第七章功能高分子材料概论
第一节功能高分子基本概念
一、高分子材料发展史
15世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。1839年美国人Charles Goodyear发现天然橡胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它变为富有弹性、可塑性的材料。1869年美国人John Wesley Hyatt把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞”。1887年法国人Count Hilaire de Chardonnet用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。1909年美国人Leo Baekeland用苯酚与甲醛反应制造出第一种完全人工合成的塑料——酚醛树酯。1920年德国人Hermann Staudinger发表了“关于聚合反应”的论文提出：高分子物质通过化学键连接在一起的大分子化合物。1926年美国化学家Waldo Semon合成了聚氯乙烯，并于1927年实现了工业化生产。1932年Hermann Staudinger总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著《高分子有机化合物》成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。1935年杜邦公司基础化学研究所有机化学部的Wallace H. Carothers合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在1938年实现工业化生产。1930年德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。1940年英国人T. R. Whinfield合成出聚酯纤维（PET）。1948年Paul Flory 建立了高分子长链结构的数学理论。1953年德国人Karl Ziegler与意大利人Giulio Natta分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。1955年美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。1956年Szwarc提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。1970年以后高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。
二、高分子基本概念
高分子又称聚合物（Polymer）、高聚物（High polymer）、大分子（Macromolecule），分子量一般大于1000。而分子量较低(<10000)的低聚物称为齐聚物，寡聚物。
根据聚合物结构类型，可将聚合物分为线型（Linear Polymer）、支化型（Branched Polymer）、交联型（Crosslinked Polymer）、星型及树状（Star Polymer、Dendrimer），见图7-1。
高分子学科包括高分子化学（Polymer chemistry）、高分子物理（Polymer physics）、高分子工艺学（Polymer technology）。高分子化学主要研究高分子合成机理、结构设计、控制方法。高分子物理主要研究高分子物理性质、结构与性能的关系。高分子工艺学主要研究高分子合成工艺、加工工艺。
三、功能高分子材料
1．功能材料的概念
功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。
在国外，常将这类材料称为功能材料(Functional Materials)、特种材料(Speciality Materials))或精细材料(Fine Materials)。功能材料涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。材料的特定的功能与材料的特定结构是相联系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。
功能高分子的特点是用途特殊，专一性强；.品种多，用量不大；.质量轻（与其它功能材料相比）；制备途径多，可设计性强。
2．功能材料的分类
随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。
从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。
（1）力学功能
主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。
（2）化学功能
①分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；
②反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；
③生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。
（3）物理化学功能
①电学功能材料：如超导体，导电高分子等；
②光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；
③能量转换材料：如压电材料、光电材料。
（4）生物化学功能
①医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；
②功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；
③生物降解材料
对于功能高分子来讲，功能高分子材料有反应型高分子材料、电活性高分子材料、高分子分离膜材料、医药用功能高分子材料、光敏高分子材料。
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。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。
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，其中以电致发光材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。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。
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，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。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。
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。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性进展。
功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。
一次功能是指当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。
一次功能主要有下面的八种。
①力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。
②声功能。如隔音性、吸音性。
③热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。
④电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。
⑤磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。
⑥光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。
⑦化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。
⑧其他功能。如放射特性、电磁波特性等。
二次功能是指当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。
二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。
①光能与其他形式能量的转换
如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。
②电能与其他形式能量的转换
如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。
③磁能与其他形式能量的转换
如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。
④机械能与其他形式能量的转换。
如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。
3．功能高分子材料的制备方法
功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方法将功能基团与聚合物骨架相结合的过程。
功能高分子材料的制备主要有以下二种基本类型：
①功能性小分子固定在骨架材料上
功能性小分子的高分子化主要包括功能性小分子单体直接发生聚合反应和功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合两种方式。
功能性小分子的高分子化的优点是生成的功能高分子功能基分布均匀；聚合物结构可以通过聚合机理预先设计；产物的稳定性较好。其缺点是在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应；要求在反应中不破坏原有结构和功能；当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护；有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响。
功能性小分子单体直接发生聚合反应是通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物这些可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基团。
其发生反应主要类型有加成聚合反应，开环聚合反应，缩聚反应以及氧化偶合反应。
如丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功能高分子的简单例子。
将含有环氧基团的低分子量双酚A型环氧树脂与丙烯酸反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯，这种单体在制备光敏高分子材料方面有广泛的应用。
除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多种单体进行共聚反应制备功能高分子也是一种常见的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质时，共聚可能是最行之有效的解决办法。
功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子药物、固定化酶的制备方面有独到的优势。
用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适宜酶等对环境敏感材料的固化。
缺点是在使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步失去，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。
例如，维生素C在空气中极易被氧化而变黄。采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素C微胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素C微胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，色泽略黄。这种维生素C微胶囊进入人体后，两小时内可完全溶解释放。
