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1、功能高分子材料概论材料工程学院周 健学习要求学习要求学时：学时：3232学时学时理论讲座：理论讲座：2828学时学时论文写作：论文写作：4 4学时学时论文写作要求论文写作要求:字数不得低于字数不得低于40004000字，题目自拟。总体要求反应某种功字，题目自拟。总体要求反应某种功能高分子材料研究、应用进展情况。独立完成。能高分子材料研究、应用进展情况。独立完成。参考教材：参考教材：1.1.李青山李青山 主编主编.功能高分子材料，机械工业出版社，功能高分子材料，机械工业出版社，20092009年年1 1月月2.2.焦剑，姚军燕焦剑，姚军燕 主编主编.功能高分子材料，化学工业出版社，功能高分子材料
2、，化学工业出版社，20072007年年8 8月月3.3.王国建，王德海，邱军等编著王国建，王德海，邱军等编著.功能高分子材料，华东理功能高分子材料，华东理工大学出版社，工大学出版社，20062006年年8 8月月4.4.王国建，刘琳王国建，刘琳 编著编著.功能高分子材料，同济大学出版社，功能高分子材料，同济大学出版社，20102010年年1 1月月5.5.马建标马建标 主编主编.功能高分子材料（第二版），功能高分子材料（第二版），化学工业化学工业出版社，出版社，20102010年年1 1月月 人类从起源以来人类从起源以来就同高分子结下不解之缘就同高分子结下不解之缘u 生命体系其根本生命体系其根
3、本都是由都是由高分子高分子组成组成u衣食住行衣食住行离不开离不开高分子材料高分子材料第一章第一章 功能高分子基本概念功能高分子基本概念1.11.1高分子材料发展史高分子材料发展史1.21.2高分子基本概念高分子基本概念1.3 1.3 功能高分子材料功能高分子材料1.4 1.4 功能材料的发展现状功能材料的发展现状1.5 1.5 国内、外功能材料社会经济发展需求国内、外功能材料社会经济发展需求材料与时代材料与时代石器时代石器时代：即从出现人类到：即从出现人类到铜器铜器的出现、大约始于距今二的出现、大约始于距今二三百万年、止于距今三百万年、止于距今6000至至4000年左右。年左右。新石器时代新石
4、器时代：始于距今：始于距今8000年前年前青铜时代青铜时代：希腊、埃及始于公元前：希腊、埃及始于公元前3000年以前，中国始年以前，中国始于公元前于公元前1800年。青铜是铜和锡的合金。年。青铜是铜和锡的合金。铁器时代铁器时代：约始于公元前：约始于公元前1400年人类开始锻造铁器制造年人类开始锻造铁器制造工具，促进了社会生产力的发展。工具，促进了社会生产力的发展。高分子时代高分子时代(Polymerage):15世纪世纪美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。美洲玛雅人用天然橡胶做容器，雨具等生活用品。1839年年美国人美国人CharlesGoodyear发现天然橡胶与硫磺共热后发现天然橡
5、胶与硫磺共热后明显地改变了性能，使它变为富有弹性、可塑性的材料。明显地改变了性能，使它变为富有弹性、可塑性的材料。1869年年美国人美国人JohnWesleyHyatt把硝化纤维、樟脑和乙醇的把硝化纤维、樟脑和乙醇的混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料混合物在高压下共热，制造出了第一种人工合成塑料“赛璐珞赛璐珞”。1887年年法国人法国人CountHilairedeChardonnet用硝化纤维素的用硝化纤维素的溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。溶液进行纺丝，制得了第一种人造丝。1909年年美国人美国人LeoBaekeland用苯酚与甲醛反应制造出第一种用苯酚与甲醛反应制造出第一种完
6、全人工合成的塑料完全人工合成的塑料酚醛树酯。酚醛树酯。1.11.1高分子材料发展史高分子材料发展史1920年年德国人德国人HermannStaudinger发表了发表了“关于聚合反应关于聚合反应”的的论文提出：高分子物质通过化学键连接在一起的大分子化合物。论文提出：高分子物质通过化学键连接在一起的大分子化合物。1926年年美国化学家美国化学家WaldoSemon合成了聚氯乙烯，并于合成了聚氯乙烯，并于1927年年实现了工业化生产。实现了工业化生产。1932年年HermannStaudinger总结了自己的大分子理论，出版了总结了自己的大分子理论，出版了划时代的巨著划时代的巨著高分子有机化合物高
7、分子有机化合物成为高分子化学作为一门新成为高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。兴学科建立的标志。1935年年杜邦公司基础化学研究所有机化学部的杜邦公司基础化学研究所有机化学部的WallaceH.Carothers合成出聚酰胺合成出聚酰胺66，即尼龙。尼龙在，即尼龙。尼龙在1938年实现工业化年实现工业化生产。生产。1930年年德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和德国人用金属钠作为催化剂，用丁二烯合成出丁钠橡胶和丁苯橡胶。丁苯橡胶。1940年年英国人英国人T.R.Whinfield合成出聚酯纤维（合成出聚酯纤维（PET）。）。1948年年PaulFlory建立了高分子长链结构的数
8、学理论。建立了高分子长链结构的数学理论。1953年年德国人德国人KarlZiegler与意大利人与意大利人GiulioNatta分别用金属分别用金属络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。络合催化剂合成了聚乙烯与聚丙烯。1955年年美国人利用齐格勒美国人利用齐格勒-纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人纳塔催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。1956年年Szwarc提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。提出活性聚合概念。高分子进入分子设计时代。1970年年以后以后高分子合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不高分子
