功能高分子材料性能与结构的关系.doc

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1、功能高分子结构与性能的关系0908010105 张丹摘要: 本文介绍了功能高分子材料的结构对其性能的影响,主要包括功能高分子的官能团结构、聚合物骨架、微观结构。微观结构又包括高分子骨架的物理效应、机械支撑作用、邻位效应等。关键词: 功能高分子材料;结构;性能Abstract: This paper introduces functional polymer material structure have several influences on its performance, mainly including functional polymer functional group stru

2、cture, polymer skeleton, microstructure. The ifluences of microstructure include mainly the physical effect of polymer skeleton,the function of mechanical support, effect of ortho,etc.keywords :Functional polymer materials ; structure ;performance;1.1功能高分子的定义功能高分子材料是一直到20世纪70年代才形成的一个分支，其一般指具有传递、转换或贮

3、存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。它是世纪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。 1.2功能高分子的性能一随着对功能高分子的研究越来越深入，一些专著将功能高分子材料的功能宽泛地划分如下四类： 1）化学功能：主要指离子交换、催化、氧化还原、光聚合、光交联、光分解、降解、固体电解质、微生物分解等。 2）物理功能：上要指导电、热电、压电、焦电、电磁波透过吸收、热电子放射、超导、形状记忆、

4、超塑性、低温韧性、磁化、透磁、电磁屏蔽、磁记录、光致变色、偏光性、光传导、光磁效应、光弹性、耐放射线、x射线透过、x射线吸收等。 3）介于化学和物理之间的功能：主要指吸附、膜分离、高吸水、表面活性等。 4）生物或生理功能：主要指组织适应性、血液适应性、生物体内分解非抽出性、非吸附性等。1.3功能高分子的分类功能高分子材料一般可从按上述功能分为以下四类： 1）属于化学功能的功能高分子材料有：感光高分子、氧化还原树脂、离子交换树脂、高分子催化剂、高分子试剂、光降解塑料、固体电介质等。 2）属于物理功能为主的功能高分子材料有：导电高分子、压电高分子、高分子极驻体、旋光性高分子、高分子载体、磁记录高分

5、子、高分子颜料及荧光体，高分子发光体等。3）属于化学、物理之间的复合的功能高分子材料有：高分子吸附剂、絮凝剂、表面活性剂、染料、功能膜、稳定剂、高吸水材料等。 4）属于生物生理功能的功能高分子材料有：医用高分子、高分子医药、高分子农药、生物降解性塑料。1.4功能高分子结构与性能的关系高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。功能高分子材料之所以能够在应用中表现出许多独特

6、的性质，主要与其化学组成、分子结构、聚合物的微观构象、聚集态和宏观形态有密切关系。功能高分子材料的各个结构层次都有可能对功能高分子的功能产生影响。1.4.1官能团为性能主体 当官能团的性质对材料的功能起主要作用时，高分子骨架仅仅起支撑、分隔、固定和降低溶解度等辅助作用。比如高分子氧化剂中的过氧羧基，具有电显示功能的N,N二取代联吡啶结构，侧链聚合物液晶中的刚性侧链，离子交换树脂中的季铵基和磺酸基等就属于这一类型官能团。它们常常在小分子中就能够表现出类似作用。高分子化过程往往使上述的这些性能得到改善和提高。在高分子过氧酸中过氧羧基是氧化反应的活性官能团，聚苯乙烯高分子骨架在试剂中仅仅起提高试剂的

7、稳定性和降低溶解性的作用，如下图1例。电活性聚合物中N，N二取代联吡啶结构是氧化还原中心，对氧化还原变色行为起主要作用，如下图2例所示。也有以聚合物骨架为功能的主效应，而官能团为辅助效应的。如利用引入官能团改善溶解性能、降低玻璃化温度、改变润湿性和提高机械强度等作用；如在主链型液晶聚合物的芳香环上引入一定体积的取代基可以降低其玻璃化温度，从而降低使用温度。在高分子膜材料中引入极性基团可以改变润湿性。在这种情况下，这类官能团很重要，没有它们就别说功能，但是它们对功能的贡献是辅助结构。1.4.2聚合物骨架为功能主体 官能团与聚合物骨架在形态上不能区分，也就是说官能团是聚合物骨架的一部分，或者说聚合

