《功能高分子材料讲义.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能高分子材料讲义.doc（84页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第三章 功能高分子材料31 概述功能高分子是高分子化学的一个重要领域，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分，这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系，也就是从宏观乃至深入到微观，以及从半定量深入到定量，从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性，从而探索和合成出新的功能性材料。311 功能高分子材料的概念和分类高分子材料按其使用性能可以分为结构高分子材料和功能高分子材料，结构高分子材料具有较高的比刚度和
2、比强度，可以代替金属作为结构材料，如我们熟知的工程塑料和聚合物基复合材料。对功能高分子材料，目前尚未有明确的定义，一般认为是指除了具有一定的力学功能之外还具有特定功能（如导电性、光敏性、化学性和生物活性等）的高分子材料，所谓材料的功能，从根本上说，是指向材料输入某种能量，经过材料的传输转换等过程，再向外界输出的一种作用。材料的这种作用与材料分子中具有的特殊功能的基团和分子结构分不开的。请注意，不可将功能高分子和功能高分子材料混为一谈，这两者是有明显区别的。功能高分子材料从组成和结构上可以分为结构型和复合型两大类。结构型功能高分子材料是指在高分子链中具有特定功能基团的高分子材料，这种材料所表现的
3、特定功能是由高分子本身的因素决定的。构成结构型功能高分子材料中的高分子叫功能高分子，而复合型功能高分子材料，是指以普通高分子材料为基体或载体，与具有某些特定功能（如导电、导磁）的其它材料进行复合而制得的功能高分子材料，这种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范围广、品种繁多，还未有统一的分类方法，一般按其使用功能来分类，大致可以分为以下几类：（1）化学功能高分子材料主要包括离子交换树脂，高分子催化剂、高分子试剂、螯合树脂、高分子絮凝剂和高吸水性树脂等。（2）光功能高分子材料主要包括感光高分子材料、光导材料、光致变色材料、光电材料、光记录材料等。（3）电、磁功能高分子材料说要
4、包括导电高分子材料、超导高分子材料、压电和热电高分子材料、高分子驻极体、磁功能高分子材料等。（4）声功能高分子材料主要包括吸音功能高分子材料，声电功能有高分子材料等。（5）生物和医用高分子材料主要包括人工器官材料、骨科和牙科材料、药物高分子材料、固定酶、传感器、医用粘合剂，可吸收的缝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时兼有多种功能，而且不同功能之间还可以相互转换并交叉，如光电功能的高分子材料可以说具有光功能，也可以说具有电功能，因此以上划分是相对的。功能高分子材料除按其功能分类外，还可按其来源分为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类。312
5、 功能高分子材料的功能设计原理与方法 所谓功能设计，就是赋予高分子材料特殊功能的方法，其主要途径是：（1）通过分子设计合成功能高分子。这里包括高分子结构设计和官能团设计。为此目的，必须掌握高分子结构与功能性之间的关系。例如，在高分子结构中引入感光功能基团，就可以合成感光高分子，分子设计完成后，就是选择合适的合成方法。合成主要有两种途径，一是含有功能基的单体经过加聚或缩聚等反应制备，二是利用现有的高分子，通过高分子化学反应引入预期的功能基。由功能基单体制备功能高分子的优点是功能基含量高，（每一个链节都含有功能基），功能基在分子链上分布均匀。但带功能基的单体合成比较困难，功能基和可聚合的基团都有活
