1、第三节第三节功能高分子材料功能高分子材料第五章第五章 进入合成高分子化合物的时代进入合成高分子化合物的时代时代周刊时代周刊评出评出2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项发明，其中项发明，其中“尿不湿尿不湿”榜上有名榜上有名 为什么为什么“尿不湿尿不湿”能评为能评为2020世纪最伟大的世纪最伟大的100100项项发明呢发明呢?最初是为谁专门设计的呢？最初是为谁专门设计的呢？美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人唐鑫源唐鑫源成为成为“尿不湿尿不湿”的发明人，后来他被誉为美国的发
2、明人，后来他被誉为美国“太空服之父太空服之父”。美国从美国从美国从美国从1959195919591959起甄选的起甄选的起甄选的起甄选的7 7 7 7位宇航员合影位宇航员合影位宇航员合影位宇航员合影太空服之父太空服之父太空服之父太空服之父唐鑫源唐鑫源唐鑫源唐鑫源“神舟神舟”系列上天的航天员都使用了系列上天的航天员都使用了“尿不湿尿不湿”航天员专用航天员专用“尿不湿尿不湿”1 1克能吸收约克能吸收约10001000克水克水 ，吸水性远强于一般婴儿使用的吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿尿不湿”“尿不湿尿不湿”是航天产品是航天产品“下凡下凡”的成功典范！现的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特
3、殊成人使用的，在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，更有趣的是有些宠物也系上了更有趣的是有些宠物也系上了“尿不湿尿不湿”出门溜出门溜达，以保护公共卫生。达，以保护公共卫生。资料显示：资料显示：19871987年年，英国，英国一次性尿布销一次性尿布销售利润达售利润达2 2亿英亿英镑。设想一下镑。设想一下我们中国这样我们中国这样一个人口大国，一个人口大国，利润有多么惊利润有多么惊人！人！吸水吸水前前吸水吸水后后尿不湿吸水前后的变化尿不湿吸水前后的变化你了解你了解“尿不湿尿不湿”的材料吗？它应该有什么性能的材料吗？它应该有什么性能？“尿不湿尿不湿”起作用的物质是一种起作用的物质是一种功能高分子功
4、能高分子材料，材料，具有具有很强的吸水能力很强的吸水能力。它所用的材料是高吸水性树脂。它所用的材料是高吸水性树脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠（常用网状结构的聚丙烯酸钠 ）（课本）（课本P114P114）1.1.定义：具有新型骨架结构的高分子材料定义：具有新型骨架结构的高分子材料和和在天然或合成高分子的主链或支链上引入在天然或合成高分子的主链或支链上引入某种功能的官能团，使其显示出某种功能的官能团，使其显示出在光、电、在光、电、磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特磁、声、热、化学、生物、医学等方面的特殊功能殊功能的高分子。的高分子。一、功能高分子材料一、功能高分子材料(1).(1).化学功能化学
5、功能离子交换树脂离子交换树脂、高分子试剂高分子试剂、高分子催化剂高分子催化剂、分解性高分子等。分解性高分子等。(2).(2).物理功能物理功能 导电性高分子导电性高分子、高分子光电导体、高分子显示、高分子光电导体、高分子显示材料、高分子光致变色材料等。材料、高分子光致变色材料等。(3).(3).复合功能复合功能 高分子功能膜、高分子功能膜、高分子吸附剂、高分子表面活高分子吸附剂、高分子表面活性剂、高分子染料、高分子稳定剂等。性剂、高分子染料、高分子稳定剂等。(4).(4).生物、医用功能生物、医用功能 抗血栓、控制药物释放和抗血栓、控制药物释放和生物活性生物活性等等 。（按照功能来分类）（按照
6、功能来分类）2.分类分类高吸水性树脂的结构特征：高吸水性树脂的结构特征：a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；能够与水分子形成氢键；b.b.树脂具有树脂具有交联结构交联结构；c.c.聚合物内部具有较高的离子浓度；聚合物内部具有较高的离子浓度；d.d.聚合物具有较高的分子量。聚合物具有较高的分子量。二、常见功能高分子材料二、常见功能高分子材料1、高吸水性树脂高吸水性树脂思考：如何思考：如何以带有强亲水性原子团的化合以带有强亲水性原子团的化合物物CHCH2 2=CHCOOH=CHCOOH制得网状聚丙烯酸钠？制得网状聚丙烯酸钠？高吸水性