②大分子材料的功能化
大分子材料的功能化主要包括利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架、功能性小分子与聚合物共混。大分子功能化可选材料的特点是价格低廉的通用材料，较容易地接上功能性基团，来源丰富，具有机械、热、化学稳定性。
目前常见的品种有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物、聚丙烯酰胺、聚环氧氯丙烷及其共聚物、纤维素。
（1）利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架
小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要缺点在于稳定性不好，容易发生爆炸和失效，不便于储存。反应后产生的羧酸也不容易除掉，经常影响产品的纯度。将其引入高分子骨架后形成的高分子过氧酸，挥发性和溶解性下降，稳定性提高。
高分子氧化剂稳定性好，贮存、运输、使用方便。如聚对苯乙烯过氧甲酸。
聚苯乙烯芳环上的取代反应是利用聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进行一系列的芳香取代反应，如磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化等等，因此是功能高分子制备中最常用的骨架母体。
聚乙烯醇功能化是利用聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各样的功能高分子。例如青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分子反应，可得到疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇－乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，得到水溶性的药物高分子，这种高分子青霉素在人体内的停留时间为低分子青霉素的30～40倍。
（2）带有功能性基团的小分子与高分子共混
这种制备方法的好处是可以利用廉价的商品化聚合物，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料机械性能比较有保障。主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合来实现。
比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化物的固化等。与化学法相比，通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺点是共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。
4．功能高分子的发展历程与展望
虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的。
最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。
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。
近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。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。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。
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，其中以电致发光材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。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。
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，也为电化学工业和
医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。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。
特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它们具有独特的“性能”和“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。
可以预计，在今后很长的历史时期中，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。
四、功能材料的发展现状
1．新型功能材料国外发展现状
当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。
对于超导材料，以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用。
高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。
生物医用材料作为高技术重要组成部分已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向。
新能源材料是以太阳能电池材料为研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。
生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要有三个研究方向：
①直接面临的与环境问题相关的材料技术
例如，生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SO x、NO x催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术。
②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；
③材料的环境协调性评价。
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化的目标。
国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，可用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10秒钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料等在航空上的应用取得大量创新成果。
2．国内功能材料发展的现状
我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”、“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。
在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。
镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列。
高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权；功能材料还在“两弹一星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。
功能高分子材料是上世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来，功能高分子材料的年增长率一般都在10%以上，其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高达50%。
3．国内、外功能材料社会经济发展需求
根据预测，二十一世纪的新材料技术产业在世界市场的销售额将超过4000亿美元，其中功能材料约占75～80%。
我国的国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国的国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。
第二节高分子分离膜与膜分离应用
一、概述
1．分离膜与膜分离技术的概念
分离膜是指能以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面。膜的形式可以是固态的，也可以是液态的。被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的。膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接触并进行传递。分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以是半透过性的，但不能是完全不透过性的。膜在生产和研究中的使用技术被称为膜技术。
2．物质分离类型
物质分离可分为同种物质按不同大小尺寸的分离、异种物质的分离和不同物质状态的分离等。
高分子膜分离主要应用于高层次的分离，如分子尺寸的分离、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。
3．高分子膜分离
膜分离过程主要特点：以具有选择透过性的膜作为分离的手段，实现物质分子尺寸的分离和混合物组分的分离。
膜分离过程推动力：浓度差、压力差和电位差等。膜分离过程三种形式是渗析式膜分离、过滤式膜分离和液膜分离。
渗析式膜分离是料液中的某些溶质或离子在浓度差、电位差的推动下，透过膜进入接受液中，从而被分离出去。属于渗析式膜分离的有渗析和电渗析等。过滤式膜分离是
利用组分分子的大小和性质差别所表现出透过膜的速率差别，达到组分的分离。属于过滤式膜分离的有超滤、微滤、反渗透和气体渗透等。液膜分离液膜与料液和接受液互不混溶，液液两相通过液膜实现渗透，类似于萃取和反萃取的组合。溶质从料液进入液膜相当于萃取，溶质再从液膜进入接受液相当于反萃取。
4．高分子膜分离技术
膜分离技术是利用膜对混合物中各组分的选择渗透性能的差异来实现分离、提纯和浓缩的新型分离技术。
膜分离过程的优点是成本低、能耗少、效率高、无污染并可回收有用物质，特别适合于性质相似组分、同分异构体组分、热敏性组分、生物物质组分等混合物的分离。
实践证明，当不能经济地用常规的分离方法得到较好的分离时，膜分离作为一种分离技术往往是非常有用的。并且膜技术还可以和常规的分离方法结合起来使用，使技术投资更为经济。
膜分离过程是没有相的变化(渗透蒸发膜除外)，常温下即可操作；由于避免了高温操作，所浓缩和富集物质的性质不容易发生变化，因此在膜分离过程食品、医药等行业使用具有独特的优点；膜分离装置简单、操作容易，对无机物、有机物及生物制品均可适用，并且不产生二次污染。
近二三十年来，膜科学和膜技术发展极为迅速，目前已成为工农业生产、国防、科技和人民日常生活中不可缺少的分离方法，越来越广泛地应用于化工、环保、食品、医药、电子、电力、冶金、轻纺、海水淡化等领域。
5．膜分离技术发展简史
1748年，耐克特（A. Nelkt）发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱内，开创了膜渗透的研究。1861年，施密特（A. Schmidt）首先提出了超过滤的概念。他提出，用比滤纸孔径更小的棉胶膜或赛璐酚膜过滤时，若在溶液侧施加压力，使膜的两侧产生压力差，即可分离溶液中的细菌、蛋白质、胶体等微小粒子，其精度比滤纸高得多。这种过滤可称为超过滤。按现代观点，这种过滤应称为微孔过滤。
1961年，米切利斯（A. S. Michealis）等人用各种比例的酸性和碱性的高分子电介质混合物以水—丙酮—溴化钠为溶剂，制成了可截留不同分子量的膜，这种膜是真正的超过滤膜。美国Amicon公司首先将这种膜商品化。50年代初，为从海水或苦咸水中获取淡水，开始了反渗透膜的研究。
