《功能高分子材料》PPT課件.ppt

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第五章功能高分子材料 某些物質(zhì)的結(jié)晶受熱熔融或被溶劑溶解之后 雖然失去固態(tài)物質(zhì)的剛性 而獲得液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性 卻仍然保存著晶態(tài)物質(zhì)分子的有序排列 在物理性質(zhì)上呈現(xiàn)各向異性 形成一種兼有晶體和液體部分性質(zhì)的過(guò)渡狀態(tài) 這種中間狀態(tài)稱為液晶態(tài) 處在這種狀態(tài)下的物質(zhì)稱為液晶 1 液晶態(tài) 一 基體概念 5 1液晶高分子 偏光顯微鏡下的高分子液晶 SONY104 OLEDTV TransparentwhiteOLEDsbyPhilips Samsung14 inchTransparent OLED Laptop OLED ITRI4 1 FlexibleAMOLEDprototype http www oled 液晶Liquidcrystals LCs 液晶是介于晶態(tài)和液態(tài)之間的一種熱力學(xué)穩(wěn)定的相態(tài) 它既具有晶態(tài)的各向異性 由于晶格的排列使得晶體各個(gè)方向的性能不同 例如石英的導(dǎo)熱速率 又具有液態(tài)的流動(dòng)性 2 小分子液晶的分類 向列型 分子排列只有取向有序 分子排列一維有序近晶型膽甾型碟型感應(yīng)性物質(zhì) 本身不是液晶物質(zhì) 但在一定外界條件下 可形成液晶相 按在空間排列不同分類 按液晶相形成的條件不同分類 熱致液晶 相轉(zhuǎn)變由溫度變化引起的 從晶態(tài)到液晶態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度稱為熔點(diǎn)或轉(zhuǎn)變點(diǎn) 從液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲砸后w的溫度稱為澄清點(diǎn)或清亮點(diǎn)溶致液晶 要在溶劑中 在一定濃度下才能呈液晶性臨界濃度 在臨界濃度以上 液晶相才能形成 3 液晶態(tài)的化學(xué)結(jié)構(gòu) 大多數(shù)液晶是長(zhǎng)棒狀或長(zhǎng)條狀其基本結(jié)構(gòu)一般為分子結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)顯著特征 a分子的幾何形狀具有不對(duì)稱性 長(zhǎng)徑比一般大于4b分子間具有各向異性的相互作用 3 還有一種液晶是雙親性分子的溶液 其一端是親水的極性頭 另一段是疏水的非極性鏈 2 碟狀或盤(pán)狀分子 如 苯 六正烷基羧酸酯 二 液晶高分子 1 定義某些液晶分子可連接成大分子 或者可通過(guò)官能團(tuán)的化學(xué)反應(yīng)連接到高分子骨架上 這些高分子化的液晶在一定條件下仍可能保持液晶的特征 就形成高分子液晶 顯示出一般液晶分子的特點(diǎn)有聚合物的多性能以及多用途結(jié)構(gòu)復(fù)雜 2 液晶高分子的分類 溶致主鏈型熱致主鏈型 主鏈型液晶高分子 指介晶基元處于主鏈上的一類高分子主鏈型液晶大多數(shù)為高強(qiáng)度 高模量材料 1 溶致主鏈型液晶高分子最重要的類型是芳香族聚酰胺 溶劑是強(qiáng)質(zhì)子酸 也可以是酰胺類溶劑 合成方法 胺和酰氯的縮合反應(yīng)p180 2 熱致主鏈型液晶高分子多是由聚酯類高分子形成 包括芳香族聚酯及共聚酯 還有含有偶氮苯 氧化偶氮苯和芐連氮等特征基團(tuán)的共聚酯 側(cè)鏈型液晶高分子 介晶基元位于大分子側(cè)鏈的液晶高分子形狀受大分子主鏈的影響程度較小 上面一行是主鏈聚合物下面一行是側(cè)鏈聚合物 側(cè)鏈型液晶大多數(shù)為功能性材料 