7、树脂加交联剂的目的是变线型结构高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。耐挤压。吸水吸水前前吸水吸水后后纤维素的结构简式纤维素的结构简式 传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？发现其每个链节上都有发现其每个链节上都有OHOH，它是一种亲水基，它是一种亲水基 如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。思考：思考：思考：思考：强吸水能力的功能高分子材料除了用于强吸水能力的功能高分子材料除了用于“尿不尿不湿湿”，还有哪些用途？，还有哪些用途？P114
8、P114 保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，反复吸水、释水反复吸水、释水“微型水库微型水库”。同时，它还能吸收肥料、。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑等。农业、林业、园艺、建筑等。上世纪上世纪7070年代发展起来的亲水隐形眼镜具有年代发展起来的亲水隐形眼镜具有特点：特点：吸收相当于自重吸收相当于自重80%80%水，才变得柔软、透水，才变得柔软、透气、舒适、戴时长气、舒适、戴时长 制备隐形眼镜所用的原料主要是
9、制备隐形眼镜所用的原料主要是丙烯酸羟乙酯丙烯酸羟乙酯（CHCH2 2=CHCOOCH=CHCOOCH2 2CHCH2 2OHOH）邮票背胶邮票背胶吸湿性强吸湿性强粘贴力强粘贴力强对人体无害对人体无害离子交换树脂是离子交换树脂是带有官能团带有官能团(有交换离子的活性有交换离子的活性基团基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。是。是最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有H H+离离子结构，能交换各种阳离子的称为子结构，能交换各种阳
10、离子的称为阳离子交换树脂阳离子交换树脂，含有含有OHOH离子结构能交换各种阴离子的称为离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交阴离子交换树脂换树脂。它们主要用于它们主要用于水的处理水的处理。离子交换膜还可以用于。离子交换膜还可以用于饮用水处理、饮用水处理、海水淡化海水淡化、废水处理、牛奶和酱油的脱、废水处理、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜电池隔膜。2、离子交、离子交换树脂脂离子交换树脂离子交换树脂酶属于高分子催化剂。酶属于高分子催化剂。3、高分子催化、高分子催化剂 人工合成的方法模拟酶，将人工合成的方法模拟酶，将金属化合物结合在金属化合物结合在
11、高分子配体上，开发高活性、高选择性的高效催化高分子配体上，开发高活性、高选择性的高效催化剂剂，这种，这种高分子催化剂称为高分子金属催化剂高分子催化剂称为高分子金属催化剂。已有的研究工作表明，高分子金属催化剂对已有的研究工作表明，高分子金属催化剂对加加氢反应、氧化反应、硅氢加成反应、羰基化反应、氢反应、氧化反应、硅氢加成反应、羰基化反应、异构化反应、聚合反应异构化反应、聚合反应等具有很高的催化活性和选等具有很高的催化活性和选择性，而且易与反应物分离，可回收重复使用。择性，而且易与反应物分离，可回收重复使用。高分子分离膜的材料主要有高分子分离膜的材料主要有醋酸纤维素、聚酰胺、醋酸纤维素、聚酰胺、聚
12、苯并咪唑、磺化聚苯醚聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纤维素膜透水量等。醋酸纤维素膜透水量大，脱盐率高，价格便宜，应用普遍。大，脱盐率高，价格便宜，应用普遍。海水淡化海水淡化的的原理是利用只允许溶剂透过，不允许溶质透过的半原理是利用只允许溶剂透过，不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。透膜，将海水与淡水分隔开的。4、高分子分离膜、高分子分离膜高分子分离膜的特点：高分子分离膜的特点：能够能够有选择地有选择地让某些物质通过，而把另外一让某些物质通过，而把另外一些物质分离掉。些物质分离掉。高分子分离膜的应用：高分子分离膜的应用：生活用水、工业废水等废液的处理；海水、生活用水、工业废水等废液的处理