9、合成新技术不断涌现，高分子新材料层出不穷。穷。1.21.2高分子基本概念高分子基本概念1.1.什么是高分子？什么是高分子？定义：高分子量的化合物定义：高分子量的化合物 (10000)(10000)。别称：聚合物别称：聚合物 Polymer Polymer 高聚物高聚物High polymerHigh polymer 大分子大分子MacromoleculeMacromolecule 比较：低聚物比较：低聚物(10000)(10000)OligomerOligomer 或齐聚物，寡聚物。或齐聚物，寡聚物。2.2.聚合物结构类型聚合物结构类型线型线型 Linear Polymer支化型支化型 Bra
10、nched Polymer交联型交联型 Crosslinked Polymer星型及树状星型及树状 Star Polymer Dendrimer3.3.高分子学科高分子学科高分子化学（高分子化学（Polymerchemistry)合成机理、结构设计、控制方法。合成机理、结构设计、控制方法。高分子物理（高分子物理（Polymerphysics)物理性质、结构与性能的关系。物理性质、结构与性能的关系。高分子工艺学（高分子工艺学（Polymertechnology）合成工艺、加工工艺。合成工艺、加工工艺。后起之秀，生气勃勃后起之秀，生气勃勃英国全速敞篷汽车，时速英国全速敞篷汽车，时速100100公里
11、公里/小时，重量为小时，重量为普通车普通车1/31/3飞机内装饰飞机内装饰高铁车厢装饰高铁车厢装饰高铁机车高铁机车冰箱部件冰箱部件空调部件空调部件宇航服材料宇航服材料轮胎材料轮胎材料1.3.11.3.1功能材料的概念功能材料的概念 功能材料是指通过功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化光、电、磁、热、化学、生化光、电、磁、热、化学、生化光、电、磁、热、化学、生化等作用等作用后具有后具有特定功能特定功能的材料。的材料。在国外，常将这类材料称为在国外，常将这类材料称为功能材料功能材料(Functional(Functional Materials)Materials)、特种材料特种材料(Spe
12、cialitySpeciality Materials)Materials)或或精细材料精细材料(Fine Materials)(Fine Materials)。1.3 1.3 功能高分子材料功能高分子材料功能材料功能材料涉及面较广，具体包括涉及面较广，具体包括光、电功能，磁功能，光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能分离功能，形状记忆功能等。等。这类材料相对于通常的这类材料相对于通常的结构材料结构材料而言，一般除了具有机而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。械特性外，还具有其他的功能特性。材料的材料的特定的功能特定的功能与材料的与材料的特定结构特定结构是相联系的。如对是相联
13、系的。如对于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中于导电聚合物来说，它一般具有长链共轭双键；金属结构中由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆由于弹性马氏体相变能产生记忆效应，因此出现了形状记忆合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。合金；压电陶瓷晶体必须有极轴等。功能高分子的功能高分子的特点特点1.1.用途特殊，专一性强用途特殊，专一性强2.2.品种多，用量不大品种多，用量不大3.3.质量轻（与其它功能材料相比）质量轻（与其它功能材料相比）4.4.制备途径多，可设计性强制备途径多，可设计性强1.3.2 1.3.2 功能材料的分类功能材料的分类 随着技术的发展和人类认识的扩展，
14、新型的功能材料不随着技术的发展和人类认识的扩展，新型的功能材料不断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从断被开发出来，因此对其也产生了许多不同的分类方法。从功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。功能的不同考虑，可将功能材料分为以下四类。(1)(1)力学功能力学功能 主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料、超高强材料等。料、超高强材料等。(2)(2)化学功能化学功能分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物；反应功能材料；如高分子试剂、高分子催化剂；反应功能材料；如
15、高分子试剂、高分子催化剂；生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等生物功能材料：如固定化菌，生物反应器等。（3 3）物理化学功能物理化学功能电学功能材料：如超导体，导电高分子等；电学功能材料：如超导体，导电高分子等；光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等；能量转换材料：如压电材料、光电材料。能量转换材料：如压电材料、光电材料。(4)(4)生物化学功能生物化学功能医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；降解的医用缝合线、骨钉、骨板等；功能性药物：如缓释性高分子，药物
16、活性高分子，高分子功能性药物：如缓释性高分子，药物活性高分子，高分子农药等；农药等；生物降解材料生物降解材料反应型高分子材料反应型高分子材料反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机