側(cè)鏈型分為非雙親側(cè)鏈型液晶高分子和雙親側(cè)鏈型液晶高分子 1 非雙親側(cè)鏈液晶高分子介晶基元與主鏈的連接方式 端接 側(cè)接和并列接上兩個(gè)介晶基元的孿生側(cè)鏈液晶可通過(guò)加聚 縮聚及大分子反應(yīng)制得 p182 2 雙親側(cè)鏈液晶高分子 聚皂 相結(jié)構(gòu)與雙親介晶基元與大分子主鏈的連接方式 憎水一端與主鏈相接 B 親水一端與主鏈相接 主鏈型液晶和側(cè)鏈型高分子液晶中根據(jù)介晶基元的連接方式和形態(tài)不同又有許多種類型 與小分子液晶相比 液晶高分子具有下列特殊性 1 熱穩(wěn)定性大幅度提高 2 熱致性高分子液晶有較大的相區(qū)間溫度 3 獨(dú)特的流動(dòng)性 流動(dòng)行為與一般溶液顯著不同 3 高分子液晶的特性與應(yīng)用 許多特性中 特別有意義的是獨(dú)特的流動(dòng)性 粘度隨濃度的變化規(guī)律與一般高分子濃溶液體系不同 一般體系的粘度隨濃度增加而單調(diào)增大的 而液晶溶液在低濃度范圍內(nèi)粘度隨濃度增加急劇上升 出現(xiàn)一個(gè)粘度極大值 隨后濃度增加 粘度反而急劇下降 出現(xiàn)極小值 最后 粘度有隨濃度的增大而上升 根據(jù)液晶態(tài)溶液的濃度 溫度 粘度關(guān)系 創(chuàng)造出新技術(shù) 液晶紡絲解決了紡絲中的難題 高濃度高粘度問(wèn)題 同時(shí)由于液晶分子的取向特征 紡絲可在較低牽伸倍數(shù)下獲得較高的取向度 液晶顯示技術(shù) 利用了向列型液晶靈敏的電響應(yīng)特性和光學(xué)特性的例子 應(yīng)用 4 液晶高分子材料的發(fā)展趨勢(shì) 1 熱致液晶高分子結(jié)構(gòu)材料 2 發(fā)展分子復(fù)合材料和原位復(fù)合材料 3 功能液晶高分子 4 新型液晶高分子 5 2離子交換高分子材料與吸附性高分子材料 5 2 1離子交換樹(shù)脂和離子交換纖維1 基本概念指具有離子交換基團(tuán)的高分子化合物 它具有一般聚合物所沒(méi)有的新功能 離子交換功能 本質(zhì)上屬于反應(yīng)性聚合物 離子交換纖維是在離子交換樹(shù)脂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類新型材料 基本特點(diǎn)與離子交換樹(shù)脂相同 但外觀為纖維狀 2 離子交換樹(shù)脂的結(jié)構(gòu)離子交換樹(shù)脂是一類帶有可離子化基團(tuán)的三維網(wǎng)狀高分子材料 外形一般為顆粒狀 不溶于水和一般的酸 堿 也不溶于普通的有機(jī)溶劑 如乙醇 丙酮和烴類溶劑 常見(jiàn)的離子交換樹(shù)脂的粒徑為0 3 1 2nm 樹(shù)脂的網(wǎng)絡(luò)骨架 3離子交換樹(shù)脂的分類 根據(jù)離子交換樹(shù)脂所帶離子化基團(tuán)的不同 1 陽(yáng)離子交換樹(shù)脂 按交換強(qiáng)弱分為強(qiáng)酸性 中等酸性及弱酸性 2 陰離子交換樹(shù)脂 有強(qiáng)堿 弱堿及強(qiáng)弱堿混合樹(shù)脂之分 3 特殊的粒子交換樹(shù)脂 包括螯合樹(shù)脂 兩性離子交換樹(shù)脂 蛇籠樹(shù)脂 氧化還原樹(shù)脂 蛇籠樹(shù)脂 在這類樹(shù)脂中 分別含有兩種聚合物 一種帶有陽(yáng)離子交換基團(tuán) 一種帶有陰離子交換基團(tuán) 其中一種聚合物是交聯(lián)的 而另一種是線型的 恰似蛇被關(guān)在籠網(wǎng)中 不能漏出 故形象地稱為 蛇籠樹(shù)脂 在蛇籠樹(shù)脂中 可以是交聯(lián)的陰離子樹(shù)脂為籠 線型的陽(yáng)離子樹(shù)脂為蛇 也可以是交聯(lián)的陽(yáng)離子樹(shù)脂為籠 線型的陰離子樹(shù)脂為蛇 蛇籠樹(shù)脂的特性與兩性樹(shù)脂類似 