13、；海水、苦咸水的淡化；苦咸水的淡化；浓缩天然果汁、乳制品加工、酿酒各种能源浓缩天然果汁、乳制品加工、酿酒各种能源的转换的转换 能从海水中分离出淡水的逆渗透膜已达到大规能从海水中分离出淡水的逆渗透膜已达到大规模使用的阶段，它也是一种半透膜，只让水分子通模使用的阶段，它也是一种半透膜，只让水分子通过，而使含盐的低分子溶质几乎不能通过，施加一过，而使含盐的低分子溶质几乎不能通过，施加一定的压力后，就能使水加速挤出。采用不同结构的定的压力后，就能使水加速挤出。采用不同结构的逆渗透膜就可以获得工业锅炉水、饮料水、无菌水、逆渗透膜就可以获得工业锅炉水、饮料水、无菌水、去离子水、洗涤半导体的超纯水等。在非洲
14、一些缺去离子水、洗涤半导体的超纯水等。在非洲一些缺水地区建立起不少海水淡化装置。一种水地区建立起不少海水淡化装置。一种PEC1000的海水淡化装置对海水如加压的海水淡化装置对海水如加压4070公斤公斤/平方厘米，平方厘米，就可以得到就可以得到1620的淡水。建于沙特阿拉伯的的淡水。建于沙特阿拉伯的基塔自来水厂，是世界上最大的海水淡化厂，日供基塔自来水厂，是世界上最大的海水淡化厂，日供应淡水应淡水12000吨，主要使用醋酸纤维素分离膜装置。吨，主要使用醋酸纤维素分离膜装置。分离膜具有神奇的魔术师般的本领，从下分离膜具有神奇的魔术师般的本领，从下面的实验中不难领会。将一瓶含酒精面的实验中不难领会。
15、将一瓶含酒精4.5的的普通啤酒用水稀释成两瓶，然后倒入玻璃容普通啤酒用水稀释成两瓶，然后倒入玻璃容器内，只要将这种溶液通过薄薄的一层分离器内，只要将这种溶液通过薄薄的一层分离膜，就能够在几分钟内提取出酒精浓度达膜，就能够在几分钟内提取出酒精浓度达93的乙醇。这种乙醇用一根火柴就能点燃。的乙醇。这种乙醇用一根火柴就能点燃。这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场，这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场，促使乙醇溶解、扩散、和水分离，所耗电能促使乙醇溶解、扩散、和水分离，所耗电能仅为蒸馏法的十分之一。在过去要从液体中仅为蒸馏法的十分之一。在过去要从液体中分离另一种液体，只能使用蒸馏法。分离另一种液体
16、，只能使用蒸馏法。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对某些特定离子对某些特定离子或分子或分子有选择性亲和作用有选择性亲和作用的高分子材料的高分子材料。吸附树脂的吸附性不仅受到结构和形态等内在因素吸附树脂的吸附性不仅受到结构和形态等内在因素的影响，还与使用环境关系密切：温度因素，树脂周的影响，还与使用环境关系密切：温度因素，树脂周围的介质。围的介质。一般可分为一般可分为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。5、高分子吸附、高分子吸附剂6、导电高分子材料高分子材料具有半导体性质的聚乙炔膜具有半导体性质的聚乙炔膜科学视野医用高分子材料医用高分子材料 具有优异的具
17、有优异的 ，较少受到，较少受到 ，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。如：如：制作人体的皮肤、骨骼、眼、喉、心、肺、肝、制作人体的皮肤、骨骼、眼、喉、心、肺、肝、肾等各种人工器官。如：人工心脏、人工关节、人造肾等各种人工器官。如：人工心脏、人工关节、人造鼻等。鼻等。等。等。生物相容性生物相容性 排斥排斥人造关节人造关节人工肾脏人工肾脏人工膝关节人工膝关节 一张柔软的纸，白中透出微黄，一张柔软的纸，白中透出微黄，这张不起眼的这张不起眼的“白纸白纸”就是填补就是填补国内空白的高科技国内空白的高科技“人造皮肤人造皮肤”。这种这种“人造皮肤人造皮肤”能帮助伤口尽能帮助
18、伤口尽快恢复。比如烧烫伤，把水泡的快恢复。比如烧烫伤，把水泡的水放出，用药清洗后，将水放出，用药清洗后，将“人造人造皮肤皮肤”敷贴在伤口上，很快敷贴在伤口上，很快“人人造皮肤造皮肤”就和人的身体长在一起，就和人的身体长在一起，成了真的皮肤。成了真的皮肤。人造皮肤人造皮肤人人造造血血管管人造心脏人造心脏人造膝关节人造膝关节迈克尔迈克尔-杰克逊杰克逊-世界世界著名流行歌手著名流行歌手医用高分子及用途医用高分子及用途 人造心脏人造心脏硅橡胶、聚氨酯橡胶硅橡胶、聚氨酯橡胶人造血管人造血管聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯隐开眼镜隐开眼镜聚甲基丙烯酸羟乙酯、有机硅橡胶聚甲基丙烯酸羟乙酯、有机硅橡胶人造