6、性，在合成过程中要注意保护，因此这些单体比较贵。利用高分子化学反应制取功能高分子。优点是高分子骨架是现成的，可选择的高分子固体多，价格低、来源广。但在进行高分子化学反应时，反应不可能百分之百完成，尤其在多步化学反应中，功能基含量低，在分子链上分布也不均匀。尽管如此，目前功能高分子大多还是通过高分子化学反应制备。 （2）通过特殊加工赋于高分子材料功能特性，如高分子材料通过薄膜化可制得各种分离膜，而这些分离膜可广泛应用于渗透、透析、超滤等分离工艺中，还有一些高分子材料通过纤维化可制光学纤维等。 （3）通过两种或两以上具有不同功能的材料进行复合，制成复合型功能材料，这是目前制备功能材料使用最广泛的方
7、法，这种方法工艺简单、材料来源丰富、成本低。例在绝缘高分子材料中加入导电填料（碳黑、金属粉末或金属丝）可制得导电高分子材料。如果加入磁性填料（如铁氧体或稀土类磁粉）则可制成高分子磁性材料。32 化学功能高分子材料321 离子交换树脂离子交换是化学反应的一种形式，100多年前，英国人Thompson和Way就发现了土壤中的离子交换过程，从而引起人们的极大注意。第一种离子交换树脂的合成在1935年。由Adams和Holmes合成，是酚醛型离子交换树脂。后来各种类型的离子交换树脂不断出现，应用范围不断扩大，现已发展成用途极为广泛的一类功能高分子材料。一、离子交换树脂的分类定义：离子交换树脂是具有离子
8、交换功能的一类高分子材料的总称，这类材料在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，这种化学基团是由两种带有相反电荷的离子组成，一种是以化学键和主链结合的固定离子，另一种是以离子键与固定离子结合的反离子，反离子可以离解成自由移动的离子，并在一定条件下可与周围的其它类型的离子进行交换， 这种离子反应是可逆的，在一定条件下，这种交换上的离子可以解吸，从而使离子交换树脂再生，重复使用。1分类：根据交换基团的性质进行划分（1）强酸性阳离子交换树脂：带有酸性基团，可离解的是H+或金属阳离子，能与阳离子进行交换，这种树脂的大分子骨架上大多带有磺酸基，以R代表高分子骨架，这种树脂用RSO3H表示，在水溶液中发生
9、如下解离：RSO3HRSO3-+H+，这种树脂的酸性与硫酸、盐酸相近，在碱性、中性、甚至酸性溶液中都可解离。例：强酸性聚苯乙烯阳离子交换树脂： （2）弱酸性阳离子交换树脂：带有COOH， PO3H2、 OH官能团的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂，以含COOH官能团的用途最广。这种离子交换树脂只能在水中或碱性溶液中解离。显示交换功能。例：弱酸性甲基丙烯酸系阳离子交换树脂，结构式为： 在水中解离式为RCOOHRCOO-+H+（3）强碱性阴离子交换树脂：带有碱性基团，即可解离的反离子是羟基或其它酸根离子，能与阴离子进行交换，称为阴离子交换树脂，交换基团是季胺碱 是强碱型阴离子交换树脂，在水中离解
10、为：其中，把带三甲胺基的称为I型树脂，把带二甲基羟基胺N(CH2)2CH2CH2OH的称为II型树脂。这类树脂碱性强，可以在中性、酸性，甚至碱性中解离进行交换反应。例（4）弱碱性阴离子交换树脂：交换基团为NH2、NHR、NR2。在水中的解离反应式如下：（5）其它树脂a) 螯合树脂：在多取大分子链上带有螯合基团的树脂称为螯合离子交换树脂，它对特定离子具有特殊交换能力。例： 特点是对铜离子选择吸附性强。螯合树脂按下列方式吸附：b) 两性树脂：将阳离子交换基和阴离子交换机连在同一个高分子链上，就构成两性树脂。例：2离子交换树脂还可以根据其物理结构分为：凝胶型、大孔型和载体型三类树脂。二、离子交换树脂
11、的合成主要有两种方法，一种是将带有功能基的单体聚合，另一种是先制备聚合物，然后在大分子骨架上引入功能基。1聚苯乙烯系离子交换树脂：是以苯乙烯和二苯乙烯共聚物为母体制得的一类离子交换树脂，品种多、性能好、用途广，是离子交换树脂中最主要的品种。共聚物球粒的制备：苯乙烯和二苯乙烯以过氧化苯甲酰为引发剂，在以聚乙烯醇为悬浮稳定剂的水中加热，并激烈搅拌、进行悬浮聚合，最终制得共聚物球粒。交换基团引入a) 强酸性阴离子交换树脂的合成b) 阴离子交换树脂的合成2聚丙烯酸型离子交换树脂：由丙烯酸与二乙烯苯在过氧化物催化下悬浮共聚，得到性能良好的球状共聚物，然后，水解、氨解即可制得弱酸性阳离子交换树脂和各种阴离