17、械化、而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。起到了关键性作用。电活性高分子材料电活性高分子材料电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为作的彩色显示
18、器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。高分子分离膜材料高分子分离膜材料 高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透
19、过和缓释材料。目前高分业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备1818万万吨吨/日纯水设备的能力。日纯水设备的能力。医药用功能高分子材料医药用功能高分子材料医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个领域，医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个领域，高分子药物、高分子人工组织器官在定向给药、器官替代、高分子药物、高分子人工组织器官在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。整形外科和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。光敏高分子材料光敏高分子材料 光敏高分子化学，在
20、光聚合、光交联、光降解、荧光以光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去2020多多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性进展。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性进展。功能材
21、料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。二次功能材料。、一次功能、一次功能当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为式时，材料起到能量传输部件的作用。材料的这种功能称为一次功能。一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料载体材料载体材料载体材料。一次功能主要有下面的八种。一次功能主要有下面的八种。力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超力学功能。如惯性、粘性、流动性、润滑性、成
22、型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。声功能。如隔音性、吸音性。声功能。如隔音性、吸音性。热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。热功能。如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性等。电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。电功能。如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。磁功能。如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光光功能。如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。性、偏振光性、分光性、聚光性等。化学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化化
23、学功能。如吸附作用、气体吸收性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。学反应、酶反应等。其他功能。如放射特性、电磁波特性等。其他功能。如放射特性、电磁波特性等。、二次功能、二次功能当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。功能或高次功能。有人认为这种材料才是真正的功能材料。二次功能按能量的转换系统可分为如下四类二次功能按能量的转换系统可分为如下四类。光能与其他形式能量的转换；光能与其他形式能
24、量的转换；电能与其他形式能量的转换；电能与其他形式能量的转换；磁能与其他形式能量的转换；磁能与其他形式能量的转换；机械能与其他形式能量的转换。机械能与其他形式能量的转换。光光光光能与其他形式能量的转换能与其他形式能量的转换如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。电能与其他形式能量的转换电能与其他形式能量的转换如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效
25、应等致发光效应、电化学效应和电光效应等。磁能与其他形式能量的转换磁能与其他形式能量的转换如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变效应等。机械能与其他形式能量的转换机械能与其他形式能量的转换如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩效应等。缩效应等。1.3.3 1.3.3 功能高分子材料的制备方法功能高分子材料的制备方法功能高分子材料的制备一般是指通过物理的或化学的方功能高分子材料的制备
26、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。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：功能高分子材料的制备主要有以下三种基本类型：是功能性小分子固定在骨架材料上；是功能性小分子固定在骨架材料上；是大分子材料的功能化；是大分子材料的功能化；是已有的功能高分子材料的功能扩展。是已有的功能高分子材料的功能扩展。1.1.功能性小分子的高分子化功能性小分子的高分子化(1)(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应功能性小分子单体直接发生聚合反应(2)(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合优点优点生成
