7 功能高分子材料的制备

第一章功能高分子材料概述1.高性能高分子材料定义：对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。

2.功能高分子材料定义：当受外部刺激时，能以化学或物理方式，表现出与常规高分子明显不同的物理化学性质并具有某些特殊功能的高分子。

3.功能高分子材料的构效关系：是指功能高分子材料结构变化与所引起性能变化之间的因果关系。

4.功能高分子中官能团的作用①功能取决于所含官能团如：高分子氧化剂中的过氧酸基 N，N-二取代联吡啶的电致发光功能季胺基、磺酸基的离子交换功能②官能团与聚合物骨架协同作用固相合成试剂(聚对氯甲基苯乙烯)③官能团与聚合物骨架不同区分主链型聚合物液晶(致晶原在主链上)导电高分子(具有线性共轭结构的聚乙炔、聚苯胺)④官能团只起辅助作用改善溶解性、降低Tg5.功能高分子中聚合物骨架的作用①稳定作用、离子交换树脂中的三维网状高分子②机械支撑作用③模板作用,高分子骨架的空间限制立体选择合成及光学异构体的合成6.聚乙烯醇的制备及与小分子化合物反应使其功能化的路线。

聚醋酸乙烯酯用甲醇醇解可制得聚乙烯醇。

酸和碱都有催化作用。

聚乙烯醇的功能化7.功能高分子的制备技术①功能性小分子的高分子化功能性小分子的高分子化可利用聚合反应，如共聚、均聚等；也可将功能性小分子化合物通过化学键连接的化学方法与聚合物骨架连接，将高分子化合物作为载体；甚至可通过物理方法，如共混、吸附、包埋等作用将功能性小分子高分子化。

如：将小分子过氧酸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；N, N－二甲基联吡啶经过高分子化后，可将其修饰固化到电极表面，便可以成为固体显色剂和新型电显材料；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已有高分子材料的功能化利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架，从而改变聚合物的物理化学性质，赋予其新的功能。

一、高分子化学试剂和高分子催化剂有哪些优点？高分子试剂与高分子催化剂的优越性（1）简化操作，后处理较简单：在反应完成后可方便地借助固-液分离方法将高分子试剂或高分子催化剂与反应体系中其他组分相互分离。

（2）易回收、再生和重复使用:可降低成本和减少环境污染。

（3）可以提高试剂的稳定性和安全性:（4）可应用于组合化学合成，实现化学反应的自动化:（5）化学反应的选择性更高:利用高分子载体的空间立体效应，可实现立体选择合成及分离。

(6) 可以提供在均相反应条件下难以达到的反应环境；高分子化学试剂：参与化学反应并消耗掉自身将低分子的底物、试剂负载到不可溶的高分子上进行有机化学反应与常规的有机合成方法相比具有相当的优越性高分子催化剂：活化能低，引发速率快，即活性大，可以在室温或更低的温度下引发聚合；引发效率相对较低。

（反应前后不发生化学变化）高分子负载催化剂由于其特殊的大分子结构，表现出小分子催化剂无法比拟的特点。

以催化功能为主、协同功能作用为辅同时进行的一个催化过程。

二、功能高分子材料的制备策略有哪些？试举例说明。

1、功能小分子材料的高分子化有两种途径：（1）功能型可聚合单体的聚合法：首先合成可聚合的功能型单体, 然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物。

