第三章功能高分子材料
3．1 概述
功能高分子是高分子化學的乙個重要領域，它是研究各種功能性高分子材料的分子設計和合成、結構和效能關係以及作為新材料的應用技術。它主要包括化學功能高分子材料、光功能高分子材料、電、磁功能高分子材料、聲功能高分子材料、高分子液晶、醫用高分子材料幾部分，這一領域的研究主要包括研究分子結構、組成與形成各種特殊功能的關係，也就是從巨集觀乃至深入到微觀，以及從半定量深入到定量，從化學組成和結構原理來闡述特殊功能的規律性，從而探索和合成出新的功能性材料。
3．1．1 功能高分子材料的概念和分類
高分子材料按其使用效能可以分為結構高分子材料和功能高分子材料，結構高分子材料具有較高的比剛度和比強度，可以代替金屬作為結構材料，如我們熟知的工程塑料和聚合物基複合材料。
對功能高分子材料，目前尚未有明確的定義，一般認為是指除了具有一定的力學功能之外還具有特定功能（如導電性、光敏性、化學性和生物活性等）的高分子材料，所謂材料的功能，從根本上說，是指向材料輸入某種能量，經過材料的傳輸轉換等過程，再向外界輸出的一種作用。材料的這種作用與材料分子中具有的特殊功能的基團和分子結構分不開的。
請注意，不可將功能高分子和功能高分子材料混為一談，這兩者是有明顯區別的。功能高分子材料從組成和結構上可以分為結構型和複合型兩大類。結構型功能高分子材料是指在高分子鏈中具有特定功能基團的高分子材料，這種材料所表現的特定功能是由高分子本身的因素決定的。
構成結構型功能高分子材料中的高分子叫功能高分子，而複合型功能高分子材料，是指以普通高分子材料為基體或載體，與具有某些特定功能（如導電、導磁）的其它材料進行復合而製得的功能高分子材料，這種材料的特殊功能不是由高分子本身提供的。
功能高分子材料涉及範圍廣、品種繁多，還未有統一的分類方法，一般按其使用功能來分類，大致可以分為以下幾類：
（1）化學功能高分子材料
主要包括離子交換樹脂，高分子催化劑、高分子試劑、螯合樹脂、高分子絮凝劑和高吸水性樹脂等。
（2）光功能高分子材料
主要包括感光高分子材料、光導材料、光致變色材料、光電材料、光記錄材料等。
（3）電、磁功能高分子材料
說要包括導電高分子材料、超導高分子材料、壓電和熱電高分子材料、高分子駐極體、磁功能高分子材料等。
（4）聲功能高分子材料
主要包括吸音功能高分子材料，聲電功能有高分子材料等。
（5）生物和醫用高分子材料
主要包括人工器官材料、骨科和牙科材料、藥物高分子材料、固定酶、感測器、醫用粘合劑，可吸收的縫合材料及仿生高分子材料。
值得注意的是，有些功能高分子材料同時兼有多種功能，而且不同功能之間還可以相互轉換並交叉，如光電功能的高分子材料可以說具有光功能，也可以說具有電功能，因此以上劃分是相對的。
功能高發子材料除按其功能分類外，還可按其**分為天然功能高分子材料，半合成功能高分子材料和合成功能高分子材料三大類。
3．1．2 功能高分子材料的功能設計原理與方法
所謂功能設計，就是賦予高分子材料特殊功能的方法，其主要途徑是：
（1）通過分子設計合成功能高分子。這裡包括高分子結構設計和官能團設計。為此目的，必須掌握高分子結構與功能性之間的關係。
例如，在高分子結構中引入感光功能基團，就可以合成感光高分子，分子設計完成後，就是選擇合適的合成方法。合成主要有兩種途徑，一是含有功能基的單體經過加聚或縮聚等反應製備，二是利用現有的高分子，通過高分子化學反應引入預期的功能基。
