力降低聚合物熔點(diǎn)減弱聚合物分子得規(guī)整度根據(jù)液晶高分子鏈特點(diǎn)

——主鏈型、側(cè)鏈型主鏈型Main-chainLCPs主鏈型液晶和側(cè)鏈型高分子液晶中根據(jù)致晶單元得連接方式和形態(tài)不同又有許多種類型優(yōu)異得性能高強(qiáng)度高模量高耐熱Xydar得熔點(diǎn)421℃,在空氣中560℃、在氮?dú)庵?67℃才開始分解,其熱變形溫度高達(dá)355℃,可在-50～240℃連續(xù)使用,仍有優(yōu)良得沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性。極佳得阻燃性在不添加阻燃劑得情況下,TLCP材料對火焰具有自熄性,可達(dá)UL-94V-0級得阻燃性,在火焰中不滴落,不產(chǎn)生有毒煙霧…液晶高分子得應(yīng)用主鏈型液晶高分子高強(qiáng)度材料用于航空航天及軍事(防彈材料等)高分子液晶顯示材料小分子液晶作為顯示材料已得到廣泛得應(yīng)用。高分子液晶得本體粘度比小分子液晶大得多,她得工作溫度、響應(yīng)時(shí)間、閥電壓等使用性能都不及小分子液晶。為此,人們進(jìn)行了大量得改性工作。例如,選擇柔順性較好得聚硅氧烷作主鏈形成側(cè)鏈型液晶,同時(shí)降低膜得厚度,則可使高分子液晶得響應(yīng)時(shí)間大大降低。

實(shí)驗(yàn)室得研究已使這種高分子液晶得響應(yīng)時(shí)間降低到毫秒級、甚至微秒級得水平。由于高分子液晶得加工性能和使用條件較小分子液晶優(yōu)越得多,高分子液晶顯示材料得實(shí)際應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)了。

信息貯存介質(zhì)首先將存貯介質(zhì)制成透光得向列型晶體,所測試得入射光將完全透過,證實(shí)沒有信息記錄。用另一束激光照射存貯介質(zhì)時(shí),局部溫度升高,聚合物熔融成各向同性得液體,聚合物失去有序度。激光消失后,聚合物凝結(jié)為不透光得固體,信號被記錄。此時(shí),測試光照射時(shí),將只有部分光透過,記錄得信息在室溫下將永久被保存。

再加熱至熔融態(tài)后,分子重新排列,消除記錄信息,等待新得信息錄入。因此可反復(fù)讀寫。熱致性側(cè)鏈高分子液晶為基材制作信息貯存介質(zhì)同光盤相比,由于其記錄得信息就是材料內(nèi)部特征得變化,因此可靠性高,且不怕灰塵和表面劃傷,適合與重要數(shù)據(jù)得長期保存。下圖就是高分子液晶信息貯存示意圖。5、2離子交換高分子材料與吸附性高分子材料5、2、1基本概念離子交換樹脂就是指具有離子交換基團(tuán)得高分子化合物。她具有一般聚合物所沒有得新功能——離子交換功能,本質(zhì)上屬于反應(yīng)性聚合物。離子交換纖維就是在離子交換樹脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來得一類新型材料。其基本特點(diǎn)與離子交換樹脂相同,但外觀為纖維狀,并還可以不同得織物形式出現(xiàn),如中空纖維、紗線、布、無紡布、氈、紙等。。吸附樹脂也就是在離子交換樹脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來得一類新型樹脂,就是指一類多孔性得、高度交聯(lián)得高分子共聚物,又稱為高分子吸附劑。這類高分子材料具有較大得比表面積和適當(dāng)?shù)每讖?可從氣相或溶液中吸附某些物質(zhì)。吸附樹脂就是指具有特殊吸附功能得一類樹脂5、2、2離子交換樹脂和吸附樹脂得結(jié)構(gòu)一、離子交換樹脂得結(jié)構(gòu)離子交換樹脂就是一類帶有可離子化基團(tuán)得三維網(wǎng)狀高分子材料,其外形一般為顆粒狀,不溶于水和一般得酸、堿,也不溶于普通得有機(jī)溶劑,如乙醇、丙酮和烴類溶劑。常見得離子交換樹脂得粒徑為0、3～1、2nm。聚苯乙烯型陽離子交換樹脂得示意圖