12、子交换树脂。制弱酸性阳离子交换树脂：碱性条件下水介即成。制阴离子交换树脂：氨解，与二甲氨基丙胺反应，可制得阴离子交换树脂。例： 如果再将带有叔胺的弱碱性树脂放入碱性介质中，通入氯甲烷进行反应，即可制得季胺基的强碱性阴离子交换树脂。 三、离子交换树脂的性能1物性稳定性：离子交换树脂一般对酸稳定性高，对碱较低，阴离子交换树脂对碱都不很稳定。耐氧化性不同种类树脂差别较大，聚苯乙烯型树脂耐氧化性较好，一般说，交取度越高，耐氧化性越好。化学稳定性。离子交换树脂干树脂在空气中受热容易使骨架及功能基降低而破坏，通常盐基比酸型、碱型热稳定性好。例磺化聚苯乙烯、阳离子树脂可在150下使用，而其氢型只能在100-
13、120使用。热稳定性。离子交换对脂的力学性能包括强度、耐磨、耐压等性能随交联度增加而增加。力学稳定性。外观：离子交换树脂的形状、颜色，随种类、制备方法及用途有很大差别，但一般都成0.4mm-0.8mm粒径的胶状颗粒，以增大表面积，减少对流体阻力。2化性离子交换反应：是离子交换树脂最基本最重要的性能。中性盐分解反应：（强酸强碱树脂）：中和反应： 复分解反应：交换容量：也叫交换量，是指一定数量的离子交换树脂所带的可交换离子的数量，它是表示离子交换树脂质量的重要指标，反映了树脂对离子的交换吸附能力。为了方例起见，通常将交换容量分为总交换容量，工作交换容量和再生交换容量。总交换容量，表示单位量树脂中所
14、具有的可交换离子的总数，它反映了离子交换树脂的化学结构特点。工作交换容量：指离子交换树脂在一定条件下表现出的交换容量，它是离子交换树脂实际交换能力的量度。再生交换容量：是指离子交换树脂在指定再生剂条件下的交换容量。三者关系：再生交换量=0.51.0总交换量工作交换量=0.30.9总交换量利用率=工作交换量/再生交换量交换量可用重量单位（mmol/g干树脂）和体积单位（mmol/1mol湿树脂）表示。离子交换树脂再生的基本原理是利用离子交换的逆反应，加入再生剂使交换饱和的基团复原。3离子交换的选择性：离子交换树脂对溶液中各种离子有不同的交换能力，即对离子有选择性的吸附交换，这种对不同离子亲合性大
15、小的差异就是选择性，可用选择系数来表示。若溶液中只有A、B两种离子，则选择系数为： 树脂的选择系数；达到平衡时结合在树脂上A离子浓度；达到平衡时结合在树脂上B离子浓度；达到平衡时溶液中A离子浓度；达到平衡时溶液中B离子浓度；式可改写为： 从式知：若1，表示树脂对B离子选择性高于A离子。若=1，表示树脂A、B离子选择性相同。若La2+Ca2+Na+对同价离子，原子序数大，选择性高。Ba2+Sr2+Ca2+Mg2+ Cs+Ag+Rb+K+NH4+Na+Li+羟酸型弱酸性阳离子交换树脂同样对多价离子选择性高，但对氢离子选择性更高，所以用酸很容易再生。H+Fe3+Ba2+Ca2+Mg2+K+Na+。在
16、常温下，用强碱性阴离子交换树脂处理稀溶液时，各离子的选择次序为：SO42-CrO42-I-NO3-Br-Cl-OH-F-而弱碱性阴离子交换树脂对OH-有最大的亲合力。四、离子交换树脂的功能与应用1功能（1）离子交换功能：最基本功能，前面已讲过。（2）催化功能：离子交换树脂是固体不溶性变价酸、碱，所以它和一般低分子酸、碱一样对某些化学反应有催化作用。如阳离子交换树脂可用于催化酯化反应、缩醛化反应、烷基化反应、酯的水解、醇解、氨解等。阴离子交换树脂可用于醇、醛缩合等反应。优点：反应后催化剂只需过滤、容易分离、产物纯度高、催化选择性高、催化剂可再生，对设备无腐蚀。缺点：使用温度低。（3）吸附功能：与