1967年，Du Pont公司研制成功了以尼龙—66为主要组分的中空纤维反渗透膜组件。同一时期，丹麦DDS公司研制成功平板式反渗透膜组件。反渗透膜开始工业化。
自上世纪60年代中期以来，膜分离技术真正实现了工业化。首先出现的分离膜是超过滤膜（简称UF膜）、微孔过滤膜（简称MF膜）和反渗透膜（简称RO）。以后又开发了许多其它类型的分离膜。
在此期间，除上述三大膜外，其他类型的膜也获得很大的发展。80年代气体分离膜的研制成功，使功能膜的地位又得到了进—步提高。
6．功能膜的分类
（1）按膜的材料分类
功能膜按材料分类见表7-1。
表7-1 膜材料的分类
（2）按膜的分离原理及适用范围分类
根据分离膜的分离原理和推动力的不同，可将其分为微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。
（3）按膜断面的物理形态分类
根据分离膜断面的物理形态不同，可将其分为对称膜，不对称膜、复合膜、平板膜、管式膜、中空纤维膜等。
（4）按功能分类
日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜，导电膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。
7．膜分离过程的类型
分离膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，如颗粒、分子、离子
表7-2 几种主要分离膜的分离过程
等。或者说，物质的分离是通过膜的选择性透过实现的。几种主要的膜分离过程及其传递机理如表7-2所示。
二、膜材料及膜的制备
1．膜材料
用作分离膜的材料包括广泛的天然的和人工合成的有机高分子材料和无机材料。原则上讲，凡能成膜的高分子材料和无机材料均可用于制备分离膜。但实际上，真正成为工业化膜的膜材料并不多。这主要决定于膜的一些特定要求，如分离效率、分离速度等。此外，也取决于膜的制备技术。
目前，实用的有机高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。从品种来说，已有成百种以上的膜被制备出来，其中约40多种已被用于工业和实验室中。以日本为例，纤维素酯类膜占53％，聚砜膜占33.3％，聚酰胺膜占11.7％，其他材料的膜占2％，可见纤维素酯类材料在膜材料中占主要地位。
（1）纤维素酯类膜材料
醋酸纤维素是当今最重要的膜材料之一。醋酸纤维素性能稳定，但在高温和酸、碱存在下易发生水解。为了改进其性能，进一步提高分离效率和透过速率，可采用各种不同取代度的醋酸纤维素的混合物来制膜，也可采用醋酸纤维素与硝酸纤维素的混合物来制膜。此外，醋酸丙酸纤维素、醋酸丁酸纤维素也是很好的膜材料。纤维素醋类材料易受微生物侵蚀，pH 值适应范围较窄，不耐高温和某些有机溶剂或无机溶剂。因此发展了非纤维素酯类（合成高分子类）膜。
（2）非纤维素酯类膜材料
非纤维素酯类膜材料的基本特性有分子链中含有亲水性的极性基团；主链上应有苯环、杂环等刚性基团，使之有高的抗压密性和耐热性；化学稳定性好；具有可溶性。
常用于制备分离膜的合成高分子材料有聚砜、聚酰胺、芳香杂环聚合物和离子聚合物等。
（3）主要的非纤维素酯类膜材料
①聚砜类
聚砜结构中的特征基团为，为了引入亲水基团，常将粉状聚砜悬浮于有机溶剂中，用氯磺酸进行磺化。聚砜类树脂常用的制膜溶剂有：二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、N—甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。聚砜类树脂具有良好的化学、热学和水解稳定性，强度也很高，pH值适应范围为1～13，最高使用温度达120℃，抗氧化性和抗氯性都十分优良。因此已成为重要的膜材料之一。
②聚酰胺类
早期使用的聚酰胺是脂肪族聚酰胺，如尼龙-4、尼龙-66等制成的中空纤维膜。这类产品对盐水的分离率在80％～90％之间，但透水率很低，仅0.076 ml/cm2·h。以后发展了芳香族聚酰胺，用它们制成的分离膜，pH适用范围为3～11，分离率可达99.5％（对盐水），透水速率为0.6l ml /cm2·h。长期使用稳定性好。由于酰胺基团易与氯反应，故这种膜对水中的游离氯有较高要求。
③芳香杂环类
芳香杂环类包括聚苯并咪唑类、聚苯并咪唑酮类、聚吡嗪酰胺类、聚酰亚胺类。
聚苯并咪唑类如由美国Celanese公司研制的PBI膜即为此种类型。聚苯并咪唑酮类这类膜的代表是日本帝人公司生产的PBLL膜，这种膜对0.5％NaCl溶液的分离率达90％～95％，并有较高的透水速率。
聚吡嗪酰胺类这类膜材料可用界面缩聚方法制得。
聚酰亚胺具有很好的热稳定性和耐有机溶剂能力，因此是一类较好的膜材料。
④离子性聚合物
离子性聚合物可用于制备离子交换膜。与离子交换树脂相同，离子交换膜也可分为强酸型阳离子膜、弱酸型阳离子膜、强碱型阴离子膜和弱碱型阴离子膜等。在淡化海水的应用中，主要使用的是强酸型阳离子交换膜。
磺化聚苯醚膜和磺化聚砜膜是最常用的两种离子聚合物膜。
⑤乙烯基聚合物
用作膜材料的乙烯基聚合物包括聚乙烯醇、聚烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、聚偏氯乙烯、聚丙烯酰胺等。共聚物包括：聚丙烯醇/苯乙烯磺酸、聚乙烯醇/磺化聚苯醚、聚丙烯腈/甲基丙烯酸酯、聚乙烯/乙烯醇等。聚乙烯醇/丙烯腈接枝共聚物也可用作膜材料。
2．膜的制备
（1）分离膜制备工艺类型
膜的制备工艺对分离膜的性能十分重要。同样的材料，由于不同的制作工艺和控制条件，其性能差别很大。合理的、先进的制膜工艺是制造优良性能分离膜的重要保证。
目前，国内外的制膜方法很多，其中最实用的是相转化法（流涎法和纺丝法）和复合膜化法。
（2）相转化制膜工艺
相转化是指将均质的制膜液通过溶剂的挥发或向溶液加入非溶剂或加热制膜液，使液相转变为固相的过程。相转化制膜工艺中最重要的方法是L-S型制膜法。它是由加拿大人劳勃（S. Leob）和索里拉金（S. Sourirajan）发明的，并首先用于制造醋酸纤维素膜。
将制膜材料用溶剂形成均相制膜液，在模具中流涎成薄层，然后控制温度和湿度，使溶液缓缓蒸发，经过相转化就形成了由液相转化为固相的膜。其工艺框图可见图7-2。
3．膜的保存
分离膜的保存对其性能极为重要。主要应防止微生物、水解、冷冻对膜的破坏和膜的收缩变形。
微生物的破坏主要发生在醋酸纤维素膜，而水解和冷冻破坏则对任何膜都可能发生。温度、pH值不适当和水中游离氧的存在均会造成膜的水解。冷冻会使膜膨胀而破坏膜的结构。膜的收缩主要发生在湿态保存时的失水。收缩变形使膜孔径大幅度下降，孔径分布不均匀，严重时还会造成膜的破裂。
当膜与高浓度溶液接触时，由于膜中水分急剧地向溶液中扩散而失水，也会造成膜的变形收缩。
三、典型的膜分离技术及应用领域
典型的膜分离技术有微孔过滤(MF)、超滤(UF)、反渗透(RO)、纳滤(NF)、渗析(D)、电渗析(ED)、液膜(LM)及渗透蒸发( PV)等，下面分别介绍之。
1．微孔过滤技术
微孔过滤技术始于十九世纪中叶，是以静压差为推动力，利用筛网状过滤介质膜的“筛分”作用进行分离的膜过程。实施微孔过滤的膜称为微孔膜。
微孔膜是均匀的多孔薄膜，厚度在90～150μm左右，过滤粒径在0.025～10μm之间，操作压在0.01～0.2MPa。到目前为止，国内外商品化的微孔膜约有13类，总计400多种。
微孔膜的主要优点为孔径均匀，过滤精度高。能将液体中所有大于制定孔径的微粒全部截留；孔隙大，流速快。一般微孔膜的孔密度为107孔/cm2，微孔体积占膜总体积的70％～80％。由于膜很薄，阻力小，其过滤速度较常规过滤介质快几十倍；无吸附或少吸附。微孔膜厚度一般在90～150μm之间，因而吸附量很少，可忽略不计。无介质脱落。微孔膜为均一的高分子材料，过滤时没有纤维或碎屑脱落，因此能得到高纯度的滤液。
微孔膜的缺点：颗粒容量较小，易被堵塞；使用时必须有前道过滤的配合，否则无法正常工作。
微孔过滤技术目前主要在微粒和细菌的过滤、微粒和细菌的检测、气体、溶液和水的净化、食糖与酒类的精制、药物的除菌和除微粒等方面得到应用。
在微粒和细菌的过滤方面可用于水的高度净化、食品和饮料的除菌、药液的过滤、发酵工业的空气净化和除菌等。
在微粒和细菌的检测方面微孔膜可作为微粒和细菌的富集器，从而进行微粒和细菌含量的测定。
在气体、溶液和水的净化方面大可借助微孔膜去除气中悬浮的尘埃、纤维、花粉、细菌、病毒等；溶液和水中存在的微小固体颗粒和微生物。
在食糖与酒类的精制方面微孔膜对食糖溶液和啤、黄酒等酒类进行过滤，可除去食糖中的杂质、酒类中的酵母、霉菌和其他微生物，提高食糖的纯度和酒类产品的清澈度，延长存放期。由于是常温操作，不会使酒类产品变味。
在药物的除菌和除微粒方面，以前药物的灭菌主要采用热压法。但是热压法灭菌时，细菌的尸体仍留在药品中。而且对于热敏性药物，如胰岛素、血清蛋白等不能采用热压法灭菌。对于这类情况，微孔膜有突出的优点，经过微孔膜过滤后，细菌被截留，无细菌尸体残留在药物中。常温操作也不会引起药物的受热破坏和变性。
许多液态药物，如注射液、眼药水等，用常规的过滤技术难以达到要求，必须采用微滤技术。
2．超滤技术
超滤技术始于1861年，其过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约5～10 nm，在0.1～0.5 MPa 的静压差推动下截留各种可溶性大分子，如多糖、蛋白质、酶等相对分子质量大于500的大分子及胶体，形成浓缩液，达到溶液的净化、分离及浓缩目的。
超滤技术的核心部件是超滤膜，分离截留的原理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，而大于孔径的微粒则被截留。膜上微孔的尺寸和形状决定膜的分离效率。
超滤膜均为不对称膜，形式有平板式、卷式、管式和中空纤维状等。
超滤膜的结构一般由三层结构组成。即最上层的表面活性层，致密而光滑，厚度为0.1～1.5μm，其中细孔孔径一般小于10nm；中间的过渡层，具有大于10nm的细孔，厚度一般为1～10μm；最下面的支撑层，厚度为50～250μm，具有50nm以上的孔。支撑层的作用为起支撑作用，提高膜的机械强度。膜的分离性能主要取决于表面活性层和过度层。
中空纤维状超滤膜的外径为0.5～2μm。特点是直径小，强度高，不需要支撑结构，管内外能承受较大的压力差。此外，单位体积中空纤维状超滤膜的内表面积很大，能有效提高渗透通量。
制备超滤膜的材料主要有聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈和醋酸纤维素等。超滤膜的工作条件取决于膜的材质，如醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 3～8，三醋酸纤维素超滤膜适用于pH = 2～9，芳香聚酰胺超滤膜适用于pH=5～9，温度0～40℃，而聚醚砜超滤膜的使用温度则可超过100℃。
超滤膜的应用也十分广泛，在作为反渗透预处理、饮用水制备、制药、色素提取、阳极电泳漆和阴极电泳漆的生产、电子工业高纯水的制备、工业废水的处理等众多领域都发挥着重要作用。
超滤技术主要用于含分子量500～500,000的微粒溶液的分离，是目前应用最广的膜分离过程之一，它的应用领域涉及化工、食品、医药、生化等。主要可归纳为以下方面。
在纯水的制备中，超滤技术广泛用于水中的细菌、病毒和其他异物的除去，用于制备高纯饮用水、电子工业超净水和医用无菌水等。
在汽车、家具等制品电泳涂装淋洗水的处理中，汽车、家具等制品的电泳涂装淋洗水中常含有1％～2％的涂料（高分子物质），用超滤装置可分离出清水重复用于清洗，同时又使涂料得到浓缩重新用于电泳涂装。
在食品工业中的废水处理中，在牛奶加工厂中用超滤技术可从乳清中分离蛋白和低分子量的乳糖。
在果汁、酒等饮料的消毒与澄清过程中，应用超滤技术可除去果汁的果胶和酒中的微生物等杂质，使果汁和酒在净化处理的同时保持原有的色、香、味，操作方便，成本较低。
在医药和生化工业中用于处理热敏性物质，分离浓缩生物活性物质，从生物中提取药物等，另外还可以用于造纸厂的废水处理。
3．反渗透技术
渗透和反渗透的原理如图7-3所示。如果用一张只能透过水而不能透过溶质的半透膜将两种不同浓度的水溶液隔开，水会自然地透过半透膜渗透从低浓度水溶液向高浓度水溶液一
侧迁移，这一现象称渗透（图7-3a）。这一过程的推动力是低浓度溶液中水的化学位与高浓度溶液中水的化学位之差，表现为水的渗透压。随着水的渗透，高浓度水溶液一侧的液面升高，压力增大。当液面升高至H时，渗透达到平衡，两侧的压力差就称为渗透压（图7-3b）。渗透过程达到平衡后，水不再有渗透，渗透通量为零。