8、物骨架本身起着官能团的作用。这方面的例子包括主链型聚合物液晶和导电聚合物。电子导电型聚合物是由具有线性共轭结构的大分子构成，如聚乙炔、芳香烃以及芳香杂环聚合物。线性共轭结构是高分子骨架，同时它们对导电过程起主要作用。主链型聚合物液晶也有类似的情况。1.4.3微观结构与功能的关系 功能高分子的微观结构与功能的关系主要是指功能材料中聚合物骨架的高分子效应。观察大量高分子化合物与低分子化合物，带有同样功能官能团的高分子化合物与类似的低分子化合物，其化学和物理性质不尽相同。这是高分子骨架产生的高分子效应。这种效应表现在许多方面，有物理性质方面的，也有化学性质方面的。 (1)高分子骨架的物理效应 高分子

9、骨架的引入，最直接的作用是使小分子功能材料的挥发性和溶解性均大大下降，特别是引入交联型聚合物，使其在溶剂中只能溶胀，而不能溶解。可以提高功能材料的稳定性，同时有利于消除或降低某些材料的不良气味和毒性。使固相的功能材料易于与液相分离，使高分子试剂容易回收再生，高分子催化剂可以反复多次使用。重要的是使固相合成成为现实。将某些性能优异的络合剂、萃取剂等通过高分子化过程，可以制成用途广泛的络合树脂和吸附性树脂。利用其不溶性质在水处理、环境保护、化学分析等方面得到广泛应用。 (2)高分子骨架的机械支撑作用 由于大部分功能高分子材料中的功能基团是连接到高分子骨架上的，因此起支撑作用的高分子骨架对功能基的性

10、质和功能产生许多重要影响。比如，在相对刚性的聚合物骨架上稀疏地连接功能基，制成的高分子试剂具有类似合成反应中的“稀释”作用，各功能基团之间减少相互干扰。同样在聚合物骨架上相对密集地连接功能基团，可以得到由官能团相互作用而产生的“浓缩”状态。 (3)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结构和基团对功能基具有影响，比如在离子交换树脂中离子交换基团附近如果有一个氧化还原基团，通过控制该基团的带电状态，将直接控制离子交换树脂的离子交换能力。 (4)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结构，包括高分子构型和构象，在其周围建立起特殊的局部空间环

11、境，在应用时提供一个场所或场，形如浇铸过程中使用的模板。这种作用与酶催化反应有相近的效应，特别有利于立体选择性合成，甚至光学异构体的合成。 (5)聚合物的半透性和包络作用 多数聚合物都具有一定的半透性，即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。交联聚合物在溶胀状态下形成的大网状结构，也为物质分子透过提供了条件。这种透过性在发挥功能材料的作用上有着重要意义。用物理法制备的固化酶正是利用了这种效应，使小分子得以透过聚合物与酶接触反应，而酶本身则被该聚合物包络固化。高分子缓释药物的缓释作用，聚合物修饰电极中聚合物修饰层的选择性都是依靠聚合物的半透性和包络作用。1.4

12、.4宏观结构与功能的关系 功能高分子的宏观结构对其功能的发挥产生很重要的影响。宏观结构包括了聚合物的形态，如粉末、颗粒或球形、膜结构或块结构等，更细微地包括表面的粗糙度、微孔的数目和形态以及孔隙率等。 聚合物的形态以及含有孔的结构总体常用比表面积、孔隙率、孔体积和平均孔径等参数表示。这些参数在吸附、离子交换、多相反应等过程中都是重要的，很大程度上影响高分子吸附剂、高分子试剂、高分子催化剂等功能高分子的使用性能，也是考察高分子功能膜的重要参数。 综上，高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。因此从结构而真正掌握功能高分子材料的性能对于继续研究和开发高分子材料在生活各个方面是非常重要的，这要求认真我们学习的高分子材料的结构，从事实质上把握它的性质，以便在生活中能让其发挥更大的作用。参考文献 1 王正伟,刘吉平,王君,吴光波新型功能高分子材料研究, 北京理工大学材料科学与工程学院, 现代化工2007.112徐军, 新型功能高分子材料的研究与应用, 纺织高校基础科学学报, 2002.9 3陈佳佳,功能高分子材料的制备及研究进展, 河南省郑州大学材料科学与工程学院J.2012.6 4李家瑞, 功能高分子材料,中国石油抚顺石化公司J.2011.11