17、溶剂接触时，有从溶液中吸附非电解质的功能，与非离子型吸附剂如硅胶、氧化铝类似，同时这种吸附作用还是可逆的，可用适当溶剂使其解析。（4）脱水作用：离子交换树脂的交换基团是强极性的，有很强的吸水性，因此干燥的离子交换树脂有很强的吸水功能。（5）脱色作用：色素大多为阴离子物质或弱极性物质，可用离子交换树脂除去它，如葡萄糖、蔗糖的脱色纯化。2应用：由于有以上功能，离子交换树脂可用于物质净化、浓缩、分离、脱色、催化。处理水：软化、脱碱、脱盐、工业废水（含铬、汞）提取铀和贵金属：如金矿中的少量金作催化剂补，离子交换树脂合成机理：CH3OCH2Cl醚的氧原子上有孤电子对，可以与缺电子的化合物如AlCl3，格
18、氏试剂生成络合物。322 高吸水性树脂提问：请问大家知不知道高吸水性树脂及加入高吸水性树脂的产品？举例？高吸水性树脂是近年开发的一种含有强的亲水性基团并具有一定交联度的功能高分子材料。过去的吸水性材料，如纸、棉、麻等吸水能力只有自知重量的15倍-40倍（去离子水），而且保水能力很弱。70年代中期，美国农业部首先开发出一种高吸水树脂，从此以后，各种类型的高吸水性树脂不断涌现，这些人工合成的树脂不溶于水，也不溶于有机溶剂，能吸收数百倍乃至数千倍自身重量的水，而且保水性很强，即使加压水也不会被挤出，因此引起世界各国科学家的广泛注意。近年来来，高吸水性树脂生产规模不断扩大，广泛应用于医疗卫生、建筑材料
19、、环境保护、农业、林业及食品工业中，开发前景十分光明。一、高吸水性树脂的分类及制备1 分类：按合成类型分：可分为接枝共聚、羟甲基化及水溶性高分子交联三类。按原料组成分：可分为淀粉类、纤维素类及合成树脂类。2 淀粉类的制备：淀粉是亲水性的天然多羟基高分子化合物，以淀粉为骨架的高分子与亲水性的合成高分子接枝共聚，即为这类高吸水性树脂。例：淀粉与丙烯腈接枝共聚，水介产物即得。制备方法：淀粉和丙烯腈在引发剂存在下进行接枝共聚，聚合产物在强碱存在下加压水解，接枝的丙烯腈变成丙烯酰胺或丙烯酸盐，干燥后即获得产品。机理：按自由基反应机理进行，引发剂采用使用最广泛的四价铈盐，硝酸铈胺溶于稀硝酸中，与淀粉形成络
20、合物，后者分解时，四价铈离子还原成三价铈离子，而淀粉中，葡萄糖单元上羟基中的氢被氧化成H+，以致淀粉形成自由基，同时伴随C2与C3键的断裂，淀粉自由基在丙烯腈单体存在下，随即引发单体接枝共聚，形成接枝链。这种树脂吸水率高，可达自身重量千倍以上，但长期保水性和耐热性较差。4纤维素类的制备纤维素与淀粉相似，也可以作为接枝共聚的骨架高分子，接枝单体除丙烯腈外，还可使用丙烯酰胺，丙烯酸等。纤维素经羧甲基化制备高吸水性树脂由日本一公司开发成功。合成：纤维素+单氯醋酸羟甲基纤维素纤维素高吸水树脂。纤维素高吸水性树脂吸水率比淀粉类差，但有特殊用途。如制造高吸水性织物，就可以用纤维素类高吸水性树脂与合成纤维混
21、纺。5合成树脂（1）聚丙烯酸系树脂例：丙烯酸类高吸水性树脂与淀粉类高吸水性树脂相比，具有更高的耐热性，耐腐蚀性及保水性。（2）聚丙烯腈系树脂我国学者用腈纶废丝经水解后，用Al(OH)3交联得到吸水达自重700倍的高吸水树脂，优点是成本低，废物利用。（3）聚乙烯醇日本一公司开发出一种聚乙烯醇和顺酐反应制备高吸水性树脂的方法。方法是将顺酐溶解在有机溶剂中然后加入粉末状的聚乙烯醇，加热搅拌进行均相反应，使聚乙烯醇上的部分羟基酯化并引入羟基，然后用碱处理得到改性的聚乙烯醇树脂。（4）聚环氧乙烷系：聚环氧乙烷交联得到的高吸水性树脂吸水能力不高，一般几十倍，但它是非电解质，耐盐性强，对盐水几乎不降低其吸水
22、能力，前面我们说的吸水多少倍都是指去离子水或蒸馏水，如果是盐水，其吸水能力大打折扣，下降幅度甚至十倍以上。（5）其它非离子型合成树脂：近年来，开发出了以羟基、醚基、酰胺基为亲水官能团的非离子型高吸水性树脂，但这类吸水性树脂吸水能力较小，一般只能达到50倍左右，通常不做高吸水材料，而是作为水凝胶使用。二、高吸水性树脂的分子结构和吸水机制多数高吸水性树脂实际上是具有一定交联度的高分子电解质，美国科学家Flory认为：可以用电解质的离子网络理论来解释，即在高分子电解质的立体网络构造的分子间存在可移动的离子对，由于显示高分子电解质电荷吸引力强弱的可移动离子的浓度在高吸水性树脂内侧往往比外侧高，即产生渗