（2）聚合物包埋法2、已有高分子材料的功能化，化学改性主要是利用接枝反应在聚合物骨架上引入活性功能基, 从而改变聚合物的物理化学性质, 赋予其新的功能。

（1）聚合物功能化的化学改性法（2）聚合物功能化的物理共混法3、多功能材料的复合以及已有功能高分子材料的功能扩展。

将两种以上功能高分子材料的复合, 在功能高分子材料中引入第二种功能基和扩展已有功能高分子材料功能的过程, 叫功能高分子材料的多功能复合与功能扩展。

（1）功能高分子材料的多功能复合。

如：单向导电聚合物的制备: 带有可逆氧化还原基团的导电聚合物, 其导电方式没有方向性。

如果将带有不同氧化还原电位的两种聚合物复合在一起, 放在两电极之间, 即呈现出单向导电性。

高分子材料的合成在现代材料科学领域中，高分子材料凭借其独特的性能和广泛的应用领域而备受关注。

高分子材料的合成是一项重要的研究课题，本文将深入探讨高分子材料的合成方法，包括常用的聚合反应、共聚反应和后掺等技术。

一、聚合反应聚合反应是制备高分子材料的常见方法之一。

聚合反应通过将单体分子在一定条件下连接成长链高分子分子，使其具备特定的结构和性质。

聚合反应的条件包括适宜的温度、催化剂和反应时间等。

1. 自由基聚合反应自由基聚合反应是一种常用的聚合方法，通过引入自由基引发剂，使单体分子中的双键发生开裂并与其他自由基连接形成长链高分子。

自由基聚合反应适用于合成聚乙烯、聚丙烯等高分子材料。

2. 阳离子聚合反应阳离子聚合反应是基于阳离子引发剂的一种聚合方法，适用于含有极性官能团的单体。

阳离子聚合反应可用于合成聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料。

3. 阴离子聚合反应阴离子聚合反应是基于阴离子引发剂的一种聚合方法，适用于含有负电荷的单体。

阴离子聚合反应常用于合成聚氯乙烯、聚苯乙烯等高分子材料。

二、共聚反应共聚反应是将两种或多种不同的单体分子通过聚合反应连接成高分子结构的方法。

共聚反应可以在一定程度上调节高分子材料的性能，扩展其应用范围。

1. 无定型共聚反应无定型共聚反应是一种常见的共聚反应方法，通过在反应体系中同时引入不同单体分子，使其共同参与聚合反应形成无定型高分子结构。

无定型共聚反应适用于制备聚酯醚、聚酰胺等高分子材料。

2. 嵌段共聚反应嵌段共聚反应是一种将两种或多种单体分子以片段的形式依次连接成高分子结构的方法。

嵌段共聚反应可以控制高分子材料的结晶行为和热性能，并能制备具有特定功能的材料。

三、后掺后掺是一种将低分子化合物（后掺剂）加入到高分子材料中，通过化学反应使其与高分子链发生结合的方法。

后掺可以在材料表面改善性能、调节形态和增加功能等。

1. 共价后掺共价后掺是一种通过共价键连接后掺剂和高分子链的方法。

1. 功能高分子: 功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。

2. 高分子效应:功能高分子在参与化学反应时所表现出来的与小分子性能差别的特殊效应。

3. 高分子试剂：由起骨架作用的聚合物与起化学反应作用的化合物或活性基团相结合，吸取双方优点而发展起来的一类化学试剂。

4. 固相合成：使用不溶性高聚物为载体，通过其活性基团将反应物之一固定在高分子载体上，使有机合成在固相上进行的方法。

5. 相转移催化剂：用于反应物从一相向另外一相的转移，使实体与底物发生化学反应的试剂。

6. 光导高分子：指那些在受光照射前本身电导率不高，但是在光子激发下可以产生某种载流子，并且在外电场作用下可以传输载流子，从而可以大大提高其电导率的材料。

7.派尔斯相变：派尔斯相变是一种由晶格畸变引起的导体一一半导体(或绝缘体)转变.8. 热致型液晶：指由单一化合物或由少数化合物的均匀混合物形成的液晶。

通常在一定温度范围内才显现液晶相的物质。

9. 正性光刻胶：曝光部分发生光化学反应溶于显影液，而未曝光部分不溶于显影液，仍留在衬底上，将与掩膜上相同的图形复制到衬底上。

10. 超晶格：固溶体发生有序化转变后不同种原子在晶格中呈有秩序排列的晶体结构。

物两大类。

15. 组织工程：是指利用生物活性物质，通过体外培养或构建的方法，再造或者修复器官及组织的技术16. 高分子胶束：利用两亲性高分子材料的亲、疏水链段的相互作用形成的核-壳结构。

二、简答题1. 功能高分子有哪些结构层次？1）功能高分子的元素组成。

2）功能高分子材料的官能团组成。

3）功能高分子链结构的分子结构。

4）功能高分子的微观构象和聚集状态。

5）功能高分子的宏观构象。

2. 与小分子反应试剂相比，高分子试剂有那些优点？1）是产物分离纯化过程简化。

2）提高反应的专一性。

3）提高反应选择性。

4）利于合成反应的自动化。

3. 高分子固相合成中对载体有和要求？1）在体系中不溶解。

2）高比表面积或一定溶胀性。

功能高分子材料复习提要〔答案仅供参考〕一．名词解释：1．功能高分子材料：指与常规聚合物相比，除了具有一定的力学性能之外，还具有特定功能(如导电性、光敏性、催化性、化学活性和生物活性等)的高分子材料。