如果在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧，这一过程就称为反渗透（图7-3c）。
反渗透技术所分离的物质的分子量一般小于500，操作压力为2～100MPa。
用于实施反渗透操作的膜为反渗透膜。反渗透膜大部分为不对称膜，孔径小于0.5nm，可截留溶质分子。
制备反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚、聚芳砜、聚醚酮、聚芳醚酮、聚四氟乙烯等。
反渗透、超滤和微孔过滤都是以压力差为推动力使溶剂通过膜的分离过程，它们组成了分离溶液中的离子、分子到固体微粒的三级膜分离过程。
一般来说，分离溶液中分子量低于500的低分子物质，应该采用反渗透膜；分离溶液中分子量大于500的大分子或极细的胶体粒子可以选择超滤膜，而分离溶液中的直径0.1～10μm 的粒子应该选微孔膜。以上关于反渗透膜、超滤膜和微孔膜之间的分界并不是十分严格、明确的，它们之间可能存在一定的相互重叠。
反渗透、超滤和微孔过滤技术的原理和操作特点比较汇总于表7-3。
反渗透膜最早应用于苦咸水淡化。随着膜技术的发展，反渗透技术已扩展到化工、电子及医药等领域。反渗透过程主要是从水溶液中分离出水，分离过程无相变化，不消耗化学药品，这些基本特征决定了它以下的应用范围。
海水、苦咸水的淡化制取生活用水，硬水软化制备锅炉用水，高纯水的制备。近年来，反渗透技术在家用饮水机及直饮水给水系统中的应用更体现了其优越性。
在医药、食品工业中用以浓缩药液、果汁、咖啡浸液等。与常用的冷冻干燥和蒸发脱水浓缩等工艺比较，反渗透法脱水浓缩成本较低，而且产品的疗效、风味和营养等均不受影响。
反渗透膜还可用于印染、食品、造纸等工业中用于处理污水，回收利用废业中有用的物质等。
4．纳滤技术
纳滤膜是八十年代在反渗透复合膜基础上开发出来的，是超低压反渗透技术的延续和发展分支，早期被称作低压反渗透膜或松散反渗透膜。目前，纳滤膜已从反渗透技术中分离出来，成为独立的分离技术。
纳滤膜主要用于截留粒径在0.1～1nm，分子量为1000左右的物质，可以使一价盐和小分子物质透过，具有较小的操作压（0.5～1MPa）。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间，但与上述两种膜有所交叉。
目前关于纳滤膜的研究多集中在应用方面，而有关纳滤膜的制备、性能表征、传质机理等的研究还不够系统、全面。进一步改进纳滤膜的制作工艺，研究膜材料改性，将可极大提高纳滤膜的分离效果与清洗周期。
纳滤技术最早也是应用于海水及苦咸水的淡化方面。由于该技术对低价离子与高价离子的分离特性良好，因此在硬度高和有机物含量高、浊度低的原水处理及高纯水制备中颇受瞩目；在食品行业中，纳滤膜可用于果汁生产，大大节省能源；在医药行业可用于氨基酸生产、抗生素回收等方面；在石化生产的催化剂分离回收等方面更有着不可比拟的作用。
5．离子交换膜
（1）离子交换膜的分类
①按可交换离子性质分类
与离子交换树脂类似，离子交换膜按其可交换离子的性能可分为阳离子交换膜、阴离子交换膜和双极离子交换膜。这三种膜的可交换离子分别对应为阳离子、阴离子和阴阳离子。
②按膜的结构和功能分类
可将离子交换膜分为普通离子交换膜、双极离子交换膜和镶嵌膜三种。
普通离子交换膜一般是均相膜，利用其对一价离子的选择性渗透进行海水浓缩脱盐；双极离子交换膜由阳离子交换层和阴离子交换层复合组成，主要用于酸或碱的制备；镶嵌膜由排列整齐的阴、阳离子微区组成，主要用于高压渗析进行盐的浓缩、有机物质的分离等。
（2）离子交换膜的工作原理
①电渗析
在盐的水溶液（如氯化钠溶液）中置入阴、阳两个电极，并施加电场，则溶液中的阳离子将移向阴极，阴离子则移向阳极，这一过程称为电泳。如果在阴、阳两电极之间插入一张离子交换膜（阳离子交换膜或阴离子交换膜），则阳离子或阴离子会选择性地通过膜，这一过程就称为电渗析。
电渗析的核心是离子交换膜。在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，实现溶液的淡化、浓缩及钝化；也可通过电渗析实现盐的电解，制备氯气和氢氧化钠等。
②膜电解
膜电解的基本原理可以通过NaCl水溶液的电解来说明。在两个电极之间加上一定电压，则阴极生成氯气，阳极生成氢气和氢氧化钠。阳离子交换膜允许Na+渗透进入阳极室，同时阻拦了氢氧根离子向阴极的运动.
阳极室的反应：
2Na+ + 2H2O + 2e = 2NaOH + H2
在阴极室的反应为：
2Cl －－2e = Cl2
（3）电渗析技术应用领域
自电渗析技术问世后，其在苦咸水淡化，饮用水及工业用水制备方面展示了巨大的优势。
随着电渗析理论和技术研究的深入，我国在电渗析主要装置部件及结构方面都有巨大的创新，仅离子交换膜产量就占到了世界的1/3。我国的电渗析装置主要由国家海洋局杭州水处理技术开发中心生产，现可提供200m3/d规模的海水淡化装置。
电渗析技术在食品工业、化工及工业废水的处理方面也发挥着重要的作用。特别是与反渗透、纳滤等精过滤技术的结合，在电子、制药等行业的高纯水制备中扮演重要角色。
此外，离子交换膜还大量应用于氯碱工业。全氟磺酸膜（Nafion）以化学稳定性著称，是目前为止唯一能同时耐40％NaOH和100℃温度的离子交换膜，因而被广泛应用作食盐电解制备氯碱的电解池隔膜。
全氟磺酸膜还可用作燃料电池的重要部件。燃料电池是将化学能转变为电能效率最高的能源，可能成为21世纪的主要能源方式之一。经多年研制，Nafion膜已被证明是氢氧燃料电池的实用性质子交换膜，并已有燃料电池样机在运行。
但Nafion膜价格昂贵（700美元/m2），故近年来正在加速开发磺化芳杂环高分子膜，用于氢氧燃料电池的研究，以期降低燃料电池的成本。
6．渗透蒸发技术
渗透蒸发是指液体混合物在膜两侧组分的蒸气分压差的推动力下，透过膜并部分蒸发，从而达到分离目的的一种膜分离方法。可用于传统分离手段较难处理的恒沸物及近沸点物系的分离。具有一次分离度高、操作简单、无污染、低能耗等特点。
渗透蒸发操作所采用的膜为致密的高分子膜。渗透蒸发的实质是利用高分子膜的选择性透过来分离液体混合物。其原理如图7-4所示。
由高分子膜将装置分为两个室，上侧为存放待分离混合物的液相室，下侧是与真空系统相连接或用惰性气体吹扫的气相室。混合物通过高分子膜的选择渗透，其中某一组分渗透到膜的另一侧。由于在气相室中该组分的蒸气分压小于其饱和蒸气压，因而在膜表面汽化。蒸气随后进入冷凝系统，通过液氮将蒸气冷凝下来即得渗透产物。渗透蒸发过程的推动力是膜内渗透组分的浓度梯度。
在制备渗透蒸发膜的材料过程中，对于渗透蒸发膜来说，是否具有良好的选择性是首先要考虑的。基于溶解扩散理论，只有对所需要分离的某组分有较好亲和性的高分子物质才可能作为膜材料。如以透水为目的的渗透蒸发膜，应该有良好的亲水性，因此聚乙烯醇（PVA）和醋酸纤维素（CA）都是较好的膜材料；而当以透过醇类物质为目的时，憎水性的聚二甲基硅氧烷（PDMS）则是较理想的膜材料。
用于制备渗透蒸发膜的材料包括天然高分子物质和合成高分子物质。
天然高分子膜主要包括醋酸纤维素（CA）、羧甲基纤维素（CMC）、胶原、壳聚糖等。这类膜的特点是亲水性好，对水的分离系数高，渗透通量也较大，对分离醇—水溶液很有效。但这类膜的机械强度较低，往往被水溶液溶胀后失去机械性能。如羧甲基纤维素是水溶性的，只能分离低浓度的水溶液。采用加入交联剂可增强膜的机械性能，但同时会降低膜性能。
用于制备渗透蒸发膜的合成高分子材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）等非极性材料和聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等极性材料。非极性膜大多被用于分离烃类有机物，如苯与环己烷、二甲苯异构体，甲苯与庚烷以及甲苯与醇类等，但选择性一般较低。
极性膜一般用于醇—水混合物的分离。其中聚乙烯醇是最引人注目的一种分离醇—水混合物的膜材料。
聚乙烯醇对水有很强的亲和力，而对乙醇的溶解度很小，因此有利于对水的选择吸附。该膜在分离低浓度水—乙醇溶液时有很高的选择性。但当水的浓度大于40％时，膜溶胀加剧，导致选择性大幅度下降。
聚丙烯腈对水也显示出很高的选择性，但渗透通量较小，所以通常被用作复合膜的多孔支撑层。
在工业发酵罐得到的是约5％的乙醇—水溶液，这时采用优先透醇膜显然更为经济实用。最常用的透醇膜材料是聚二甲基硅氧烷。但其对醇的渗透速率与选择性都比较低，选择性α一般在10以下。
渗透蒸发作为一种无污染、高能效的膜分离技术已经引起广泛的关注。该技术最显著的特点是很高的单级分离度，节能且适应性强，易于调节。
目前渗透蒸发膜分离技术已在无水乙醇的生产中实现了工业化。与传统的恒沸精馏制备无水乙醇相比，可大大降低运行费用，且不受汽—液平衡的限制。
除了以上用途外，渗透蒸发膜在其他领域的应用尚都处在实验室阶段。预计有较好应用前景的领域有：工业废水处理中采用渗透蒸发膜去除少量有毒有机物（如苯、酚、含氯化合物等）；在气体分离、医疗、航空等领域用于富氧操作；从溶剂中脱除少量的水或从水中除去少量有机物；石油化工工业中用于烷烃和烯烃、脂肪烃和芳烃、近沸点物、同系物、同分异构体等的分离等。
7．气体分离膜
气体分离膜有两种类型：非多孔均质膜和多孔膜。它们的分离机理各不相同。
非多孔均质膜的溶解扩散机理理论认为，气体选择性透过非多孔均质膜分四步进行：气体与膜接触，分子溶解在膜中，溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散，分子在膜的另一侧逸出。
多孔膜的透过扩散机理理论为用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。
影响气体分离膜性能的因素主要有聚合物的化学结构和形态结构。
通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离膜的气体透过率P、扩散系数D和溶解系数S的考察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从表4的数据可知，大的侧基有利于提高自由体积而使P增加。
一些聚合物材料的氧气透过率见表7-4。
表7-4 某些聚合物材料的氧气透过率
聚合物材料形态结构对透气性有一定影响。一般情况下，聚合物中无定型区的密度小于晶区的密度。因此气体透过高聚物膜主要经由无定形区，而晶区则是不透气的。这可以通过自由体积的差别来解释。但对某些聚合物可能出现例外，如4-甲基戊烯（PNP）晶区的密度反而小于非晶区的密度，故其晶区可能对透气性能也有贡献。
聚合物分子链沿拉伸方向取向后，透气性和选择性均有所下降，如未拉伸的聚丙烯的P O2和αO/N分别为163kPa和5.37，经单向拉伸后变为111kPa和5.00，经双向拉伸后则变为65kPa 和4.38。高分子的交联对透气性影响的一般规律是随交联度的增加，交联点间的尺寸变小，透气性有所下降。但对尺寸小的分子，如氢气和氦气等，透气性则下降不大。
制备气体分离膜的主要材料根据不同的分离对象，采用不同的材料制备。
对于H2的分离膜材料，美国Monsanto公司1979年首创Prism中空纤维复合气体分离膜，主要用于氢气的分离。其材料主要有醋酸纤维素、聚砜、聚酰亚胺等。其中聚酰亚胺是近年来新开发的高效氢气分离膜材料。它是由二联苯四羧酸二酐和芳香族二胺聚合而成的，具有抗化学腐蚀、耐高温和机械性能高等优点。
对于O2的分离富集分离膜材料主要有两类：聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其改性产品和含三甲基硅烷基的高分子材料。
PDMS是目前工业化应用的气体分离膜中P O2最高的膜材料，美中不足的是它有两大缺点：一是分离的选择性低，二是难以制备超薄膜。含有三甲基硅烷基的聚[1-(三甲基硅烷)-1-丙炔]（PTMSP）的比PDMS的要高一个数量级。从分子结构来看，三甲基硅烷基的空间位阻较大，相邻分子链无法紧密靠近，因此膜中出现大量分子级的微孔隙，扩散系数增大。
气体分离膜是当前各国均极为重视开发的产品，已有不少产品用于工业化生产。如美国Du Pont公司用聚酯类中空纤维制成的H2气体分离膜，对组成为70％H2，30％CH4，C2H6，C3H8的混合气体进行分离，可获得含90％H2的分离效果。
此外，富氧膜、分离N2，CO2，SO2，H2S等气体的膜，都已有工业化的应用。例如从天然气中分离氮、从合成氨尾气中回收氢、从空气中分离N2或CO2，从烟道气中分离SO2、从煤气中分离H2S或CO2等等，均可采用气体分离膜来实现。
8．液膜
液膜分离技术是1965年由美国埃克森（Exssen）研究和工程公司的黎念之博士提出的一种新型膜分离技术。直到80年代中期，奥地利的J. Draxler等科学家采用液膜法从粘胶废液中回收锌获得成功，液膜分离技术才进入了实用阶段。