由功能基單體製備功能高分子的優點是功能基含量高，（每乙個鏈節都含有功能基），功能基在分子鏈上分布均勻。但帶功能基的單體合成比較困難，功能基和可聚合的基團都有活性，在合成過程中要注意保護，因此這些單體比較貴。利用高分子化學反應製取功能高分子。
優點是高分子骨架是現成的，可選擇的高分子固體多，**低、**廣。但在進行高分子化學反應時，反應不可能百分之百完成，尤其在多步化學反應中，功能基含量低，在分子鏈上分布也不均勻。儘管如此，目前功能高分子大多還是通過高分子化學反應製備。
（2）通過特殊加工賦於高分子材料功能特性，如高分子材料通過薄膜化可制得各種分離膜，而這些分離膜可廣泛應用於滲透、透析、超濾等分離工藝中，還有一些高分子材料通過纖維化可製光學纖維等。
（3）通過兩種或兩以上具有不同功能的材料進行復合，製成複合型功能材料，這是目前製備功能材料使用最廣泛的方法，這種方法工藝簡單、材料**豐富、成本低。例在絕緣高分子材料中加入導電填料（碳黑、金屬粉末或金屬絲）可製得導電高分子材料。如果加入磁性填料（如鐵氧體或稀土類磁粉）則可製成高分子磁性材料。
3．2 化學功能高分子材料
3．2．1 離子交換樹脂
離子交換是化學反應的一種形式，100多年前，英國人thompson和way就發現了土壤中的離子交換過程，從而引起人們的極大注意。第一種離子交換樹脂的合成在2023年。由adams和holmes合成，是酚醛型離子交換樹脂。
後來各種型別的離子交換樹脂不斷出現，應用範圍不斷擴大，現已發展成用途極為廣泛的一類功能高分子材料。
一、離子交換樹脂的分類
定義：離子交換樹脂是具有離子交換功能的一類高分子材料的總稱，這類材料在其大分子骨架的主鏈上帶有許多化學基團，這種化學基團是由兩種帶有相反電荷的離子組成，一種是以化學鍵和主鏈結合的固定離子，另一種是以離子鍵與固定離子結合的反離子，反離子可以離解成自由移動的離子，並在一定條件下可與周圍的其它型別的離子進行交換， 這種離子反應是可逆的，在一定條件下，這種交換上的離子可以解吸，從而使離子交換樹脂再生，重複使用。
1．分類：根據交換基團的性質進行劃分
（1）強酸性陽離子交換樹脂：帶有酸性基團，可離解的是h+或金屬陽離子，能與陽離子進行交換，這種樹脂的大分子骨架上大多帶有磺酸基，以r代表高分子骨架，這種樹脂用r—so3h表示，在水溶液中發生如下解離：
rso3hrso3-+h+，這種樹脂的酸性與硫酸、鹽酸相近，在鹼性、中性、甚至酸性溶液中都可解離。
例：強酸性聚苯乙烯陽離子交換樹脂：
（2）弱酸性陽離子交換樹脂：帶有—cooh， —po3h2、— oh官能團的離子交換樹脂是弱酸性陽離子交換樹脂，以含—cooh官能團的用途最廣。
這種離子交換樹脂只能在水中或鹼性溶液中解離。顯示交換功能。
例：弱酸性甲基丙烯酸系陽離子交換樹脂，結構式為：
在水中解離式為r—coohrcoo-+h+
（3）強鹼性陰離子交換樹脂：帶有鹼性基團，即可解離的反離子是羥基或其它酸根離子，能與陰離子進行交換，稱為陰離子交換樹脂，交換基團是季胺鹼是強鹼型陰離子交換樹脂，在水中離解為：
其中，把帶三甲胺基的稱為i型樹脂，把帶二甲基羥基胺[—n(ch2)2ch2ch2oh]的稱為ii型樹脂。
這類樹脂鹼性強，可以在中性、酸性，甚至鹼性中解離進行交換反應。
例（4）弱鹼性陰離子交換樹脂：交換基團為—nh2、—nhr』、—nr2』。在水中的解離反應式如下：
（5）其它樹脂
a) 螯合樹脂：在多取大分子鏈上帶有螯合基團的樹脂稱為螯合離子交換樹脂，它對特定離子具有特殊交換能力。