27、的功能高分子功能基分布均匀；生成的功能高分子功能基分布均匀；聚合物结构可以通过聚合机理预先设计；聚合物结构可以通过聚合机理预先设计；产物的稳定性较好。产物的稳定性较好。缺点缺点在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入在功能性小分子中需要引入可聚合基团，而这种引入常常需要复杂的合成反应；常常需要复杂的合成反应；要求在反应中不破坏原有结构和功能；要求在反应中不破坏原有结构和功能；当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护；当需要引入的功能基稳定性不好时需要加以保护；有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响。有时引入功能基后对单体聚合的活性会有影响。(1)(1)功能性小分子单体直接发生聚合反应
28、功能性小分子单体直接发生聚合反应 通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后通过在功能性小分子中引入可聚合基团得到单体，然后进行均聚或共聚反应生成功能聚合物这些可聚合功能性单体进行均聚或共聚反应生成功能聚合物这些可聚合功能性单体中的可聚合基团一般为双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、中的可聚合基团一般为双键、羟基、羧基、氨基、环氧基、酰氯基、吡咯基、噻吩基等基团。酰氯基、吡咯基、噻吩基等基团。发生加成聚合反应，开环聚合反应，缩聚反应以及氧化发生加成聚合反应，开环聚合反应，缩聚反应以及氧化偶合反应。偶合反应。吡咯基、噻吩基吡咯基、噻吩基Z Z为连接基团，为连接基团，R R为功能型小分子为功能型
29、小分子丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。经过自丙烯酸分子中带有双键，同时又带有活性羧基。经过自由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为由基均聚或共聚，即可形成聚丙烯酸及其共聚物，可以作为弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂等应用。这是带有功能弱酸性离子交换树脂、高吸水性树脂等应用。这是带有功能性基团的单体聚合制备功能高分子的简单例子。性基团的单体聚合制备功能高分子的简单例子。将含有环氧基团的低分子量双酚将含有环氧基团的低分子量双酚A A型环氧树脂与丙烯酸型环氧树脂与丙烯酸反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯，这种单体在制备光敏高反应，得到含双键的环氧丙烯酸酯，这种单体在制备光敏高分子
30、材料方面有广泛的应用。分子材料方面有广泛的应用。除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多种单体进除了单纯的连锁聚合和逐步聚合之外，采用多种单体进行共聚反应制备功能高分子也是一种常见的方法。特别是当行共聚反应制备功能高分子也是一种常见的方法。特别是当需要控制聚合物中功能基团的分布和密度时，或者需要调节需要控制聚合物中功能基团的分布和密度时，或者需要调节聚合物的物理化学性质时，共聚可能是最行之有效的解决办聚合物的物理化学性质时，共聚可能是最行之有效的解决办法。法。(2)(2)功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分
31、子以该方法是利用生成高分子的束缚作用将功能性小分子以某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。某种形式包埋固定在高分子材料中来制备功能高分子材料。在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子药物、聚合过程中小分子被生成的聚合物所包埋。在高分子药物、固定化酶的制备方面有独到的优势。固定化酶的制备方面有独到的优势。用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分用这种方法得到的功能高分子材料，聚合物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接，固化作用通过聚合物的子功能化合物之间没有化学
32、键连接，固化作用通过聚合物的包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混包络作用来完成。这种方法制备的功能高分子类似于用共混方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是方法制备的高分子材料，但是均匀性更好。此方法的优点是方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此方法简便，功能小分子的性质不受聚合物性质的影响，因此特别适宜酶等对环境敏感材料的固化。特别适宜酶等对环境敏感材料的固化。缺点是在使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步缺点是在使用过程中包络的小分子功能化合物容易逐步失去，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶的失活过程。失去，特别是在溶胀条件下使用，将加快固化酶