液膜是一层很薄的液体膜。它能把两个互溶的、但组成不同的溶液隔开，并通过这层液膜的选择性渗透作用实现物质的分离。根据形成液膜的材料不同，液膜可以是水性的，也可是溶剂型的。
液膜的特点是传质推动力大，速率高，且试剂消耗量少，这对于传统萃取工艺中试剂昂贵或处理能力大的场合具有重要的经济意义。另外，液膜的选择性好，往往只能对某种类型的离子或分子的分离具有选择性，分离效果显著。目前存在的最大缺点是强度低，破损率高，难以稳定操作，而且过程与设备复杂。
液膜分离技术应用领域主要在生物化学、医学和萃取分离等方面。
在生物化学中，为了防止酶受外界物质的干扰而常常需要将酶“固定化”。利用液膜封闭来固定酶比其他传统的酶固定方法有如下的优点：①容易制备；②便于固定低分子量的和多酶的体系；③在系统中加入辅助酶时，无需借助小分子载体吸附技术（小分子载体吸附往往会降低辅助酶的作）。
液膜在医学上用途也很广泛。如液膜人工肺、液膜人工肝、液膜人工肾以及液膜解毒、液膜缓释药物等。目前，液膜在青霉素及氨基酸的提纯回收领域也较为活跃。
液膜分离技术可用于萃取处理含铬、硝基化合物、含酚等的废水。我国利用液膜处理含酚废水的技术已经比较成熟。其他如石油、气体分离、矿物浸出液的加工和稀有元素的分离等方面也有应用。
第三节高吸水性树脂
一、概述
自古以来，吸水材料的任务一直是由纸、棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等材料所承担的。但这些材料的吸水能力通常很低，所吸水量最多仅为自身重量的20倍左右，而且一旦受到外力作用，则很容易脱水，保水性很差。
60年代末期，美国首先开发成功高吸水性树脂。这是一种含有强亲水性基团并通常具有一定交联度的高分子材料。它不溶于水和有机溶剂，吸水能力可达自身重量的500～2000倍，最高可达5000倍，吸水后立即溶胀为水凝胶，有优良的保水性，即使受压也不易挤出。吸收了水的树脂干燥后，吸水能力仍可恢复。
由于上述的奇特性能，高吸水性树脂引起了人们较大的兴趣。问世30多年来，发展极其迅速，应用领域已经渗透到各行各业。如在石油、化工、等部门中被用作堵水剂、脱水剂、等；在医疗卫生部门中用作外用药膏的基材、缓释性药剂、抗血栓材料等；在农业部门中用作土壤改良剂等。在日常生活，用作吸水性抹布、一次性尿布、插花材料等。
高吸水性树脂是一类高分子电解质。水中盐类物质的存在会显著影响树脂的吸水能力，在一定程度上限制了它的应用。提高高吸水性树脂对含盐液体（如尿液，血液、肥料水等）的吸收能力，将是今后高吸水性树脂研究工作中的一个重要课题。此外，对高吸水性树脂吸水机理的理论研究工作也将进一步开展，以指导这一类功能高分子材料向更高水平发展。
二、高吸水性树脂的类型和制备方法
1．高吸水性树脂的类型
根据原料来源、亲水基团引入方法、交联方法、产品形状等的不同，高吸水性树脂可有多种分类方法，如表7-1所示。其中以原料来源这一分类方法最为常用。按这种方法分类，高吸水性树脂主要可分为淀粉类、纤维素类和合成聚合物类三大类。高吸水性树脂分类与类别见表7-5。
(1)淀粉类
淀粉类高吸水性树脂主要有两种形式。一种是淀粉与丙烯腈进行接枝反应后，用碱性化合物水解引入亲水性基团的产物，由美国农业部北方研究中心开发成功；另一类是淀粉与亲水性单体（如丙烯酸、丙烯酰胺等）接枝聚合，然后用交联剂交联的产物，是由日本三洋化成公司首开先河的。
(2）纤维素类
纤维素改性高吸水性树脂也有两种形式。一种是纤维素与一氯醋酸反应引入羧甲基后用交联剂交联而成的产物；另一种是由纤维素与亲水性单体接枝共聚产物。
纤维素改性高吸水性树脂的吸水倍率较低，同时亦存在易受细菌的分解失去吸水、保水能力的缺点。
表7-5 高吸水性树脂分类
(3）合成聚合物类
合成高吸水性树脂目前主要有四种类型：
①聚丙烯酸盐类
这是目前生产最多的一类合成高吸水性树脂，由丙烯酸或其盐类与具有二官能度的单体共聚而成。制备方法有溶液聚合后干燥粉碎和悬浮聚合两种。这类产品吸水倍率较高，一般均在千倍以上。
②聚丙烯腈水解物
将聚丙烯腈用碱性化合物水解，再经交联剂交联，即得高吸水性树脂。如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即为此类。由于氰基的水解不易彻底，产品中亲水基团含量较低，故这类产品的吸水倍率不太高，一般在500～1000倍左右。
③醋酸乙烯酯共聚物
将醋酸乙烯酯与丙烯酸甲酯进行共聚，然后将产物用碱水解后得到乙烯醇与丙烯酸盐的共聚物，不加交联剂即可成为不溶于水的高吸水性树酯。这类树脂在吸水后有较高的机械强度，适用范围较广。
④改性聚乙烯醇类
这类高吸水性树脂由聚乙烯醇与环状酸酐反应而成，不需外加交联剂即可成为不溶于水的产物。这类树脂由日本可乐丽公司首先开发成功，吸水倍率为150～400倍，虽吸水能力较低，但初期吸水速度较快，耐热性和保水性都较好，故是一类适用面较广的高吸水性树脂。
2．高吸水性树脂的制备方法
(1）淀粉类高吸水性树脂的制备方法
美国农业部北方研究中心最早开发的淀粉类高吸水性树脂是采用接枝合成法制备的。即先将丙烯腈接枝到淀粉等亲水性天然高分子上，再加入强碱使氰基水解成羧酸盐和酰胺基团。这种接枝化反应通常采用四价铈作引发剂，反应在水溶液中进行。
智慧树知到《材料学概论》章节测试答案 绪论 1、材料让我们成为人，而我们用语言赋予材料生命，这句话对吗? A:对 B:错 答案:对 2、材料与人类发展：“材料-时代”对吗？ A:对 B:错 答案:对 3、“物质-有用的物品就是材料“这句话对吗？ A:对 B:错 答案:对 4、材料学的基本思想是？ A:尺度之上 B:应用为王 C:物质 答案:尺度之上,应用为王 5、“材料是一种物质，但并不是所有的物质都是材料”这句话对吗？ A:对 B:错
答案:对 第一章 1、珠光体的含碳量是 A:0.77% B:2.11% C:6.69% 答案:0.77% 2、亚共析钢加热成奥氏体后冷却转变成 A:珠光体+铁素体 B:珠光体 C:铁素体 答案:珠光体+铁素体 3、将铁碳合金加热成奥氏体后在空气中冷却的热处理方式，称为 A:回火 B:退火 C:淬火 答案:退火 4、生铁、熟铁、钢的主要化学成分均为Fe，但他们之间的性能差别显著，主要原因是其中（）不同 A:珠光体含量 B:硬度 C:含碳量 答案:含碳量
5、金属中原子的排列方式 A:面心立方 B:体心立方 C:秘排六方 答案:面心立方,体心立方,秘排六方 第二章 1、生产普通陶瓷的主要矿物原料是 A:：石英、粘土、长石 B:高岭土、碳酸盐 C:粘土、石英、烧碱 答案:：石英、粘土、长石 2、陶瓷坯料采用可塑成型的方法手工成型时，需要控制其含水量在（）范围之内，以保证坯体良好的塑形效果。 A:15~25% B:28~35% C:7~15% 答案:15~25% 3、构成敏感陶瓷的主要物质属于（）类。 A:导体 B:绝缘体 C:半导体 答案:半导体
《高分子材料与工程概论》课程教学大纲 课程代码：050331028 课程英文名称：High Polymer Materials Engineering Introduction 课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0 适用专业：高分子材料与工程 大纲编写（修订）时间：2017. 06 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 高分子材料与工程概论是高等工科院校高分子材料与工程专业必修的一门获得高分子材料与工程概框和专业基础知识的专业基础课。它主要简要介绍高分子材料的基本概念、应用、加工成型方法及工艺，是该专业学生学习高分子材料工程知识的入门课程，使其明了高分子材料工程的内容和学习本专业的意义。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1.了解高分子材料工程所涉及的范围和领域； 2.了解高分子材料的种类及其特性； 3.熟悉各类高分子材料的选用、成型加工等基础知识； 4.了解高分子材料学科的新知识、新技术、新进展。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：了解高分子材料的基本性能、选用，及加工基本方法和工艺。 2.基本能力：具有能根据应用要求选择高分子材料类型和根据结构要求选择高分子材料制加工方法和工艺的基本能力。 3.基本技能：高分子材料鉴别的基本技能。 （三）实施说明 1.教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本知识的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。有条件可采用高分子材料加工仿真模拟课件，增强学生的感性认知，也可现场参观高分子材料的生产加工过程或聘请企业工程技术人员讲授。 2.教学手段：本课程以理论为主，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 （四）对先修课的要求 无先修课要求。 （五）对习题课、实验环节的要求 1.本课程对习题课和实践环节无要求。 2.作业题内容以基本概念、基本知识为主，作业要能起到巩固知识，提高分析问题、解决问题能力。学生必须独立、按时完成课外习题和作业，作业的完成情况应作为评定课程成绩的一部分。 （六）课程考核方式
材料是物 质， 但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物， 一般都不算是材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。 二. 材料的分类 然后我们看材料的分类。材料可按其成分及物理化学性质可分为： a 金属材料（铸铁、碳钢、铝合金 卜 b 无机非金属材料（水泥、玻璃、陶瓷卜 c 有机高分子材料（塑料、合成橡胶、合成纤维 ） d 复合材料（由两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的物质，经人工组合而成的 多相固体材料，如石墨/铝复合材料、碳/陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料）。按使用用途材 料可分为结构材料（主要利用材料的强度、韧性、 弹性等力学性能，用于制造在不同环境下 工作时承受载荷的各种结构件和零部件的一类材料， 即机械结构材料和建筑结构材料） 和功 能材料（由两种或两种以上物理、化学、 力学性能不同的物质，经人工组合而成的多相固体 材料）。 按照应用领域来分材料可以分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材 料、生物材料等。按来源可分为人工材料和天然材料。 三、 材料的地位和作用 1. 材料是人类文明的里程碑 我们中学阶段学过经济发展史，纵观人类利用材料的历史，材料起着举足轻重的作用， 是一切生产和生活的物质基础，是生产力的标志，是人类进步的里程碑。 石器时代：早在一百万年以前， 人类开始进入旧石器时代，可以使用石头作为工具。一 万年以前，人类开始进入新石器时代， 将石头加工成器具和工具如左下角图， 在8000年前, 开始人工烧制成陶器，用于器皿和装饰品如彩陶双耳罐。 青铜器时代：五千年以前，人类开始进入青铜器时代，青铜烧注成型， 用金 属，越王勾践曾使用的青铜剑，中国商代司母戊鼎。 铁器时代：3000年以前人类开始进入铁器时代，生铁冶炼及处理技术推动了农业、水 利、和军事的发展和人类社会进步，直至 18世纪进入了近代工业快速发展时代。 材料是人类进化和文明的标志。石器、青铜器、铁器这些具体的材料被历史学家作为划 分时代的重要标志。材料的发展创新是各个高新技术领域发展的突破口， 新型材料是当代社 会发展进步的促进剂，是现代社会经济的先导，是现代工业和现代农业发展的基础， 也是国 防现代化的保证。材料的发展深刻地影响着世界经济、 军事和社会的发展，同时也改变着人 们在社会活动中的实践方式和思维方式，由此极大地推动了社会进步。 2. 材料是经济和社会发展的先导 第一次工业革命，钢铁工业的发展为蒸汽机的发明和利用奠定了基础。 的发明促进了机械制造和铁路运输等行业发展 . 第二次工业革命，合金钢、铝合金及其他非金属材料的发展是此次工业革命的支撑， 电动机的发明奠定基础.使制造业大力迈入电气化时代 同学们大家好，祝贺同学们考入辽宁工程技术大学材料学院。 相信在座同学除了对大学 生活怎么进行规划感到迷茫， 也会对自己所学专业仍然存在疑虑： 材料学是研究什么的？我 们可以在材料学里学到什么呢？学了这个学科有什么用处呢？因此我们开设这门材料科学 与工程专业概论以解答同学们的这些问题，让咱们对材料学从一个感性认识上升到理性认 识。 一、材料的定义 首先第一节我们介绍一下材料的定义。 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。 人类开始大量使 转炉和平炉炼钢