例特點是對銅離子選擇吸附性強。
螯合樹脂按下列方式吸附：
b) 兩性樹脂：將陽離子交換基和陰離子交換機連在同乙個高分子鏈上，就構成兩性樹脂。例：
2．離子交換樹脂還可以根據其物理結構分為：凝膠型、大孔型和載體型三類樹脂。
二、離子交換樹脂的合成
主要有兩種方法，一種是將帶有功能基的單體聚合，另一種是先製備聚合物，然後在大分子骨架上引入功能基。
1．聚苯乙烯系離子交換樹脂：是以苯乙烯和二苯乙烯共聚物為母體制得的一類離子交換樹脂，品種多、效能好、用途廣，是離子交換樹脂中最主要的品種。
①共聚物球粒的製備：苯乙烯和二苯乙烯以過氧化苯甲醯為引發劑，在以聚乙烯醇為懸浮穩定劑的水中加熱，並激烈攪拌、進行懸浮聚合，最終制得共聚物球粒。
②交換基團引入
a) 強酸性陰離子交換樹脂的合成
b) 陰離子交換樹脂的合成
2．聚丙烯酸型離子交換樹脂：由丙烯酸與二乙烯苯在過氧化物催化下懸浮共聚，得到效能良好的球狀共聚物，然後，水解、氨解即可制得弱酸性陽離子交換樹脂和各種陰離子交換樹脂。①
②制弱酸性陽離子交換樹脂：鹼性條件下水介即成。
③制陰離子交換樹脂：氨解，與二甲氨基丙胺反應，可製得陰離子交換樹脂。
例： 如果再將帶有叔胺的弱鹼性樹脂放入鹼性介質中，通入氯甲烷進行反應，即可制得季胺基的強鹼性陰離子交換樹脂。
三、離子交換樹脂的效能
1．物性
①穩定性：離子交換樹脂一般對酸穩定性高，對鹼較低，陰離子交換樹脂對鹼都不很穩定。耐氧化性不同種類樹脂差別較大，聚苯乙烯型樹脂耐氧化性較好，一般說，交取度越高，耐氧化性越好。
——化學穩定性。
離子交換樹脂幹樹脂在空氣中受熱容易使骨架及功能基降低而破壞，通常鹽基比酸型、鹼型熱穩定性好。例磺化聚苯乙烯、陽離子樹脂可在150℃下使用，而其氫型只能在100℃-120℃使用。——熱穩定性。
離子交換對脂的力學效能包括強度、耐磨、耐壓等效能隨交聯度增加而增加。——力學穩定性。
②外觀：離子交換樹脂的形狀、顏色，隨種類、製備方法及用途有很大差別，但一般都成0.4mm-0.8mm粒徑的膠狀顆粒，以增大表面積，減少對流體阻力。
2．化性
①離子交換反應：是離子交換樹脂最基本最重要的效能。
中性鹽分解反應：（強酸強鹼樹脂）：
中和反應：
復分解反應：
②交換容量：也叫交換量，是指一定數量的離子交換樹脂所帶的可交換離子的數量，它是表示離子交換樹脂質量的重要指標，反映了樹脂對離子的交換吸附能力。
為了方例起見，通常將交換容量分為總交換容量，工作交換容量和再生交換容量。
總交換容量，表示單位量樹脂中所具有的可交換離子的總數，它反映了離子交換樹脂的化學結構特點。
工作交換容量：指離子交換樹脂在一定條件下表現出的交換容量，它是離子交換樹脂實際交換能力的量度。
再生交換容量：是指離子交換樹脂在指定再生劑條件下的交換容量。
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功能高分子材料複習提要
答案僅供參考 一 名詞解釋 1 功能高分子材料 指與常規聚合物相比，除了具有一定的力學效能之外，還具有特定功能 如導電性 光敏性 催化性 化學活性和生物活性等 的高分子材料。2 功能高分子材料化學 以功能高分子材料為研究物件，研究它們的結構和組成 物理化學性質 製備方法及其應用的科學，就稱為功能高分...
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