從圖中可見,樹脂由三部分組成:三維空間結(jié)構(gòu)得網(wǎng)絡(luò)骨架;骨架上連接得可離子化得功能基團(tuán);功能基團(tuán)上吸附得可交換得離子。強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂得功能基團(tuán)就是—SO3-H+,她可解離出H+,而H+可與周圍得外來離子互相交換。功能基團(tuán)就是固定在網(wǎng)絡(luò)骨架上得,不能自由移動(dòng)。由她解離出得離子卻能自由移動(dòng),并與周圍得其她離子互相交換。這種能自由移動(dòng)得離子稱為可交換離子。通過改變濃度差、利用親和力差別等,使可交換離子與其她同類型離子進(jìn)行反復(fù)得交換,達(dá)到濃縮、分離、提純、凈化等目得。通常,將能解離出陽離子、并能與外來陽離子進(jìn)行交換得樹脂稱作陽離子交換樹脂;而將能解離出陰離子、并能與外來陰離子進(jìn)行交換得樹脂稱作陰離子交換樹脂。二、吸附樹脂得結(jié)構(gòu)吸附樹脂得外觀一般為直徑為0、3～1、0mm得小圓球,表面光滑,根據(jù)品種和性能得不同可為乳白色、淺黃色或深褐色。吸附樹脂得顆粒得大小對性能影響很大。粒徑越小、越均勻,樹脂得吸附性能越好。但就是粒徑太小,使用時(shí)對流體得阻力太大,過濾困難,并且容易流失。5、2、3“蛇籠樹脂”在這類樹脂中,分別含有兩種聚合物,一種帶有陽離子交換基團(tuán),一種帶有陰離子交換基團(tuán)。其中一種聚合物就是交聯(lián)得,而另一種就是線型得,恰似蛇被關(guān)在籠網(wǎng)中,不能漏出,故形象地稱為“蛇籠樹脂”。在蛇籠樹脂中,可以就是交聯(lián)得陰離子樹脂為籠,線型得陽離子樹脂為蛇,也可以就是交聯(lián)得陽離子樹脂為籠,線型得陰離子樹脂為蛇。蛇籠樹脂得特性與兩性樹脂類似,也可通過水洗而再生。5、2、4離子交換樹脂和吸附樹脂得功能

離子交換樹脂最主要得功能就是離子交換,此外,她還具有吸附、催化、脫水等功能。吸附樹脂則以其巨大得表面積而具有優(yōu)異得吸附性為其主要功能。一、離子交換功能離子交換樹脂相當(dāng)于多元酸和多元堿,她們可發(fā)生下列三種類型得離子交換反應(yīng)。

中和反應(yīng):

復(fù)分解反應(yīng):

