功能高分子材料.ppt
第五章 功能高分子材料,某些物质的结晶受热熔融或被溶剂溶解之后，虽然失去固态物质的刚性，而获得液态物质的流动性，却仍然保存着晶态物质分子的有序排列。在物理性质上呈现各向异性。形成一种兼有晶体和液体部分性质的过渡状态，这种中间状态称为液晶态。处在这种状态下的物质称为液晶。,1.液晶态,一、基体概念,5.1 液晶高分子,偏光显微镜下的高分子液晶,SONY 104 OLED TV,Transparent white OLEDs by Philips,Samsung 14-inch Transparent-OLED-Laptop,OLED,ITRI 4.1 Flexible AMOLED prototype,/,液晶 Liquid crystals(LCs),液晶是介于晶态和液态之间的一种热力学稳定的相态，它既具有晶态的各向异性(由于晶格的排列使得晶体各个方向的性能 不同，例如石英的导热速率)，又具有液态的流动性,2.小分子液晶的分类,向列型：分子排列只有取向有序，分子排列一维有序 近晶型 胆甾型 碟型感应性物质：本身不是液晶物质，但在一定外界条件下，可形成液晶相。,按在空间排列不同分类：,按液晶相形成的条件不同分类：,热致液晶：相转变由温度变化引起的。从晶态到液晶态的转变温度称为熔点或转变点。从液晶态转变为各向同性液体的温度称为 澄清点或清亮点溶致液晶：要在溶剂中，在一定浓度下才能呈液晶性 临界浓度：在临界浓度以上，液晶相才能形成。,3.液晶态的化学结构,大多数液晶是长棒状或长条状 其基本结构一般为 分子结构具有两个显著特征：a分子的几何形状具有不对称性，长径比一般大于4b 分子间具有各向异性的相互作用,3.还有一种液晶是双亲性分子的溶液。其一端是亲水的极性头，另一段是疏水的非极性链,2.碟状或盘状分子，如：苯-六正烷基羧酸酯,二、液晶高分子,1.定义 某些液晶分子可连接成大分子，或者可通过官能团的化学反应连接到高分子骨架上。这些高分子化的液晶在一定条件下仍可能保持液晶的特征，就形成高分子液晶。显示出一般液晶分子的特点 有聚合物的多性能以及多用途 结构复杂,2.液晶高分子的分类,溶致主链型热致主链型,主链型液晶高分子：指介晶基元处于主链上的一类高 分子 主链型液晶大多数为高强度、高模量材料（1）溶致主链型液晶高分子 最重要的类型是芳香族聚酰胺。溶剂是强质子酸，也可以是酰胺类溶剂。合成方法：胺和酰氯的缩合反应p180,（2）热致主链型液晶高分子 多是由聚酯类高分子形成，包括芳香族聚酯及共聚酯，还有含有偶氮苯、氧化偶氮苯和苄连氮等特征基团的共聚酯。,侧链型液晶高分子：介晶基元位于大分子侧链的液晶高 分子形状受大分子主链的影响程度较小。,上面一行是主链聚合物下面一行是侧链聚合物,侧链型液晶大多数为功能性材料,侧链型分为 非双亲侧链型液晶高分子和 双亲侧链型液晶高分子（1）非双亲侧链液晶高分子介晶基元与主链的连接方式：端接、侧接和并列接上两个介晶基元的孪生侧链液晶可通过加聚、缩聚及大分子反应制得。p182,（2）双亲侧链液晶高分子（聚皂）相结构与双亲介晶基元与大分子主链的连接方式：憎水一端与主链相接；B.亲水一端与主链相接,主链型液晶和侧链型高分子液晶中根据介晶基元的连接方式和形态不同又有许多种类型,与小分子液晶相比，液晶高分子具有下列特殊性：1）热稳定性大幅度提高；2）热致性高分子液晶有较大的相区间温度；3）独特的流动性，流动行为与一般溶液显著 不同,3.高分子液晶的特性与应用,许多特性中，特别有意义的是独特的流动性。粘度随浓度的变化规律与一般高分子浓溶液体系不同。