23、透压，正是由于这种渗透压及水平高分子电解质之间的亲合力，从而产生异常的吸水现象。例如：含羧酸盐的高吸水性树脂在未与水接触时是固态网束，与水接触后亲水基与水作用，水渗入树脂内部羧酸钠离解为羧酸根离子和迁移性反离子Na+ ，羧酸根离子不能向外扩散。Na+也不能自由渗入水中，这样就使网络结构内外产生渗透压，使水分子进一步渗入树脂网络结构内部，这样高分子链间出现纯溶剂区、部分钠离子向纯溶剂区扩散，导致高分子链上带净电荷，由于静电斥力，使高分子网束扩散，大量水分子封存于高分子网内，因为受网结构的束缚，水分子运动受到限制，从而阻挡了失水。吸水时高分子网链扩展，又引起该网链弹性收缩，这两种因素平衡的结果决定
24、了高吸水性树脂的吸水能力。Flory总结实验规律，得出以下树脂吸水定量倍率的计算公式：吸水率（吸水后的重量/吸水前的重量）：在网络中固定的电荷浓度；S：浓液中电解质的离子浓度；：聚合物的亲水性；：交联度。方程式右端第一项表示渗透压、第二项表示与水的亲合力，分母表示交联度。尽管这个公式计算树脂的吸水能力会有所误差，但是用它来分析影响吸水能力的因素所得的结构则是正确的。三、高吸水性树脂的基本性能1吸水性：吸水性是高吸水性树脂最重要的特性，一般树脂吸水量可达自重的500倍-1000倍，最高可达5300倍。从Flory公式可以看出，吸水性与交联度关系很大，未交联的聚合物是水溶性的，无吸水性。但如果交联
25、度过大，网络空间偏小，也会降低吸水性，因此要控制适当的交联度。由于高吸水性树脂是高分子电解质，其吸水能力受被吸液的影响很大，例。水质pH值为3时，吸水能力为95ml/g，pH值为7.5时，则上升到339mml/g。对非电解质，尤其是纯水、吸收率最大，对电解质、吸收率明显下降。2保水性：高吸水性树脂与普通的纸棉吸水不同，纸棉吸水后加压可以把水重新挤出来，而高吸水性树脂则失水不多，这是因为吸水树脂一旦吸水就会溶胀成为凝胶状，高分子链被扩展而具有一定弹性，因此在加压下也不易挤出水来。3吸水状态的凝胶强度，高吸水性树脂的凝胶强度用受重物挤压后的凝胶破碎程度来衡量，因为高吸水性树脂有一定的交联密度，所以
26、凝胶强度较高，不易破碎，一般吸水量较低时，显示的强度越大。4吸氨性：高吸水性树脂大多为含有羟基的阴离子聚合物，由于部分羟基液中和，部分仍显酸性，故可吸氨，具有除臭作用。3 其它性能：增粘性：由于吸水后成凝胶，故粘度较高。防雾性：加到塑料薄膜中。四、高吸水性树脂的应用开发1农业方面土壤保水剂、改良剂：由于高吸水性树脂具有惊人的吸水性和保水性，因而可用作土壤保水剂，在干旱、水土流失严重的土壤中，添加大约（0.1-0.3）10-2，此类树脂，即可改善土壤的湿度及透气性。植物幼苗移植用保水剂：将被移植树苗的根部在含110-2高吸水性树脂凝胶中处理后，大大延长了移植保存期，根高了树苗成活率。此法也可用于
27、蔬菜等经济作物及菌类的移植。如烟草移植，提高成活率30%。提高种子发芽率：将树脂和其它物质配合制成种衣剂、包裹种子后，再播种，可提高发芽率10%，增产20%左右，如和草拌种后，可大大提高飞播、种草的成活率。水果蔬菜保鲜：用高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包装薄膜，用于包装果蔬，可在一定程度上调节局部体系的气氛，湿度，从而有效地控制水果蔬菜的呼吸代谢，起到保鲜作用。2工业方面涂料添加剂：高吸水性树脂在高湿度下能吸收水分，在低湿度下又能释放水分，为此可制成涂料涂敷于无纺布上，用于内墙装饰，防止结露，这种涂料还可用于电器仪表作防潮剂。工业脱水剂：可脱除有机溶剂中的水，如苯、乙醚、石油烃等与水不相溶