也可通過(guò)水洗而再生 根據(jù)孔結(jié)構(gòu)分為 1 凝膠型 不加致孔劑孔徑一般為2 4nm 2 大孔型 加入致孔劑孔徑幾個(gè)納米到幾百納米甚至為微米級(jí) 樹(shù)脂再生 是指是離子交換樹(shù)脂重新具有交換能力的過(guò)程酸性陽(yáng)離子樹(shù)脂酸 堿 酸 緩沖溶液淋洗堿性陰離子樹(shù)脂堿 酸 堿 緩沖溶液淋洗方式有 順流再生和逆流再生 4 制備方法具有微細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子骨架上引入離子交換基團(tuán)合成方法分兩類 1 在交聯(lián)高分子骨架上通過(guò)高分子反應(yīng)引入交換基團(tuán) 2 帶有離子交換基團(tuán)的單體聚合或縮聚反應(yīng) 1 水處理水處理包括水質(zhì)的軟化 水的脫鹽和高純水的制備等 水處理是離子交換樹(shù)脂最基本的用途之一 5離子交換高分子材料的用途 2 冶金工業(yè)離子交換是冶金工業(yè)的重要單元操作之一 在鈾 釷等超鈾元素 稀土金屬 重金屬 輕金屬 貴金屬和過(guò)渡金屬的分離 提純和回收方面 離子交換樹(shù)脂均起著十分重要的作用 3 海洋資源利用利用離子交換樹(shù)脂 可從許多海洋生物 例如海帶 中提取碘 溴 鎂等重要化工原料 在海洋航行和海島上 用離子交換樹(shù)脂以海水制取淡水是十分經(jīng)濟(jì)和方便的 吸附樹(shù)脂 是指一類多孔性的 高度交聯(lián)的高分子共聚物 又稱為高分子吸附劑 這類高分子材料具有較大的比表面積和適當(dāng)?shù)目讖?可從氣相或溶液中吸附某些物質(zhì) 活性碳纖維 以高聚物為原料 經(jīng)高溫碳化和活化而制成的一種纖維狀高效吸附分離材料 5 2 2吸附樹(shù)脂與活性碳纖維1 定義 2 吸附樹(shù)脂的結(jié)構(gòu) 吸附樹(shù)脂的外觀一般為直徑為0 3 1 0mm的小圓球 表面光滑 根據(jù)品種和性能的不同可為乳白色 淺黃色或深褐色 吸附樹(shù)脂的顆粒的大小對(duì)性能影響很大 粒徑越小 越均勻 樹(shù)脂的吸附性能越好 但是粒徑太小 使用時(shí)對(duì)流體的阻力太大 過(guò)濾困難 并且容易流失 3 吸附樹(shù)脂的分類 按化學(xué)結(jié)構(gòu)分可分為 1 非極性吸附樹(shù)脂 非極性單體聚合而成 2 中極性吸附樹(shù)脂 含脂基 羥基一類單體聚合 3 極性吸附樹(shù)脂 含有酰胺基 亞砜基和氰基 4 強(qiáng)極性吸附樹(shù)脂 含吡啶基 氨基等強(qiáng)極性基團(tuán) 4 吸附樹(shù)脂具有選擇性 一般規(guī)律 1 水溶性不大的有機(jī)物易被吸附 在水中的溶解度越小越易被吸附 2 吸附樹(shù)脂不能吸附溶于有機(jī)溶劑的有機(jī)物 3 當(dāng)吸附樹(shù)脂與有機(jī)物能形成氫鍵時(shí) 可增加吸附量和吸附選擇性 5 4感光性高分子 感光性樹(shù)脂 具有感光性質(zhì)的高分子物質(zhì) 感光現(xiàn)象 指高分子吸收了光能量后 分子內(nèi)產(chǎn)生化學(xué)的或結(jié)構(gòu)的變化 如降解 交聯(lián) 重排 分類p191根據(jù)光照后物性的變化 光致溶化型 光致不溶化型 光降解型 光導(dǎo)電型光致變色性型根據(jù)感光基團(tuán)的種類 根據(jù)骨架聚合物的類型 根據(jù)光反應(yīng)種類 根據(jù)聚合物的形態(tài)或組成 2 合成方法 1 帶有感光基團(tuán)的單體進(jìn)行聚合或縮聚反應(yīng) 2 通過(guò)高分子反應(yīng) 使高分子骨架上帶感光基團(tuán) 5 9高分子功能膜材料 以天然或合成的高分子化合物為基材 用特殊工藝制備成膜狀材料 使其具有對(duì)某些小分子物質(zhì)有選擇性透過(guò)功能包括對(duì)氣體分子 離子和其他微粒性物質(zhì)的透過(guò)選擇性 