33、的失活过程。例如，维生素例如，维生素C C在空气中极易被氧化而变黄。采用溶剂蒸在空气中极易被氧化而变黄。采用溶剂蒸发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯等聚发法研制以乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯等聚合物为外壳材料的维生素合物为外壳材料的维生素C C微胶囊，达到了延缓氧化变黄的效微胶囊，达到了延缓氧化变黄的效果。将维生素果。将维生素C C微胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥微胶囊暴露于空气中一个月，外观可保持干燥状态，色泽略黄。这种维生素状态，色泽略黄。这种维生素C C微胶囊进入人体后，两小时内微胶囊进入人体后，两小时内可完全溶解释放。可完全溶解释放。2.2.已有高分子材
34、料的功能化已有高分子材料的功能化(1)(1)利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架(2)(2)功能性小分子与聚合物共混功能性小分子与聚合物共混可选材料的特点可选材料的特点价格低廉的通用材料；价格低廉的通用材料；较容易地接上功能性基团；较容易地接上功能性基团；来源丰富；来源丰富；具有机械、热、化学稳定性；具有机械、热、化学稳定性；目前常见的品种目前常见的品种聚苯乙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯聚乙烯醇聚乙烯醇聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚（甲基）丙烯酸酯及其共聚物聚丙烯酰胺聚丙烯酰胺聚环氧氯丙烷及其共聚物聚环氧氯丙烷及其共聚物纤维素纤维素（1）利用化学反应将活性
35、功能基引入聚合物骨架）利用化学反应将活性功能基引入聚合物骨架例子：例子：小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成中是重要小分子过氧酸是常用的强氧化剂，在有机合成中是重要的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要缺点在于稳定性不的试剂。但是，这种小分子过氧酸的主要缺点在于稳定性不好，容易发生爆炸和失效，不便于储存。反应后产生的羧酸好，容易发生爆炸和失效，不便于储存。反应后产生的羧酸也不容易除掉，经常影响产品的纯度。将其引入高分子骨架也不容易除掉，经常影响产品的纯度。将其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。后形成的高分子过氧酸，挥发性和溶解性下降，稳定性提高。小分子氧化剂
36、：不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、小分子氧化剂：不稳定。易爆，易燃，易分解失效，贮存、运输、使用困难运输、使用困难高分子氧化剂：稳定性好，高分子氧化剂：稳定性好，贮存、运输、使用方便贮存、运输、使用方便聚苯乙烯芳环上的取代反应聚苯乙烯芳环上的取代反应聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进行一系列的芳聚苯乙烯分子中的苯环比较活泼，可以进行一系列的芳香取代反应，如磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基香取代反应，如磺化、氯甲基化、卤化、硝化、锂化、烷基化、羧基化、氨基化等等，因此是功能高分子制备中最常用化、羧基化、氨基化等等，因此是功能高分子制备中最常用的骨架母体。的骨架母体。聚苯乙烯磺化、氯
37、甲基化聚苯乙烯磺化、氯甲基化聚乙烯醇的变化聚乙烯醇的变化聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各样的聚乙烯醇可多种低分子化合物反应，形成各种各样的功能高分子功能高分子聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇聚醋酸乙烯酯的醇解制备聚乙烯醇可用于在聚乙烯可用于在聚乙烯醇结构中引入活醇结构中引入活性基团的反应性基团的反应 例子：青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十例子：青霉素是一种抗多种病菌的广谱抗菌素，应用十分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺分普遍。它具有易吸收，见效快的特点，但也有排泄快的缺点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分子反应，可得到点。利用青霉素结构中的羧基、氨基与高分
38、子反应，可得到疗效长的高分子青霉素。疗效长的高分子青霉素。例如将青霉素与乙烯醇乙烯胺共聚物以酰胺键相结合，例如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留时间为低分子青霉素的30304040倍。倍。带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合带有功能性基团的小分子与高分子骨架的结合这种制备方法的好处是可以利用廉价的商品化聚合物，这种制备方法的好处是可以利用廉价的商品化聚合物，并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子材料机并且通过对高分子材料的选择，使得到的功能高分子
39、材料机械性能比较有保障。械性能比较有保障。主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合来主要是通过小分子功能化合物与聚合物的共混和复合来实现。实现。比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化物的固化等。比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化物的固化等。与化学法相比，通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺与化学法相比，通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺点是共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功点是共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。能聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。1.3.4 1.3.4 功能高分子的发展历