28、物质中的水分脱除。建筑工业中的使用：在建筑工程中应用越来越普遍，如将树脂混在橡胶和混凝土中用作堵水剂，与聚氨酯、聚氯乙烯混合可作水密封剂。还可用作水泥养护剂加少量树脂于水泥中，可吸收并保持大量水分，并缓慢放出，保证了水泥内部水化完全均匀，使制品强度高。医用材料：把高吸水性树脂加到纸或纤维中，可制成吸收液体性能良好的卫生纸，垫褥、绷带、外科手术袋。现有一种纸，含0.4克高吸水性树脂，总重5.5g，可吸收128克水，吸尿为40-50g。用高吸水性树脂部分与水作用后形成水凝胶，用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡病特别有效，感染少，焦痂少，用高吸水树脂作的肾过滤材料，可以调节血液中水分含量。如将高吸
29、水性树脂添加于药物中，可改善药物在人体中释放速度，从而大大提高药效。323 高分子絮凝剂自然界很少有绝对纯净的物质，通常物质都是以混合的形态存在的，由两种或两种以上的物质混合而成的体系通称为分散体系，分散体系类型很多，在液固分散体系中常要使固体分散相从分散介质中分离出来，如污水处理。根据斯托克斯（G.G.Stokes）的工作，我们的知道，一个球型离子受重力作用，在静止的液体中进行沉降时，其沉降速度与粒子直径的平方成正比，一般直径小于100m的细小粒子，其自然沉降速度是极其缓慢的，实际上完全靠重力的作用，这些微粒是不能沉降的。而工业废水、生活废水及其它水悬浮体中所含的固体都是难以沉降的胶体分散相
30、或粗的分散相类物质，必须利用有絮凝功能的絮凝剂进行分离，以除去悬浮物质。一、絮凝机理基本原理：为了加速悬浮离子的沉降，必须设法破坏粒子在体系中的稳定性，促使其碰撞，以达到增大其粒子因次的目的，这就是絮凝作用的基本原理。高分子絮凝剂的絮凝机理：在稳定的胶体分散体系中，一个长链大分子可同时吸附两个或几个胶粒，或是一个胶粒可同时吸附两个高分子链。因而可以以架桥的形式把胶粒裹集起来而聚沉。也可能是大分子链中的极性基团在胶粒表面上进行无规则吸附而使胶体聚沉。例，a) 架桥作用b) 吸附絮凝作用：凡具有架桥或表面吸附而导致分散相成絮团而沉降的过程，叫絮凝作用。高分子絮凝剂，起絮凝作用的高分子材料叫高分子絮
31、凝剂。二、高分子絮凝剂应具备的条件应具有水溶性：由于絮凝剂主要用于水中，为了均匀发挥絮凝作用，需要高分子絮凝剂在水中均匀分散，溶解。应有吸附活性剂：通过活性基，使悬浮颗粒在絮凝物上附着或使反应颗粒进行聚集（絮凝化）。活性基的种类有阴离子、阳离子、非离子。三、高分子絮凝剂的分类（按水中离解后留下的活性基来分）阴离子型聚合物：主要以聚丙烯酰胺结构为基础，分子链中酰胺基部分水解成羧基，所以带负电荷，但电荷密度一般较低，由于分子链带有负电荷，使大分子在水溶液中可以更好地伸展，从而增加了对悬浮离子的捕集或架桥作用：但如果负电荷密度过高，又会影响絮凝剂对负电荷离子的吸附，反而降低其絮凝作用，为了增加其絮凝
32、效果，阴离子絮凝剂大多分子量很高，一般几十，几百，甚至几千万。阴主子絮凝剂主要有：聚丙烯酸盐： 聚丙烯酰胺：聚苯乙烯磺酸钠：2阳离子絮凝剂；阴离子絮凝剂一般是在侧基或支链上带有正电荷的阳离子聚电解质，例高分子量的聚丙烯酰胺的水解产物。例：合成：另外，还有一类高分子主链上具有正电荷的阳离子聚电解质，这类聚电解质分子量不高，但却有很好的絮凝作用，一般分子量在10万以下。例：聚季胺盐由于水中悬浮的物质大多是带负电荷的，所以阳离子絮凝剂除了有吸附架桥作用外，还有中和电荷的作用。3非离子絮凝剂例，聚丙烯酰胺目前，国内外所采用的高分子絮凝剂中，聚丙烯酰胺仍为重要产品，占80%左右。四、高分子絮凝剂的特点高
33、分子絮凝剂与无机絮凝剂相比，有如下特点：用量少、效果好，适用范围宽，所形成的絮体大、沉降快，污泥量少且易于脱水。适应范围：阴离子型：适用无机盐类（带重金属的氢氧化物等），pH要求中性，碱性（在强碱及高温下絮凝效果仍不降低）例，选矿、电镀、机械、洗煤、纸浆废水等。阳离子型，适用有机物，pH要求强酸、中性，例，生活污水，食品加工企业下水、油脂废水等。非离子型：适用无机质或无机有机混合体系，pH要求弱酸性、弱碱性、中性（不易受pH和金属离子的影响，尤其在酸性介质中有效）例矿石加工等废水。高分子絮凝剂是水溶性线性大分子的化合物，分子量很高，长链分子中含有很多极性基团，分子链的长径比高达103以上。因此