2．功能高分子材料化学：以功能高分子材料为研究对象，研究它们的构造和组成、物理化学性质、制备方法及其应用的科学，就称为功能高分子材料化学。

3．构造型功能高分子材料：是指在大分子链中具有特定功能基团的高分子材料，这种材料所表现的特定功能是由于高分子本身的构造因素决定的。

4．复合型功能高分子材料：是指以普通高分子材料为基体或载体，与具有某些特定功能(如导电、导磁等)的其它材料进展复合而制得的功能材料。

5．渗透系数：是指在单位时间、单位膜面积通过的被测物与单位膜厚度所施加的驱动力的比值。

6．高分子骨架的邻位效应：在功能高分子材料中，高分子骨架上邻近功能基团的一些构造和基团对功能基的性能具有明显的影响力，这种作用称为高分子的邻位效应。

7．高分子骨架的模板效应：模板效应是指利用高分子骨架的空间构造，包括构型和构象，在其周围建立起特殊的局部空间环境，在有机合成和其他应用场合提供一个类似于工业上浇铸过程中使用的模板的作用。

8．聚合物的半透性：指聚合物对某些气体或液体有一定透过性，而对另外一些物质没有透过性，或者透过性很小。

9．一次功能：指向材料输入的能量和从材料输出的能量同种形式时，即材料仅起能量传送作用时的这种功能称为一次功能。

10．二次功能：指向材料输入的能量和输出的能量不同形式时，即材料起能量转换作用时的这种功能称为二次功能。

11．功能高分子材料的多功能复合：将两种以上的功能高分子材料以某种方式结合，形成的新的功能材料具有任何单一功能高分子均不具备的性能，这一结合过程被称为功能高分子材料的多功能复合过程。

12．阳离子交换树脂：带有酸性基团(即可解离的反离子是H+或金属阳离子)，能与阳离子进展交换反响的称作阳离子交换树脂。

功能高分子材料的分类按照性质和功能分为7种：反应型高分子材料：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。

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。

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。

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、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。

吸附型高分子材料：包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。

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。

高性能工程材料：如高分子液晶材料，耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料、生物降解高分子等按用途分类：医药用高分子材料、分离用过高分子材料、高分子化学反应试剂、高分子染料。

反应型高分子材料高分子试剂：氧化还原型试剂，卤代试剂，酰化试剂，烷基化试剂，亲核试剂，亲电试剂，固相合成试剂。

高分子反应试剂——小分子试剂经高分子化，在某些聚合物骨架上引入反应活性基团，得到具有化学试剂功能的高分子化合物。

特点：在反应体系中不溶解，易除去；立体选择性好；稳定性好；特殊应用，固相反应载体。

高分子催化剂——将小分子催化剂通过一定的方法与高分子骨架结合，得到的具有催化活性的高分子物质。

反应型高分子试剂优点：不溶性；多孔性；高选择性；化学稳定性；可回收再利用。

催化反应按反应体系的外观特征分为两类：①均相催化反应：催化剂完全溶解在反应介质中，反应体系成为均匀的单相。

②多相催化反应：与均相催化反应相反，在多相催化中催化剂自成一相，反应过后通过简单过滤即可将催化剂分离回收。

高分子催化剂种类：高分子酸碱催化剂；高分子金属络合物；高分子相转移催化剂；固定化酶。

固相反应生物活性大分子一般合成很慢，Merrifield利用固相合成大大缩短合成时间。

第一章1.什么是材料的功能，什么是材料的性能，举例说明。

第1页材料的功能，从本质上来说是向材料输入某种能量和信息，经过材料的储存、传输或转换等过程，再向外输出的一种特性。

如化学性、导电性、磁性、光敏性、生物活性等。

材料的性能是指材料对外部作用的表征与抵抗的特性，如对外里的抵抗表现为强度、模量，对热的抵抗表现为耐热性，对光、电、化学药品的抵抗表现为材料的耐光性、绝缘性、耐化学药品性等。

2.功能高分子材料的制备方法以及各自的特点。

第4页方法：（1）功能性小分子的高分子化，高分子化学反应引入预期的功能基团。

功能性小分子的高分子化主要优点在于可以使生成的功能高分子功能基团分布均匀，生成的聚合物结构可以通过小分子分析和聚合机理加以预测，产物的稳定性高，但这种方法需在功能性小分子中引入可聚单体，从而使反应较为复杂，同时在反应中反应条件对功能基团会产生一定的影响，需对功能集团加以保护，使材料的成本增加。

例如，高吸水性树脂可以通过将亲水性基团的丙烯酸钠进行自由基聚合实现。

利用高分子化学反应制备功能高分子的主要优点在于合成或天然高分子骨架是现成的，可选择的高分子母体多，来源广，价格低廉。

但是在进行高分子化学反应时，反应不可能100%完成，尤其是在多不得高分子化学反应中，制的的产物中含有未反应的官能团，即功能集团较少，功能基团在分子链上的分布也不均匀。