一、名词解释 1.药用高分子材料：主要指在药物制剂中应用的高分子辅料及高分子包装材料。 2.药用高分子材料学：主要介绍一般高分子材料的基础理论知识及药剂学中常用的高分子材料的结构、制备、物理化学性质及其功能与应用。 3.药用辅料：在药物制剂中经过合理的安全评价的不包括生理有效成分或前体的组分。广义上指将药理活性物质制备成药物制剂的各种添加剂，若为高分子则称为药用高分子辅料。 4.高分子化合物（高分子）：分子量很高并由多个重复单元以共价键连接所形成的一类化合物。 5.单体：必须含有能使链增长活性中心稳定化的吸电子基团 6.聚合度：大分子重复单元的个数 7.重复单元：重复组成高分子的最小的结构单元。 7.结构单元：聚合物分子结构中出现的以单体结构为基础的原子团 8.均聚物:在合成高分子时,由一种单体成分反应生成的聚合物。 9.共聚物:由两种或多种不同的单体或聚合物反应得到的高分子。 10.高分子链结构：单个高分子链中原子或基团间的几何排列 11.近程结构：单个大分子链结构单元的化学结构和立体化学结构，又叫一次结构或化学结构 12.远程结构：单个分子在整个分子链范围内的空间形态和构象，又叫二次结构 13.聚集态结构：单位体积内许多大分子链之间的排列、堆砌方式，也称三次结构 14.键接顺序：是指高分子链各结构单元相互连接的方式. 15.功能高分子：具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料。 16.线型高分子：每个重复单元仅与另外两个单元相连接，形成线性长链分子。 17.支化高分子：当分子内重复单元并不都是线性排列时,在分子链上带有一些长短不一的分枝,这类高分子称为支化高分子 18.支链：支化高分子链上带有的长短不一的分枝称为支链。 19.体型高分子或网状高分子：线型高分子或支化高分子上若干点彼此通过支链或化学键相键接可形成一个三维网状结构的大分子，称为体型高分子或网状高分子。 20.交联：由线型或支链高分子转变成网状高分子的过程叫做交联。 21.端基：高分子链终端的化学基团 22.单键内旋转：高分子主链中的单键可以绕键轴旋转，这种现象称为单键内旋转． 25.玻璃化温度Tg： 27.取向态结构：聚合物在外力作用下,分子链沿外力方向平行排列形成的结构。 31.织态结构：不同聚合物之间或聚合物与其他成分之间的堆砌排列。 32.聚合反应：由低分子单体合成聚合物的反应称为聚合反应。 33.加聚反应：单体经过加成聚合起来的反应称为加聚反应，反应产物称为加聚物。 34.自由基引发剂：是在一定条件下能够分解生成自由基，并能引发单体聚合的化合物。 39.自由基共聚合：共聚物若使用自由基作为聚合的引发剂时，称为自由基共聚合。 40.离子型聚合：链增长活性中心为离子的聚合反应称为离子型聚合。 41.活性链：链活性中心直到单体消耗完仍保持活性称为活性链 开环聚合：环状单体在引发剂或催化剂作用下开环，形成线性聚合物的反应。 42.缩聚反应：是由含有两个或两个以上官能度的单体分子间逐步缩合聚合形成聚合物，同时析出低分子副产物的化学反应。 45.本体聚合：不加其它介质，只有单体本身，在引发剂、热、光等作用下进行的聚合反应。 46.溶液聚合：把单体和引发剂溶在适当溶剂中进行聚合。 47.悬浮聚合：是将不溶于水的单体以小液滴状悬浮在水中进行的聚合。 48.乳液聚合：单体在水介质中，由乳化剂分散成乳液状态进行的聚合。
《高分子材料导论》思考题 1、三大材料：（1）金属材料富于展性和延性，有良好的导电及导热性、较高的强度及耐冲击性。 （2）无机材料一般硬度大、性脆、强度高、抗化学腐蚀、对电和热的绝缘性好。 （3）高分子材料的一般特点是质轻、耐腐蚀、绝缘性好、易于成型加工，但强度、耐磨性及使用寿命较差 2、原子之间或分子之间的结合键一般有哪些形式？试论述各种结合键的特点。 离子键：无方向性，键能较大。由离子键构成的材料具有结构稳定、熔点高、硬度大、膨胀系数小的特点。共价键：具有方向性和饱和性两个基本特点。键能较大，由共价结合而形成的材料一般都是绝缘体。金属键：无饱和性和方向性。具有良好的延展性，并且由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电、导热性能。氢键具有饱和性。氢键在高分子材料中特别重要，它是使尼龙这样的聚合物具有较大的分子间力的主要因素。 3、原子排列可分为三个等级：无序排列、短程有序，长程无序、长程有序 材料一般是以固体状态使用的。按固体中原子排列的有序程度，固体有非晶态结构、结晶态结构两种基本类型。 4、非晶态结构：原子排列近程有序而远程无序的结构称为非晶态结构或无定形结构，非晶态结构又称玻璃态结构。共同特点是：结构长程无序，物理性质一般是各向同性的；没有固定的熔点，而是一个依冷却速度而改变的转变温度范围；塑性形变一般较大，导热率和热膨胀性都比较小。 5、—(CH2-CH)n— Cl结构单元：又叫链节，是高分子中重复出现的那部分。聚合度：聚合物分子中，结构单元的数目叫聚合度，用n表示。由一种单体聚合而成的聚合物称为均聚物，由两种或两种以上单体共聚而成的聚合物称为共聚物 6、聚合物(按大分子主链)的分类：(1) 碳链聚合物,是指大分子主链完全由碳原子构成。(2) 杂链聚合物,是指大分子主链中除碳原子外，还有氧、氮、硫等杂原子。(3) 元素有机聚合物,是指大分子主链中没有碳原子，主要由硅、硼、铝、氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基却由有机基团如甲基、乙基、乙烯基、芳基等组成。 按性能和用途分类：根据以聚合物为基础组分的高分子材料的性能和用途分类，可将聚合物分成橡胶、纤维、塑料、粘合剂、涂料、功能高分子等不同类别。 7、塑料的成型加工：挤出、压延、注射、压制、吹塑。 8、聚合物的结构常指哪些方面？大分子链的组成和构造包括哪些方面？试加以论述。 聚合物结构：大分子本身的结构、大分子之间的排列大分子链的组成和构造：大分子链的化学组成：碳链大分子、杂链大分子、元素有机大分子等。大分子链的化学组成不同，聚合物的性能也不相同。结构单元的连接方式：大分子链是由许多结构单元通过共价键连接起来的链状分子。在缩聚过程中，结构单元的连接方式比较固定。但在加聚过程中，单体构成大分子的连接方式比较复杂，存在许多可能的连接方式，如头－尾、头－头或尾－尾
※<习题一> (1) 在酯化反应中丙三醇、乳酸、均苯四甲酸二酐中分别有几个功能团？ (2) 交联聚合物具有什么样的特性？ (3) 分子量为10000的线形聚乙烯（CH2-CH2）、聚丙烯（CH2-CHCH3）、聚氯乙烯 （CH2-CHCl）、聚苯乙烯（CH2-CHC6H5）的聚合度Dp分别为多少？ (4) 下列那些聚合物是热塑性的：硫化橡胶，尼龙、酚醛树脂，聚氯乙烯，聚苯乙烯？ (5) PBS是丁二醇与丁二酸的缩聚产物，其可能的端基结构是什么？ (6) PV A（聚乙烯醇）的结构式如下所示，请按标准命名法加以命名。 (7) 谈谈自己对高分子的认识 ※<习题二> (1) 端基分别为酰氯（-COCl）和羟基（-OH）的单体可以发生缩聚反应生成聚酯，这个反应放出的小分子副产物是什么？ (2) 连锁聚合中包含哪些基元反应？ (3) 偶合终止与歧化终止的聚合产物在分子量上有什么区别？ (4) 从纤维素制备醋酸纤维素，产物的分子量和聚合度与原料相比有什么样的变化趋势？ (5) A和B是两种内酯单体，如果采用羟基化合物为引发剂开环聚合可以制备端基为羟基的聚合产物。现需要制备两端为A链段，中间为B链段的嵌段共聚物，也称为ABA型三嵌段共聚物，请设计一条合成路线来制备这种共聚物。 (6) 简要分析老化与降解之间的关系。 (7) 研究高分子的降解与回收具有什么样的意义？ (8) 简要叙述高分子合成与分子设计的原则。 ※<习题三> (1) 聚乙烯的齐聚物（聚合度低于10）是什么状态的物质？ ）分别conformation、构象（）configuration、构型（）constitution高分子的构造（(2)
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述： 《高分子材料概论》课程是材料科学与工程专业的专业知识教育层面的选修课程。该课程全面介绍了高分子科学和高分子材料的基本知识，同时，简要介绍通用高分子材料及加工工艺，功能高分子材料及新技术研究。 2.设计思路： 该课程的内容共六章，前四章介绍高分子化学和分子物理的基本概念和理论，后两章分别介绍通用高分子材料和功能高分子材料的种类、特性和加工使用方法。学生可在有限的时间内，系统掌握高分子材料科学的基本内容。依据材料的“组成-结构-性能-加工、使用”为主线，综合了解高分子科学全貌。 3.课程与其他课程的关系 该课程是构建于《有机化学》的基础知识之上的，为后续复合材料课程的学习，以及毕业论文和创新创业等实践训练课程提供理论基础。 - 1 -
二、课程目标 通过本课程的学习，使得学生了解高分子科学和高分子材料的基本知识，了解塑料、橡胶、纤维、涂料和粘合剂及功能高分子等各种高分子材料的性能和用途，了解各种高分子材料的加工技能，熟悉高分子材料的各个领域，了解高分子材料科学的发展前沿。 三、学习要求 根据该课程的内容和安排，有部分的知识需要学生自学，这就要求上课注意听讲，积极思考，才能利用讲授的内容进行自学，以便很好完成学习心得。使学生通过学习不仅对高分子科学有所了解，而且具备了一定的自学能力，为今后进一步的学习培养良好的学习习惯和学习方法。 四、教学内容 - 1 -
五、参考教材与主要参考书 1、选用教材（告知学生需要购买的教材） 《高分子材料概论》，吴其晔，2004，机械工业出版社 2、主要参考书 《高分子材料概论》，:张春红等编，2016年，北京航空航天大学出版社 《高分子材料导论》（英文版)，李坚等编，2014年，化学工业出版社 《高分子材料概论》，张镭等编，2006，科学出版社 《高分子材料科学导论》，张德庆等编，1999年，哈尔滨工业大学出版社 六、成绩评定 （一）考核方式 A ：.闭卷考试 B.开卷考试 C.论文 D.考查 E.其他 （二）成绩综合评分体系： 七、学术诚信 学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等，均属造假行为。他人的想法、说法和意见如不注明出处按盗用论处。本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。 八、大纲审核 教学院长：院学术委员会签章： - 1 -
有机高分子材料概述和发展趋势 陈彪 2011327120112 材料科学与工程11（1）班 摘要：有机高分子材料包括木材、棉花、皮革等天然高分子材料和朔料、合成纤维及合成橡胶等有机聚合物合成材料。它们质地轻、原料丰富、性能良好、用途广泛，因而发展速度很快。塑料、橡胶和合成纤维是有机高分子材料的典型的代表，此外，还有涂料和粘合剂等。 关键词：有机高分子材料；发展趋势 高分子材料是由可称为单体的原料小分子通过聚合反应而合成的。绝大部分原料单体为有机化合物。在有机高分子化合物中，除碳原子外，其他主要元素为氢、氧、氮等。在碳原子与碳原子之间、碳原子与其他元素的原子之间能够形成稳定的共价键组成高分子化合物。 人们使用高分子材料的历史很早，由于它们质地轻、原料丰富、性能良好、用途广泛，因而发展速度很快，自20世纪20年代以来，就已经发展了人工合成的各种高分子材料。 高分子材料有各种不同的分类方法。例如，按来源可以分为天然高分子材料和合成高分子材料。按大分子主连接结构可分为碳链高分子材料、杂链高分子材料及元素有机高分子材料等。最常用的是根据高分子材料的性能和用途进行分类。 根据性能和用途，高分子材料可分为橡胶、塑料、纤维、粘合剂、涂料、功能高分子材料以及复合材料等不同的类别。 下面以介绍这几大类高分子材料为主。 1橡胶 橡胶是有机高分子弹性化合物。在很宽的温度范围内具有优异的弹性，所以又称为高弹体。按其来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶是从自然界含胶植物制取的一种高弹物质。合成橡胶是用人工合成的方法制得的高分子弹性材料。 橡胶具有独特的高弹性，还具有良好的疲劳强度、点绝缘性、耐化学腐蚀以及耐磨性等使它成为国民经济中不可缺少和难以代替的重要材料。 2塑料 塑料是以聚合物为主要成分，在一定条件下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料，习惯上包括塑料的半成品，如压塑粉等。 作为塑料基础组分的聚合物，不仅决定塑料的类型而且决定塑料的主要性能。一般而言，塑料用聚合物的内聚能介于纤维与橡胶之间，使用温度范围在其脆化温度和玻璃化温度之间。应当注意，同一种聚合物，由于制备方法、条件及加工方法的不同，常常既可作塑料用，也可做纤维用。 塑料是一类重要的高分子材料，具有质地轻、电绝缘、耐化学腐蚀、容易加工成型等特点，其性能可调范围宽，具有广泛的应用领域。 3纤维 纤维是指长度比直径大很多倍，并具有一定韧性的纤细物质。纤维的特点是分子间次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。 纤维可分为两大类：一类是天然纤维，如棉花、羊毛、蚕丝和麻等，另一类是化学纤维，即用天然或合成高分子化合物经化学加工而制得的纤维。