34、就电荷中和或表面吸附等捕集胶体粒子的能力，一个大分子相当于几十、几百甚至几千个低分子电解质絮凝剂分子的作用，而且可以同时吸附几个、几十个胶体微粒以形成架桥的形态，所以更促进了胶粒的絮集和沉淀，这是低分子絮凝剂所不具备的特点。高分子絮凝剂的分子量、分子量分布，组成结构及所带电荷量与絮凝性能密切相关。高分子絮凝剂的分子量越大，分子链愈长，架桥作用愈强，絮凝效果越好，但其分子量不可太大。一般在107以下，而且分子量过大，溶解困难，大分子运动慢。吸附的粒子空间距离太远，不易聚集，絮凝效果反而变差。分子链卷曲会使絮凝效果变差，相同分子量的聚合物，直链比支链絮凝效果好。在实际使用中，对不同的水质条件，究竟
35、采用何种絮凝剂以及絮凝剂的最佳用量及操作条件，都要通过实验确定。通过实验知，为了提高絮凝效果，常常采用低分子量絮凝剂与高分子量絮凝剂并用的技术，即先加入一些低分子量絮凝剂，再加高分子量絮凝剂、效果较好。尤其是用阴离子和非离子絮凝剂时尤为重要，此外不同种类絮凝剂并用效果也较好，可发挥协同作用。五、高分子絮凝剂的应用1一般水处理中，高分子絮凝剂在水处理中占有很重要的地位，应用日益广泛，不仅用于给水及废水处理，而且也可用于循环水处理，除了具有除浊、脱色作用外，还可去除水中所含的高分子物质，病毒、细菌、微生物、焦油、石油、食用油脂等有机物，表面活性剂、农药，含氮、磷等富营养物质以及汞、铬、镉、铅等金属
36、及放射性物质。2工业废水：尤其是造纸废水、废水产量大、类别多、水质较复杂，但用高分子絮凝剂处理却都能获得较好的絮凝效果。同时还能回收部分有用物质，如造纸废渣制木质素磺酸钠，用做水泥减水剂。当前造纸废水处理主要是经济问题，而不是技术问题。3污泥脱水，主要用在清污，如人工湖泊、护城河，加高分子絮凝剂后，污泥中的固体物沉降，水脱出，有利于清除污泥。4冶金选矿：如分离铝土矿的污泥，将聚丙烯酰胺和淀粉并用，可大大提高沉降速度。5食品工业：在糖汁的澄清过程中，使用丙烯酸丙烯酰胺共聚物，大大提高了澄清速度。6化乳业，电解食盐水所含的Ca2+、Mg2+如用聚丙烯酸钠去除，比加NaOH使之沉淀要快的多，在隔膜法
37、制缄时，碱液中含（1-2）10-2氯化钠和Fe3+等杂质，限制了产品应用、添加少量高分子絮凝剂，即可使杂质凝聚，过滤除去，即可得到纯碱。33 光功能高分子材料定义：光功能高分子材料是指能够对光进行传输、吸收、贮存、转换的一类高分子材料。例如：感光树脂、光致变色材料、光导纤维、光学塑料等。331 感光性树脂定义：感光树脂是指在光作用下能迅速发生光化学反应，引起物理和化学变化的高分子。这类树脂在吸收光能量后，分子内或分子间发生化学或结构的变化，吸光过程可由具有感光基团的高分子本身来完成，也可由加入感光材料中的感光性化合物（光敏剂）吸收光能后引发化学以应来完成。历史：感光性树脂的研究和应用已有很长的
38、历史，最早应用于印刷制版，现主要用于电子工业中，作光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的应用促使电子工业向高集成、微型化和高的可靠性方向发展。3311 光致抗蚀剂一、光致抗蚀剂的分类及作用（1）作用：光致抗蚀剂又称光刻胶，是将感光性树脂溶于适当溶剂中，并加入增感剂而成当其受到光照后，即发生交联或分解反应，引起溶解度的变化。光刻：在半导体电子器件或集成电路的制造中，需要在硅晶体或金属等表面进行选择性的腐蚀，为此，必须把不应腐蚀的部分保护起来，将光刻胶均匀涂布在被加工物体且面，通过对所需加工后的图形进行曝光，由于受光与未受光照部分发生溶解度的差别，光后用适当溶剂显影，就可得到由光刻胶组成的图形，再用适当腐蚀液除
39、去被加工表面的暴露部分，就形成了所需要的形状，这种刻蚀工艺叫光刻。光刻工艺可以加工细到1/1000mm的线条，并能精确控制图形尺寸和位置。（2）分类按光化学反应分，可分为光交联型和光分解型。按聚合物的形态或组成又可分为：感光性化合物与聚合物的混合型及具有感光基团的聚合物型。按成像作用不同，还可分为负性光致抗蚀剂和正性光致抗蚀剂。1负性光致抗蚀剂：在紫外光作用下，光刻胶中光照部分产生交联反应，溶解度变小，用适当溶剂即可把未曝光的部分显影后除去在被加工表面表成与曝光掩膜相反的负图像，因此称为负性光致抗蚀剂。2正性光致抗蚀剂：在紫外光作用下，光刻胶的光照部分发生分解，溶解度增大，用适当溶剂可以把光照