19、肾人造肾醋酸纤维、聚酯纤维醋酸纤维、聚酯纤维人造鼻人造鼻聚乙烯聚乙烯 有机硅橡胶有机硅橡胶人造骨、关节人造骨、关节聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯人造肌肉人造肌肉硅橡胶和绦纶织物硅橡胶和绦纶织物人造皮肤人造皮肤硅橡胶、聚多肽硅橡胶、聚多肽人造角膜、肝脏，人工红血球、人工血浆、食道、尿道、腹膜人造角膜、肝脏，人工红血球、人工血浆、食道、尿道、腹膜7、高分子传感膜：、高分子传感膜：功能：把化学能转换为电能功能：把化学能转换为电能 主要应用：发电、开发新型电池主要应用：发电、开发新型电池8、高分子热电膜：、高分子热电膜：功能：把热能转换为电能功能：把热能转换为电能 主要应用：发电、开发新能源主要应用
20、：发电、开发新能源隐形材料隐形材料B2飞机的整个机身，飞机的整个机身，除主梁和发动机机舱除主梁和发动机机舱使用的是钦复合材料外，其它部分均由碳纤使用的是钦复合材料外，其它部分均由碳纤维和石墨等复合材料构成，不易反射雷达波。维和石墨等复合材料构成，不易反射雷达波。并且，这些不同的复合材料部件不是靠铆钉并且，这些不同的复合材料部件不是靠铆钉拼合，而是经高压压铸而成。另外，矾翼的拼合，而是经高压压铸而成。另外，矾翼的前缘还全部包覆上了一层特制的吸波材料前缘还全部包覆上了一层特制的吸波材料(RAM)。位于机翼前部、内装雷达扫瞄天线。位于机翼前部、内装雷达扫瞄天线阵列的两个方形突出部件，也采用了特殊的阵
21、列的两个方形突出部件，也采用了特殊的吸波材料。此外，吸波材料。此外，B2A的整个机体都喷涂的整个机体都喷涂上了特制的吸波油漆，这在很大程度上降低上了特制的吸波油漆，这在很大程度上降低了敌方探测雷达的回波。了敌方探测雷达的回波。1 1、定义：指两种或两种以上材料组合成的、定义：指两种或两种以上材料组合成的一种新型材料。其中一种做为一种新型材料。其中一种做为基体基体，另外材，另外材料做为料做为增强剂增强剂。2 2、性能：具有、性能：具有 等优异性能，在综合性能上超过了单一材料。等优异性能，在综合性能上超过了单一材料。强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀3、应用、应用宇宙航空
22、工业、汽车工业、机械工业、体育用品等宇宙航空工业、汽车工业、机械工业、体育用品等三、复合材料三、复合材料玻璃钢玻璃钢玻玻 璃璃 钢钢 游游 艇艇玻璃钢冷却塔玻璃钢冷却塔玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工玻璃钢产品在化工、石油、建筑、体育、国防、航空航天工业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用业包括神州五号载人飞船等高端技术领域发挥重要作用复合材料玻璃钢复合材料玻璃钢碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐的大、密度比铝的小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有
23、许多宝热钢还耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。贵的电学、热学和力学性能的新型材料。目前，目前，人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能人们还不能直接用碳或石墨来抽成碳纤维，只能采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、采用一些含碳的有机纤维（如尼龙丝、腈纶丝、人造丝等）做原料，将人造丝等）做原料，将有机纤维跟塑料树脂结合有机纤维跟塑料树脂结合在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下在一起，放在稀有气体的气氛中，在一定压强下强热炭化而成强热炭化而成，而碳纤维零件都是把碳纤维经过，而碳纤维零件都是把碳纤维经过高温高压制做而成的。高温高压制做而成的。碳纤维碳纤维研制新材料研制新材料 高分子智能材料高分子智能材料 超导材料超导材料 光电转换材料光电转换材料 生物材料生物材料 光解水催化剂光解水催化剂 热电膜热电膜 传感膜传感膜仿生高分子材料仿生高分子材料旧材料改进推广旧材料改进推广 新型导电塑料、电磁屏蔽材料等新型导电塑料、电磁屏蔽材料等