分類根據(jù)使用功能劃分混合物分離的分離膜藥物定量釋放的緩釋膜分隔作用的保護(hù)膜根據(jù)被分離物質(zhì)性質(zhì)不同氣體分離膜液體分離膜固體分離膜離子分離膜微生物分離膜 根據(jù)被分離物質(zhì)的粒度大小超細(xì)膜超慮膜微慮膜根據(jù)膜的形成過(guò)程劃分 沉積膜熔融拉伸膜溶劑注膜界面膜動(dòng)態(tài)形成膜根據(jù)膜的性質(zhì)分為 密度膜相變形成膜乳化膜多孔膜 2 膜分離原理及應(yīng)用膜分離作用主要依靠過(guò)篩作用和溶解擴(kuò)散作用兩種 1 過(guò)篩作用與常見(jiàn)的篩網(wǎng)材料相比 不同點(diǎn)在于膜的孔徑小被分離物質(zhì)能否通過(guò)篩網(wǎng)取決于物質(zhì)粒徑尺寸和網(wǎng)孔的大小 2 溶解擴(kuò)散作用膜材料對(duì)某些物質(zhì)具有一定的溶解能力 在外力作用下被溶解物質(zhì)能夠在膜中擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 從膜的一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè) 再離開(kāi)分離膜 分離過(guò)程需要有外力的參與 外力包括濃度差驅(qū)動(dòng)力 壓力驅(qū)動(dòng)力和電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)用 醫(yī)學(xué)透析 人工腎臟 環(huán)保水處理 海水脫鹽化學(xué)工業(yè) 氣體和液體分離醫(yī)用輸液的消毒等 液晶的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)末期 奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾測(cè)定有機(jī)物的熔點(diǎn)時(shí) 發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)物 膽甾zai醇的苯甲酸脂和醋酸脂 熔化后會(huì)經(jīng)歷一個(gè)不透明的呈白色渾濁液體狀態(tài) 并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤 只有繼續(xù)加熱到某一溫度才會(huì)變成透明清亮的液體 第二年 德國(guó)物理學(xué)家雷曼使用他親自設(shè)計(jì) 在當(dāng)時(shí)作為最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對(duì)這些脂類化合物進(jìn)行了觀察 他發(fā)現(xiàn) 這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體 但卻顯示出各向異性晶體特有的雙折射性 1904年于是雷曼將其命名為 液態(tài)晶體 這就是 液晶 名稱的由來(lái) 起先稱為軟晶體 后稱晶態(tài)流體 發(fā)展到現(xiàn)在 商業(yè)上稱為液晶之父的是夏普 sharp 就是液晶領(lǐng)域的老大創(chuàng)始者 日本人早川德次1912年 一家普通的金屬手工業(yè)作坊 他在承襲傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)之上 制作出精巧的女性金屬發(fā)飾 19歲便躋身有名匠人行列 其天份令人咂舌 隨后 他又自行設(shè)計(jì)了獨(dú)特的搭扣式皮帶扣 取名 德尾鎖 并以此取得了新發(fā)明專利 這種便利的皮帶扣沿用至今 夏普的液晶面板為了防止液晶技術(shù)外泄 從研發(fā)到制造都采取 黑盒策略 包括在臺(tái)灣的代工廠也只負(fù)責(zé)組裝而已 購(gòu)買(mǎi)夏普液晶電視便是沖著 日本原裝液晶面板 而來(lái)