40、程与展望功能高分子的发展历程与展望 虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从2020世纪世纪8080年年代中后期开始发展的。代中后期开始发展的。最早的功能高分子可追述到最早的功能高分子可追述到19351935年离子交换树脂的发明。年离子交换树脂的发明。2020世纪世纪5050年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，
41、后来又发展到电子工业和微电子工业。后来又发展到电子工业和微电子工业。19571957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。认为高分子材料只能是绝缘体的观念。19661966年年littlelittle提出了超导高分子模型，预计了高分子材提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在料超导和高温超导的可能性，随后在19751975年发现了聚氮化硫年发现了聚氮化硫的超导性。的超导性。19931993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发
42、现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。有机高分子。2020世纪世纪8080年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。膜等技术得到快速发展。19911991年发现了尼龙年发现了尼龙1111的铁电性，的铁电性，19941994年塑料柔性太阳能年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，电池在美国阿尔贡实验室研制成功，19971997年发现聚乙炔经过年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电
43、高分子的问世。高分子的问世。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。其中从其中从2020世纪世纪5050年代发展起来的光敏高分子化学，在光年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去得了重大突破，特别在过去2020多年中有了飞快发展，并在工多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致光可降解材料、光
44、刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。变色高分子材料都已经工业化。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来
45、的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。究方面起到了关键性作用。电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望
46、成为作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。化学工业和
47、医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备有制备1818万吨万吨/日纯水设备的能力。日纯水设备的能力。特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它们具有独特的重要研究热点之一，最主要的原因在于它们具有独特的“性性能能”和和“功能功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改进，可用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。可以预计，在今后很
48、长的历史时期中，特种与功能高分可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。1.4 1.4 功能材料的发展现状功能材料的发展现状1.4.11.4.1新型功能材料国外发展现状新型功能材料国外发展现状 当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计
49、等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。超导材料超导材料 超导电性，简称超导，是指某些材料被冷却到一定温度超导电性，简称超导，是指某些材料被冷却到一定温度下，电流通过时这些材料出现零电阻，即失去电阻的现象，下，电流通过时这些材料出现零电阻，即失去电阻的现象，同时材料内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。相应地具有同时材料内部失去磁通成为完全抗磁性的物质。相应地具有超导电性的材料称为超导材料超导电性的材料称为超导材料(superconduct
50、or)(superconductor)。超导材料。超导材料在电阻消失前的状态称为常导状态，电阻消失后的状态称为在电阻消失前的状态称为常导状态，电阻消失后的状态称为超导状态。超导状态。从所侧重的超导性质来看，超导材料的应用大致分为三从所侧重的超导性质来看，超导材料的应用大致分为三类类:强电应用、弱电应用和抗磁性应用。强电应用、弱电应用和抗磁性应用。1.1.强电应用为大电流应用场合，有超导发电、输电、储能、强电应用为大电流应用场合，有超导发电、输电、储能、核磁共振等；核磁共振等；2.2.弱电应用为电子学应用，包括超导探测器、超导器件、超弱电应用为电子学应用，包括超导探测器、超导器件、超导计算机等；