一般体系的粘度随浓度增加而单调增大的，而液晶溶液在低浓度范围内粘度随浓度增加急剧上升，出现一个粘度极大值。随后浓度增加，粘度反而急剧下降，出现极小值；最后，粘度有随浓度的增大而上升。,根据液晶态溶液的浓度-温度-粘度关系，创造出新技术-液晶纺丝解决了纺丝中的难题-高浓度高粘度问题。同时由于液晶分子的取向特征，纺丝可在较低牵伸倍数下获得较高的取向度。液晶显示技术：利用了向列型液晶灵敏的电响应特性和光学特性的例子。,应用：,4.液晶高分子材料的发展趋势（1）热致液晶高分子结构材料（2）发展分子复合材料和原位复合材料（3）功能液晶高分子（4）新型液晶高分子,5.2离子交换高分子材料与吸附性高分子材料,5.2.1 离子交换树脂和离子交换纤维1.基本概念指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。,离子交换纤维是在离子交换树脂基础上发展起来 的一类新型材料。基本特点与离子交换树脂相同，但外观为纤维状。,2.离子交换树脂的结构离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状 高分子材料。外形一般为颗粒状，不溶于水和一般的酸、碱，也不溶于普通的有机溶剂，如乙醇、丙酮和烃类溶剂。常见的离子交换树脂的粒径为0.31.2nm。,树脂的网络骨架,3 离子交换树脂的分类：根据离子交换树脂所带离子化基团的不同（1）阳离子交换树脂：按交换强弱分为强酸性，中等酸性及弱酸性（2）阴离子交换树脂：有强碱、弱碱及强弱碱混合 树脂之分（3）特殊的粒子交换树脂：包括螯合树脂，两性离子 交换树脂（蛇笼树脂），氧化还原树脂,“蛇笼树脂”,在这类树脂中，分别含有两种聚合物，一种带有阳离子交换基团，一种带有阴离子交换基团。其中一种聚合物是交联的，而另一种是线型的，恰似蛇被关在笼网中，不能漏出，故形象地称为“蛇笼树脂”。在蛇笼树脂中，可以是交联的阴离子树脂为笼，线型的阳离子树脂为蛇，也可以是交联的阳离子树脂为笼，线型的阴离子树脂为蛇。蛇笼树脂的特性与两性树脂类似，也可通过水洗而再生。,根据孔结构分为：（1）凝胶型：不加致孔剂 孔径一般为2-4nm（2）大孔型:加入致孔剂 孔径几个纳米到几百纳米 甚至为微米级,树脂再生,是指是离子交换树脂重新具有交换能力的过程酸性阳离子树脂 酸-碱-酸-缓冲溶液淋洗碱性阴离子树脂 碱-酸-碱-缓冲溶液淋洗方式有：顺流再生和逆流再生,4.制备方法具有微细网状结构的高分子骨架上引入离子交换基团合成方法分两类：（1）在交联高分子骨架上通过高分子反应引入交换基团（2）带有离子交换基团的单体聚合或缩聚反应,（1）水处理 水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等。水处理是离子交换树脂最基本的用途之一。,5 离子交换高分子材料的用途,（2）冶金工业 离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。,（3）海洋资源利用 利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的。,吸附树脂：是指一类多孔性的、高度交联的高分子 共聚物，又称为高分子吸附剂。这类高分子材料具有较大的比表面积和适当的孔径，可从气相或溶液中吸附某些物质。活性碳纤维：以高聚物为原料，经高温碳化和活化而制成的一种纤维状高效吸附分离材料,5.2.2 吸附树脂与活性碳纤维1.定义,2.吸附树脂的结构,吸附树脂的外观一般为直径为0.31.0 mm的小圆球，表面光滑，根据品种和性能的不同可为乳白色、浅黄色或深褐色。