例如聚苯乙烯、尼龙、淀粉都可以作为高分子母体。

（2）通过特殊加工赋予高分子的功能特性。

许多聚合物通过特定的加工方法和加工工艺，可以较精确地控制其聚集状态结构及宏观状态，从而使之体现出一定的功能性。

例如，许多塑料可以经过适当的制膜工艺，制成具有分离功能的多孔膜和致密膜。

（3）通过普通聚合物与功能材料的复合，制成复合型功能高分子材料。

这种制备方法简便快速，不受场地和设备限制，不受聚合物和功能性化合物官能团反应活性的影响，适用范围宽，功能基团的分布较均匀。

但其共混体不稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物易由于功能小分子的流失而逐步失去活性，如固定化酶。

一 填空题
1 从工程应用上讲，高分子材料可分为 结构高分子材料 功能高分子材料 从定义上又可将功能分为 一次功能 二次功能
2 功能高分子材料的制备方法 将功能性小分子高分子化 在高分子中引入功能基团 另外可通过 普通的聚合物与功能材料 制备 复合 类型 功能高分子材料
3 按吸附树脂的 化学结构，吸附树脂有 非极性 中极性 强极性吸附树脂
4 膜的制备方法 烧结法 拉伸法 径迹蚀刻法 相转化法
5 光降解的三种形式 无氧光降解过程 有氧参与的光降解过程 有光敏剂参与的光降解过程
6 纳米材料的纳米效应 小尺寸效应 表面效应 宏观量子效应 ，对性能的影响
7 纳米材料的制备方法 ，特点
二 简答题
1 说明制备高分子材料的途径，有什么优缺点
2 不用聚合反应，如何由功能小分子制备功能高分子
3用良溶剂和不良溶剂，哪一种致孔剂所得的树脂孔径大，为什么
4 如何提高离子交换树脂的交联度
5 什么是致密膜？什么是多孔膜？它们各自的用途
6 光降解机理？如何提高降解能力？
7 纳米复合材料除增强曾塑外，还有什么功能
B卷
1 功能高分子的特点，什么是材料的一次和二次功能
2 为什么对高分子进行改进？如对聚苯乙烯可采用什么方法进行改进？
3 影响高吸水性树脂吸水能力的因素
4 提高离子交换树脂交联度对性能的影响
5分离膜的分离机理，简述不同结构膜的分离机理6
7如何制备无机/聚合纳米复合材料。

新材料科学导论期末复习题（有答案版）一、填空题：1.材料性质的表述包括力学性能、物理性质和化学性质。

2.化学分析、物理分析和谱学分析是材料成分分析的三种基本方法。

3.材料的结构包括键合结构、晶体结构和组织结构。

4.材料科学与工程有四个基本要素，它们分别是：使用性能、材料的性质、制备/加工和结构/成分。

5.按组成和结构分，材料分为金属材料，无机非金属材料，高分子材料和复合材料。

6.高分子材料分子量很大，是由许多相同的结构单元组成，并以共价键的形式重复连接而成。

7.复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。

8.聚合物分子运动具有多重性和明显的松弛特性。

9.功能复合材料是指除力学性能以外，具有良好的其他物理性能并包括部分化学和生物性能的复合材料。

如有光，电，热，磁，阻尼，声，摩擦等功能。

10.材料的物理性质表述为光学性质、磁学性质、电学性质和热学性质。

11.由于高分子是链状结构，所以把简单重复（结构）单元称为链节，简单重复（结构）单元的个数称为聚合度。

12.对于脆性的高强度纤维增强体与韧性基体复合时，两相间若能得到适宜的结合而形成的复合材料，其性能显示为增强体与基体的互补。

（ppt-复合材料，15页）13.影响储氢材料吸氢能力的因素有：（1）活化处理；（2）耐久性（抗中毒性能）；（3）抗粉末化性能；（4）导热性能；（5）滞后现象。

14.典型热处理工艺有淬火、退火、回火和正火。

15.功能复合效应是组元材料之间的协同作用与交互作用表现出的复合效应。

复合效应表现线性效应和非线性效应，其中线性效应包括加和效应、平均效应、相补效应和相抵效应。

16.新材料发展的重点已经从结构材料转向功能材料。

17.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三种基本类型：①功能小分子固定在骨架材料上；②大分子材料的功能化；③已有功能高分子材料的功能扩展；18.材料的化学性质主要表现为催化性能和抗腐蚀性。