高分子材料发展史随着生产和科学技术的发展，人们不断对材料提出各种各样的新要求。而高分子材料的出现逐渐满足了人们的需要。并对人类的生产生活产生了巨大的影响。 高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。 高分子材料按来源分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1870年，美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制得的赛璐珞塑料，是有划时代意义的一种人造高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，真正标志着人类应用合成方法有目的的合成高分子材料的开始。1953年，德国科学家Zieglar和意大利科学家Natta，发明了配位聚合催化剂，大幅度地扩大了合成高分子材料的原料来源，得到了一大批新的合成高分子材料，使聚乙烯和聚丙烯这类通用合成高分子材料走人了千家万户，确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。并且高分子材料资源丰富、原料广，轻质、高强度，成形工艺简易。很容易为人所用。 高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中，被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。尽管高分子材料因普遍具有许多金属和无机材料所无法取代的优点而获得迅
高分子发展浅谈 摘要：本文介绍了高分子材料的历史以及在当今社会的重要作用，并简单介绍了高分子材料和材料性能的发展趋势。 关键字：高分子材料、性能、发展趋势。 一、高分子科学 材料、能源、信息是21世纪科学技术的三大支柱，其中材料科学是当今世界的带头学科。材料是一切技术发展的物质基础，人类的生活和社会的发展总是离不开材料，而新材料的出现是推动生活和社会的发展动力。人们使用及制造材料虽已有几千年的历史，但材料成为一门科学——材料科学，仅有30多年的时间，此为一门新兴学科，是一门集众多基础学科与工程应用学科相互交叉、渗透、融合的综合学科，因而对于材料科学的研究，具有深远的意义[9]。 其中，高分子科学作为材料科学发展的带头学科之一，它的发展具有蓬勃的生命力。高分子科学是研究高分子材料化合物的合成、改性，及其聚集态的结构、性能，聚合物的成型加工等内容的一门综合性学科，其主要研究目标是为人类获取高分子新材料提供理论依据和制备工艺。高分子科学具有广阔的开发新材料的背景，二十世纪三十年代首先由有机化学派生出高分子化学，当时恰好处在世界经济飞跃发展的氛围中，对新材料的需求日益迫切，因此高分子化学进而又融合了物理化学、物理学、数学、工程学、医学等有关学科的内容，逐渐形成了高分子科学这门独立的综合性学科，现在的高分子科学已经形成了高分子化学、高分子物理、高分子工程三个分支领域相互交融、相互促进的整体学科。 二、高分子材料的历史 高分子材料是材料领域中的新秀，它的出现带来了材料领域中的重大变革。目前高分子材料在航空航天、国防建设和国民经济等各个领域得到广泛应用，已成为现代社会生活中衣、食、住、行、用各个方面所不可缺少的材料。高分子材料由于原料来源丰富、制造方便、品种繁多、用途广泛、性价比高，因此在材料领域中的地位日益突出，增长最快，产量与于金属、木材和水泥的用量总和持平。高分子材料不仅为工农业生产及人们的日常生活提供不可缺少的材料，而且为发展高新技术提供更多更有效的高性能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料。 高分子材料的发展大致经历了三个时期，即：天然高分子的利用与加工，天然高分子的改性和合成，高分子的工业生产(高分子科学的建立)。
高分子材料导论 2009.5.14 张福 著 高分子聚合物在人类的生活中占有非常重要的地位,举凡衣用的纤维,食品包装,建筑和车,船,飞机等都必须用到高分子聚合物材料.所谓的石油化学工业,90%以上的产品都是与聚合物有关.本章将说明和高分子聚合物相关的名词,以及由小分子化合物形成高分子聚合物的过程. 1.1沿革 产自自然界而为人类所知的聚合物包括有： 1.天然纤维：如棉，毛，丝，麻，纸等。 2.天然橡胶。 3.漆等。 人类对天然聚合物的深度加工，始自1850年左右对天然橡胶的加硫交联和利用碳黑加强其物性。最早商业上市的人工合成聚合物是1909年由L.Baekelend所研发（德国Bayer公司）的由酚与甲醛所缩合（poly condensation）而成的酚醛树脂。由1910年到二次世界大战之间，若干至今仍在使用的聚合物已商业化生产，如PVC（polyvinylchloride，聚氯乙烯），PS（polystyrene，聚苯乙烯），NBR（nitrilerubber，丁腈橡胶），Teflon（聚四氟乙烯）和Nylon6/6（尼龙6/6）等。德国在乳化聚合上做了很多的研究，杜邦公司的Crother兄弟对聚合物的型态做了一些基本的研究和整理工作，也研发出Nylon6/6。
二次世界大战之后，石油化学工业，也就是聚合物工业，正式开始成为化学工业最大的主流。获得诺贝尔化学奖的Zeigler 和Natta，发明了使聚合物单体在聚合反应时，分子能定向或配位（coordinated）排列的配位催化剂（coordination catalyst），而导致可以聚合出分子排列规则而容易形成结晶（crystalline）的聚合物，是聚合物产业上的重要里程碑；后续的Metallocene 催化剂，其配位功能更高于Zeigler Natta催化剂。Paul J。Flory于1953年出版的“Principle of Polymer Chemis-try”，是讨论聚合物物理和化学理论的经典之作，影响迄今。 本书的内容集中于人工合成聚合物。 1.2 聚合物与大分子 聚合物（polymer）是分子量很大的大分子（macromolecule），但是并不是所有的大分子量的化合物都是聚合物。在本节中将依次说明聚合物的定义以及其分子结构和形态。 1.2.1聚合物，结构单元和单体 聚合物是由分子量较小的重复（repeating）单元[亦称之为结构（structure）单元]所组成，也只有重复单元所组成的大分子才能称之为聚合物。 聚合反应（polymerization）的原料称之为单体（monomer），是低分子量化合物；单体在经过聚合反应之后形成结构单元，结构单元以化学键（chemical bond）连接为聚合物。表1-1列出了若干单体，聚合物及结构单元。
_| II 章：高分子材料概论 2.8有机硅材料 |[ 2.8.2主要有机硅的合成单体 2.8.3 _主要有机硅聚合物性能和应用简 IT 2.8.4思考题 2.8.1有机硅材料概述’ II 一、医用高分子的定义 “有机硅就是指一种元素有机化合物，凡是硅原子上- I I I r —接有传统的有机基团的（烃及其衍生物1）都叫有机硅，这实际上是一个最广义的定义。19世纪人们对以碳为骨架的有机化合物认 识比较多了，因此对碳的同族元素硅有了 I L I I 主要内容: 2.8.1有机硅材料概述 |[
极大的兴趣，想发现像碳族物质一样的奇迹，从研究甲 硅烷（SiH4或叫硅甲烷）到研究硅烯（Si = Si化合物），投入 I I I r _|
了不少力量，收效甚微，但人们却发现了许多甲硅烷的 衍生物并不难获得，先后合成了卤代硅烷、烃代硅烷、 烃氧基硅烷等等，并制定了相应的命名原则。 II 20世纪20年代之后，高分子学科形成并迅速发展， 许多科学家致力于研究硅 烷的水解缩合反应，希望制得 像玻璃一样的耐热性有机（半有机）聚合物。到三十年代， 研究取得长足进展，先后合成厂有机硅树脂和线性聚合 二物，其主要骨架是一 Si — 0 — Si —O — Si ，通称为聚硅氧= 烷，后来简称为“有机硅”， 起来的聚硅氧烷类化合物，尤其是高分子聚合物，称为 “有机硅”，后来又把合成 地称为“有机硅”。“ 再后来又把一些可作单体，也可作其它用途的一些 I 低分子（如现在常说的硅烷偶联剂）也归入“有机硅”。现 在合成了一些不是一 Si — 0— Si —O 骨架，而是一Si —Si —Si 骨架的聚合物，还叫有机硅。不过我们 通常讲的“有 II 机硅”，仍然是SilicOne 的含义，即指聚硅氧烷高分子物 质，并略微扩大到合成它们的单体，因为现在许多单体 己商品化了，统称它们为“有机硅单体”，也可简称“有 II 机硅”。 按照中国习惯，根据聚硅氧烷的结构特征，把那些 含有体型结构或者具有可交 联基团，以利于形成网状立 体结构的预聚物称为有机硅树脂，简称硅树脂 。把线性 聚合物中分子量较小的，叫有机硅抽，常称为硅油 其中分子量较大的、可以适当硫化的则叫有机硅橡胶， 常简称硅橡胶二。根据单体或主链上侧基的种类，又在硅 II 'I Il 中国的习惯是把那些聚合 “有机硅”--的单体，也笼统 - II 。而
一、工科：偏合成的：浙江大学（国内高分子鼻祖，尤其在合成方面）、华东理工、北京化工大学、清华大学；偏加工和应用的：四川大学、华南理工、东华大学（原中国纺织大学）、上海交通大学 理科：偏合成的：北京大学（好像北大遥遥领先，其他象南开、南京大学明显差一些）；偏性能形态研究的：南京大学、复旦大学、北京大学 5－10年这个行业发展都会不错。 二、高分子材料与工程就业前景分析高分子材料与工程专业排名一览表 【北京市】清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学、北京化工大学、北京服装学院、北京石油化工学院、北京工商大学 【天津市】天津大学、天津科技大学 【河北省】河北工业大学、河北科技大学、河北大学、燕山大学 【山西省】太原理工大学、华北工学院 【辽宁省】大连轻工业学院、沈阳化工学院、大连理工大学、大连轻工业学院、沈阳工业大学、沈阳工业学院 【吉林省】吉林大学、长春工业大学、吉林建筑工程学院 【黑龙江省】哈尔滨工业大学、哈尔滨理工大学、齐齐哈尔大学、东北林业大学 【上海市】复旦大学、华东理工大学、东华大学、上海大学 【江苏省】江苏大学、南京理工大学、江南大学、扬州大学、南京工业大学、江苏工业学院、江苏大学、南京林业大学、华东船舶工业学院 【浙江省】浙江大学、浙江工业大学 【安徽省】中国科学技术大学、合肥工业大学、安徽大学、安徽建筑工业学院、安徽工业大学、安徽理工大学 【福建省】福建师范大学 【江西省】南昌大学、华东交通大学 【山东省】山东大学、青岛大学、青岛科技大学、济南大学、烟台大学六 【河南省】郑州大学、河南科技大学、郑州轻工业学院 【湖北省】湖北大学、武汉理工大学、湖北工学院、武汉化工学院、武汉科技学院、湖
高分子材料工程技术专业（中德技术学院）人才培养方案 一、专业代码、名称 530602，高分子材料工程技术（专科） 二、培养目标 培养具有良好的思想道德品质和强烈的社会责任感，具备国际视野、科学素养和人文素养，掌握高分子材料工程技术专业的基础知识和专业知识、橡塑材料加工与测试的基本技能，能在橡胶工业、塑料工业及高分子复合材料、功能智能高分子材料等各部门从事橡塑制品及复合材料等结构设计、配方设计、加工成型、模具设计及产品制造、工艺管理的工程技术人才。 三、培养要求 本专业要求学生掌握自然科学、工程基础知识和专业知识，掌握高分子材料领域的基本理论与基本技能，提高学生分析和解决工程实践问题的能力。 本专业的毕业生应达到以下知识与能力的培养要求： 1.具有科学素养、社会责任感和工程职业道德； 2.掌握高分子化学、高分子物理和橡塑加工的基本原理和基本理论； 3.掌握橡塑原材料、加工工艺、成型模具及设备等方面的基本知识； 4.掌握橡塑制品结构以及模具的设计方法及计算机辅助设计技能； 5.具有对新产品、新工艺和新技术进行实验研究和应用开发的初步能力； 6.掌握高分子功能材料和智能材料等领域前沿发展趋势，具有终身学习能力。 四、主干学科 材料科学与工程、化学 五、核心知识领域 高分子化学、高分子材料合成原理、橡塑材料的结构与性能、橡塑材料的加工工艺、橡塑制品的结构设计、橡塑制品的加工设备与成型模具等。 六、核心课程 材料科学基础、高分子化学、高分子物理、高分子材料分析测试方法、橡胶工艺学、塑料成型工艺学、橡塑制品设计等。 七、主要实践性环节 认识实习、橡塑制品课程设计、毕业实习与毕业设计（论文）。 八、修业年限及最低学分要求 基本修业年限3年。毕业最低学分要求105学分。其中，必修课76学分，专业选修课6学分，通识选修课4学分，实践教学环节19学分。实践教学(含实验、上机及独立实践教学环节)学分占总学分数比例为30.2%。 九、教学计划进程及课程学分（学时）分配表