吸附树脂的颗粒的大小对性能影响很大。粒径越小、越均匀，树脂的吸附性能越好。但是粒径太小，使用时对流体的阻力太大，过滤困难，并且容易流失。,3.吸附树脂的分类：按化学结构分可分为：（1）非极性吸附树脂：非极性单体聚合而成（2）中极性吸附树脂：含脂基、羟基一类单体聚合（3）极性吸附树脂：含有酰胺基、亚砜基和氰基（4）强极性吸附树脂：含吡啶基、氨基等强极性基团,4.吸附树脂具有选择性，一般规律：（1）水溶性不大的有机物易被吸附，在水中的 溶解度越小越易被吸附（2）吸附树脂不能吸附溶于有机溶剂的有机物（3）当吸附树脂与有机物能形成氢键时，可增 加吸附量和吸附选择性,5.4 感光性高分子（感光性树脂）具有感光性质的高分子物质,感光现象：指高分子吸收了光能量后，分子内产生化学的或结构的变化，如降解、交联、重排,分类 p191根据光照后物性的变化：光致溶化型、光致不溶化型、光降解型、光导电型光致变色性型根据感光基团的种类：根据骨架聚合物的类型：根据光反应种类：根据聚合物的形态或组成：,2.合成方法（1）带有感光基团的单体进行聚合或缩聚反应（2）通过高分子反应，使高分子骨架上带感光基团,5.9 高分子功能膜材料,以天然或合成的高分子化合物为基材，用特殊工艺制备成膜状材料。使其具有对某些小分子物质有选择性透过功能包括对气体分子、离子和其他微粒性物质 的透过选择性,分类根据使用功能划分 混合物分离的分离膜 药物定量释放的缓释膜 分隔作用的保护膜根据被分离物质性质不同 气体分离膜 液体分离膜 固体分离膜 离子分离膜 微生物分离膜,根据被分离物质的粒度大小 超细膜 超虑膜 微虑膜根据膜的形成过程划分：沉积膜 熔融拉伸膜 溶剂注膜 界面膜 动态形成膜根据膜的性质分为：密度膜 相变形成膜 乳化膜 多孔膜,2.膜分离原理及应用膜分离作用主要依靠过筛作用和溶解扩散作用两种，(1)过筛作用与常见的筛网材料相比，不同点在于膜的孔径小被分离物质能否通过筛网取决于 物质粒径尺寸和网孔的大小。,(2)溶解扩散作用膜材料对某些物质具有一定的溶解能力，在外力作用下被溶解物质能够在膜中扩散运动，从膜的一侧扩散到另一侧，再离开分离膜,分离过程需要有外力的参与，外力包括浓度差驱动力、压力驱动力和电场驱动力应用:医学透析：人工肾脏：环保水处理:海水脱盐化学工业：气体和液体分离医用输液的消毒等,液晶的发现19世纪末期，奥地利植物学家莱尼茨尔测定有机物的熔点时，发现某些有机物（胆甾zai醇的苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家雷曼使用他亲自设计，在当时作为最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各向异性晶体特有的双折射性。1904年于是雷曼将其命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称的由来。起先称为软晶体，后称晶态流体,发展到现在，商业上称为液晶之父的是夏普（sharp）,就是液晶领域的老大 创始者：日本人 早川德次 1912年，一家普通的金属手工业作坊，他在承袭传统工艺的基础之上，制作出精巧的女性金属发饰，19岁便跻身有名匠人行列，其天份令人咂舌。随后，他又自行设计了独特的搭扣式皮带扣，取名“德尾锁”，并以此取得了新发明专利，这种便利的皮带扣沿用至今。夏普的液晶面板为了防止液晶技术外泄，从研发到制造都采取“黑盒策略”，包括在台湾的代工厂也只负责组装而已。购买夏普液晶电视便是冲着“日本原装液晶面板”而来。,