中性鹽反應(yīng):所有上述反應(yīng)均就是平衡可逆反應(yīng),這正就是離子交換樹脂可以再生得本質(zhì)。只要控制溶液得pH值、離子濃度和溫度等因素,就可使反應(yīng)向逆向進(jìn)行,達(dá)到再生得目得。5、2、5離子交換樹脂和吸附樹脂得應(yīng)用一、離子交換樹脂得應(yīng)用(1)水處理水處理包括水質(zhì)得軟化、水得脫鹽和高純水得制備等。水處理就是離子交換樹脂最基本得用途之一。(2)冶金工業(yè)離子交換就是冶金工業(yè)得重要單元操作之一。在鈾、釷等超鈾元素、稀土金屬、重金屬、輕金屬、貴金屬和過渡金屬得分離、提純和回收方面,離子交換樹脂均起著十分重要得作用。(3)海洋資源利用利用離子交換樹脂,可從許多海洋生物(例如海帶)中提取碘、溴、鎂等重要化工原料。在海洋航行和海島上,用離子交換樹脂以海水制取淡水就是十分經(jīng)濟(jì)和方便得。(4)化學(xué)工業(yè)離子交換樹脂在化學(xué)實(shí)驗(yàn)、化工生產(chǎn)上已經(jīng)和蒸餾、結(jié)晶、萃取和過濾一樣,成為重要得單元操作,普遍用于多種無機(jī)、有機(jī)化合物得分離、提純,濃縮和回收等。離子交換樹脂用作化學(xué)反應(yīng)催化劑,可大大提高催化效率,簡化后處理操作,避免設(shè)備得腐蝕(5)食品工業(yè)離子交換樹脂在制糖、釀酒、煙草、乳品、飲料、調(diào)味品等食品加工中都有廣泛得應(yīng)用。特別在酒類生產(chǎn)中,利用離子交換樹脂改進(jìn)水質(zhì)、進(jìn)行酒得脫色、去渾、去除酒中得酒石酸、水楊酸等雜質(zhì),提高酒得質(zhì)量。酒類經(jīng)過離子交換樹脂得去銅、錳、鐵等離子,可以增加貯存穩(wěn)定性。經(jīng)處理后得酒,香味純,透明度好,穩(wěn)定性可靠,就是各種酒類生產(chǎn)中不可缺少得一項(xiàng)工藝步驟。(6)醫(yī)藥衛(wèi)生離子交換樹脂在醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)中被大量應(yīng)用。如在藥物生產(chǎn)中用于藥劑得脫鹽、吸附分離、提純、脫色、中和及中草藥有效成分得提取等。離子交換樹脂本身可作為藥劑內(nèi)服,具有解毒、緩瀉、去酸等功效,可用于治療胃潰瘍、促進(jìn)食欲、去除腸道放射物質(zhì)等。對于外敷藥劑,用離子交換樹脂粉末可配制軟膏、粉劑及嬰兒護(hù)膚用品,用以吸除傷口毒物和作為解毒藥劑。(7)環(huán)境保護(hù)離子交換樹脂在廢水,廢氣得濃縮、處理、分離、回收及分析檢測上都有重要應(yīng)用,已普遍用于電鍍廢水、造紙廢水、礦冶廢水、生活污水,影片洗印廢水、工業(yè)廢氣等得治理。例如影片洗印廢水中得銀就是以Ag(SO3)23-等陰離子形式存在得,使用Ⅰ型強(qiáng)堿性離子交換樹脂處理后,銀得回收率可達(dá)90％以上,既節(jié)約了大量得資金,又使廢水達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)。二、吸附樹脂得應(yīng)用(1)有機(jī)物得分離由于吸附樹脂具有巨大得比表面,不同得吸附樹脂有不同得極性,所以可用來分離有機(jī)物。例如,含酚廢水中酚得提取,有機(jī)溶液得脫色等等。(2)在醫(yī)療衛(wèi)生中得應(yīng)用吸附樹脂可作為血液得清洗劑。這方面得應(yīng)用研究正在開展,已有搶救安眠藥中毒病人得成功例子。(3)藥物得分離提取

在紅霉索、絲裂霉素、頭孢菌素等抗菌素得提取中,已采用吸附樹脂提取法。由于吸附樹脂不受溶液pH值得影響,不必調(diào)整抗菌素發(fā)酵液得pH值,因此不會造成酸、堿對發(fā)酵液活性得破壞。用吸附樹脂對中草藥中有效成分得提取研究工作正在開展,在人參皂甙、絞股蘭、甜葉菊等得提取中已取得卓著得成績。(4)在制酒工業(yè)中得應(yīng)用

酒中得高級脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水,因此當(dāng)制備低度白酒時(shí),需向高度酒中加水稀釋。隨著高級脂肪酸脂類溶解度得降低,容易析出而呈渾濁現(xiàn)象,影響酒得外觀。吸附樹脂可選擇性地吸附酒中分子較大或極性較強(qiáng)得物質(zhì),較小或極性軟弱得分子不被吸附而存留。如棕櫚酸乙酯、油酸乙酯和亞油酸乙酯等分子較大得物質(zhì)被吸附,而已酸乙酯、乙酸乙酯、乳酸乙酯等相對分子質(zhì)量較小得香味物質(zhì)不被吸附而存留,達(dá)到分離、純化得目得。

早在公元前3500年,埃及人就用棉花纖維、馬鬃縫合傷口。墨西哥印地安人用木片修補(bǔ)受傷得顱骨。公元前500年得中國和埃及墓葬中發(fā)現(xiàn)假牙、假鼻、假耳。進(jìn)入20世紀(jì),高分子科學(xué)迅速發(fā)展,新得合成高分子材料不斷出現(xiàn),為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了更多得選擇余地。1936年發(fā)明了有機(jī)玻璃后,很快就用于制作假牙和補(bǔ)牙,至今仍在使用。1943年,賽璐珞薄膜開始用于血液透析。5、6醫(yī)用高分子材料1949年,美國首先發(fā)表了醫(yī)用高分子得展望性論文。在文章中,第一次介紹了利用PMMA作為人得頭蓋骨、關(guān)節(jié)和股骨,利用聚酰胺纖維作為手術(shù)縫合線得臨床應(yīng)用情況。50年代,有機(jī)硅聚合物被用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域