第一章高分子材料学 1、影响高分子材料性能的化学因素有哪些？ 答：高分子材料的化学结构，即构成元素的种类及其连接方式（重复结构单元的特性）、端基、支化与交联、结构缺陷、基团的空间位置等是决定其性能的主要化学因素。 2、按高分子材料的主链构成元素可将其分成哪几类？试举例。答：（1）碳链高分子主链以碳－碳共价键相联结而成，大多由加聚反应制得，分子间主要以次价力（范德华力）或氢键相吸引而显示一定强度，耐热性较低，不易水解。如PE、PP、PVC、PS、PMMA 等。 （2）杂链高分子由碳－氧、碳－氮、碳－硫等以共价键相联结而成，主要是由缩聚反应或开环聚合制得。特点是链刚性较大，耐热性和力学性能较高，但一般易水解、醇解或酸解。如PET、PA、PF、POM、PSF、PEEK等。 （3）元素有机高分子主链中常含硅、磷、硼等，常见的为有机硅高分子化合物，热稳定性好，具有较好的弹性和塑性，高耐热性是其特征。 3、影响高分子材料性能的物理因素有哪些？ 答：一、相对分子质量及其分布；二、结晶性；三、粒径与粒度分布； 四、成型过程中的取向；五、熔体粘度与成形性 4、相对分子质量对高分子材料制品的哪些性能影响较大，哪些性 能影响较小？
答：受相对分子量影响大的性能有：拉伸强度、弯曲强度、弹性模量、冲击强度、玻璃化转变温度、熔点、热变形温度、熔融粘度、溶液粘度、溶解性、溶解速度等。 受相对分子量影响较小的性能有：比热、热传导率、折射率、透光性、吸水性、透气性、耐化学药品性、热稳定性、耐候性、燃烧性等。5、高分子材料相对分子质量分布与其成型性及制品性能的关系任 何？为兼顾成型性和制品的性能，可采取什么措施？ 答：对于塑料制品，一般要求相对分子量分布较窄，这样成型加工性和制品性能都较均一。相对分子量分布过宽说明其中存在相对分子量偏低和过高部分。当相对分子量偏低部分所占比例过高时，有利于改善加工性能，但力学性能、耐热性、热稳定性、电气绝缘性能和耐老化性能均有下降；而当相对分子量过高的部分比例过高时，则塑化困难，影响制品的内在质量，降低外观质量，甚至出现象“鱼眼”一样的未塑化颗粒。对于塑料的成型加工来说，相对分子量分布可适当宽些。往往采用双峰分布的树脂，其相对分子量高的部分赋予制品优良的机械性能，而相对分子量低的部分则提供足够的成型加工流动性。对于合成纤维，则希望相对分子量分布尽可能窄些。 6、高分子化合物的哪些链结构因素有利于其结晶？ 答：有利于结晶性的因素有： 1）链结构简单，重复结构单元较小，相对分子量适中； 2）主链上不带或只带极少的支链； 3）主链化学对称性好，取代基不大且对称；
高分子材料与工程专业 高分子材料科学与工程是研究高分子材料的设计、合成、制备以及结构、性能和加工应用的材料类学科。本专业面向传统和新兴的诸如塑料、橡胶、纤维、涂料、石油化工、纺织、新能源、海洋、国防等各类行业，培养具有高分子材料与工程专业的基础知识和专业知识，了解材料科学与工程领域的相关专业知识，能在高分子材料的设计、合成、表征、改性、加工成型及应用等领域从事科学研究、技术开发、工艺设计、生产及经营管理等方面工作的高级科学和工程技术人才。高分子材料正在向高性能化、高功能化、智能化、低污染、低成本方向发展，逐渐渗透到航天航空、现代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和环境保护等各个新兴高技术领域，在未来发展中具有广阔的应用前景。 高分子材料科学与工程专业基础课程有高等数学、外语、普通物理、计算机文化基础、化工机械基础、基础化学、有机化学、物理化学、基础课实验、化工原理，专业核心课程包括高分子化学、高分子物理、高分子科学实验、聚合物加工工程、聚合物制备工程、聚合物表征，专业方向分为塑料加工工程、弹性体加工工程、高分子材料制备工程、复合材料四个模块课程群，学生可在四年级选择其中一个方向学习。专业开设有二十余门研究性前沿课程和多门国际化课程，学生在校内就能接受到国内外学术大师的培养和熏陶。本专业非常注重实践能力和工程能力的培养，开设的实践课程有金工实习、社会实践、电工电子实习、认识实习、高分子专业实验、毕业环节、素质拓展与创新、应用软件实践、生产实习、军事训练，开设的工程设计类课程有工程制图、机械设计基础、材料力学、自动化仪表、化工原理以及四个专业方向的工艺课、设计课以及实践课。此外，专业课程学习还涵盖了英语、计算机、通识教育、素质拓展、技术经济与企业管理等，使学生在语言能力、计算机能力、个人素养、管理能力等方面均衡发展，培养具有良好专业素质和创新精神的综合型高级科学和工程技术人才。 材料科学与工程专业 材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。按物理化学属性，材料可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。本专业旨在培养能够在金属材料、无机非金属材料和复合材料等领域从事科学研究、技术开发、工程设计、技术和经济管理等方面的工作的高级专业人才。 信息、材料和能源被誉为当代文明的三大支柱。以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料又是信息、能源的重要物质基础，例如磁记录、芯片等信息技术的硬件要有材料作为物质保证；太阳能、燃料电池等能源技术要依靠材料提供的催化等功能。 未来人们对材料的结构可以进行更为精细的分析，从原子层次深入到电子层次，从而对材料性能有更深入的理解，进而根据性能需求制备出特殊结构的材料，如纳米复合结构，满足不同场合对材料性能的特殊需要，如智能材料、催化材料、能源材料、信息记录材料、生态环境材料等。 这个专业的专业基础课程和专业方向课程包括： 基础化学、大学化学实验、有机化学、物理化学、工程制图、计算机绘图、机械设计基础、应用电工学、化工原理、材料导论、C语言程序设计、VB语言程序设计、微机原理、文献查阅与科技写作、技术经济与企业管理、计算机在材料科学中的应用、科技报告与演讲、材料概论、材料物理、材料化学、材料合成制备
02任选五题，每题20分 1.试述材料在人类社会发展中的作用。1. 2.试述复合材料的分类、性能特点及发展趋势。 3.试述特种陶瓷制备工艺、应用及发展趋势。 4.简述金属材料的强化机制。 5.试述玻璃的结构。 6.聚合物的力学三态及特点。 7.试比较五大硅酸盐水泥的异同点。 03论述题（总分150分，每题30分） 1.特种陶瓷与传统陶瓷的区别，特种陶瓷的制备、应用及发展趋势。 2.光导纤维的导光原理及应用前景。 3.聚合物的结构、性能与应用。 4.复合材料定义、分类、特性及发展趋势。 5.论述你对材料学的认识。 04每题30分，任选五题 1.论述金属材料的晶体结构及物理性能之间的关系。 2.试述高温结构陶瓷的种类及特点。 3.试述非晶态聚合物三种力学状态及其与晶体聚合物的异同。 4.试述聚合物基复合材料的性能及用途。 5.试述玻璃的熔制工艺过程。 6.论述材料学研究现状与发展趋势。
05 (1—6题必做，7、8任选一题) 1.材料的分类及应用.(20分) 2.常见特种玻璃有哪些?举例说明两种特种玻璃原料、加工工艺、功能原理、应用领域。(25分) 3.试述陶瓷材料的显微结构。(20分) 4.试述金属材料热处理方法。(20分) 5.试述高聚物的结构.(20分) 6.试进复合材料种类、月途和发展趋势(25分) 7.新型高分子材料的种类、特点和发展趋势(20 分) 8.试谈对电介质陶瓷的理解和认认。(20分) 06 1、概述材料在国民经济中的地位及作用。(20分) 2、金属材料热处理及相变特征。(20分) 3、试述纳米材料的特性及应用。(20分) 4、举例说明功能陶瓷制备，性能及应用。(30分) 5、高分子材料结构、性能特点及应用，请举例说明。(30分) 6、试比较聚合物基复合材料与金属基复合材料的结构、性能及应用特征。(30分) 07 1.陶瓷制备的一般工艺及结构特点。(20分) 2.举例说明材料性能与成分、结构及制备之间的关系。(25分) 3.金属材料强度提高的途径与方法。(25分) 4.试说明高分子新材料研究现状、应用及发展趋势。(25分) 5.复合材料的复合原理，并说明纤维增强和颗粒增强的机理。(25分) 6.举例说明材料在人类社会发展进步中的地位与作用(30分)
Define the following terms. 1.Monomer, Oligomer, the repeating unit 2.Thermoset and Thermoplastic 3.Condensation polymerization and Free radical polymerization reaction 4.Alternating copolymer, Block copolymer 5.Branched Polymer, syndiotactic polymer, atactic polymer 6.Crosslinking, vulcanization 7.Configuration，Conformation 8.Glass Transition Temperature 9.Melt index，Melt fracture，Die swell https://www.doczj.com/doc/8b7712524.html,pression molding, Extrusion, Injection and Blow molding Multiple choices. 1.Tire cords, the film used as backing for magnetic recording tape in audio and video cassettes, and plastic soft-drink bottles are all composed of what polymers?(D) LDPE better a. poly(tetrafluoroethylene四氟乙烯) b.high-density polyethylene高密度聚乙烯 c.nylon d.poly(ethylene terephthalate)聚对苯二甲酸乙二酯 2.What term is used to indicate a polymerization that occurs without the growth of a chain monomer by monomer, but instead occurs as monomers form dimers, dimers form tetramers, etc.? (C) a. Non-chain b. Discontinuous c. step-growth d. irregular-increment 3.Who developed catalysts that can produce, exclusively, either isotactic or syndiotactic polymers? (B) a.Carothers （尼龙的发明者） b.Ziegler and Natta c.Staudinger d.Goodyear 4.Who gave the macromolecular hypothesis（大分子假设）？ (C) a.Carothers b.Ziegler and Natta c.Staudinger d.Goodyear(发现硫化) 5.Fabrics or films made of which of the following polymers are most sensitive to damage from solutions of strong bases? (A) a. Nylon b. Polyethylene c. poly(vinyl chloride)