40、部分显影后除去，即形成与掩膜一致的图像，因此称为正性光刻胶（如上图）。二、光致抗蚀剂的性能作为光致抗蚀剂的树脂应具有一定的感光速度，分辨力、显影性及图像持久性。1感光速度（感度）感光树脂的感度被定义为：S=K/E，S感度，K常数，E曝光能量。曝光能量：即感光树脂在一定条件下，曝光，使其转变为不溶性物质时所需的能量，能量E是由曝光光源的光强度（I）和光曝时间（t）所决定的E=It。直接测定曝光能量需特殊装置，而且测量过程也很复杂，所以用相对方法来测定感光树脂的感度。由于感光树脂只对一定波长的光敏感，所以必须给出曝光光源的波长。感光树脂的感度主要取决于高分子的结构，尤其是分子中感光性官能团的种类和
41、数量。感光性官能团对感度的影响感光树脂 感光性官能团 感度聚乙烯醇肉桂酸酯 2.2 聚乙烯醇氯代肉桂酸酯 2.2 聚乙烯醇硝基肉桂酸酯 3.50 聚乙烯醇叠氮苯甲酸酯 4400 2分辨力：分辨力指两条以上等间隔排列的线与线之间的幅度能够在感光面上出现宽度（最小线宽），也以在单位长度上等间隔排列的线数来表示，如分辨力为200线/mm，是指能够清晰区别5m的线宽。影响分辨力的因素，对高分子来说，其粒子大小就是分子大小，也就是10nm。（由此大家可以想象纳米材料的颗粒大小已达高分子的分子大小），所以分辨力还有增大可能。在目前，光致抗蚀剂可以达到分辨力100线/mm即区别1m。但目前使用的光学系统，要
42、想测定2000线/mm以上分辨力是办不到的。从理论上讲，分辨力可达2000线-5000线/mm，即集成电路还可以做的更小。3显影性：显影性是指显影工序操作的各种条件和图像特性之间的相互关系，也就是显影液的组成、温度、显影时间、显影方法等的条件变化与感光性高分子的感度，分辨力之间的关系。一般讲，显影条件对于感度和分辨力等特性变化影响小的材料称之谓显影性好。开发感光性高分子时，显影性往往被忽视，然而它却是非常重要的因素。比如说，即使获得了高感度、高分辨力的感光性高分子，如果它又有在非常严格的显影条件下才能达到要求，那么要想投入生产是很困难的，（这一点在我们开发精细化工产品时也要注意，比如高真空、高
43、压、几百个压力，投入生产就很困难）。4耐用性：以光致抗蚀剂型的高分子作抗蚀膜时，在腐蚀、电镀或印刷等工序必须保持最大限度的耐用性。比如：腐蚀是将腐蚀液垂直喷向抗蚀面来进行的，从而在垂直方向较快的进行了腐蚀，得到了所要求的凹凸面，抗蚀剂的耐用性是，除了不溶于腐蚀剂的溶液和粘接牢固外，柔软性也大。5易剥膜性：在光刻和电成型加工后，需要剥膜去除抗蚀剂，此时必须是不浸蚀金属，仅仅去除抗蚀剂，不论抗蚀剂性能多好，如若剥膜不顺利就会妨碍使用。总之，感光性树脂的性能受许多因素影响，如膜的厚度一般增加膜的厚度，感度和分辨率下降。树脂的分子量愈大，感度越高，但分辨率下降。树脂的分子量愈大，感度越高，但分辨力下降
44、，但分子量分布愈窄，愈有利于感度和分辨力的提高，此外显影液的组成和配比对光刻质量也有影响。三、光增感定义：光化学反应是由分子或原子吸收光而引发的，但有些化合物不能直接吸收光子，或必须吸收高能量的光子才能进行反应，此时，光化学反应就不易进行，因此，可在体系中加入另一种化合物，它可直接吸收光能，然后再将能量转移给感光性分子，使后者发生反应，这种现象叫增感。增感通常分为两类，一类叫化学增感，此时感光性物质的固有感光波长范围无变化，另一类叫光学增感（光谱）此时感光性物质的固有感光波长延伸到长波段，光学增感是感光剂分子向感光性分子进行能量转移。感光性高分子的光增感过程可用图来说明，增感剂分子吸收光能之前
45、处于基态S0，分子中的电子处于成键轨道上，自旋配对方向相反，一旦增感剂分子吸收了能量，分子中的一个电子被激发到反键轨道上，自旋方向不变，这时，增感剂分子就由基态S0激发以高能级的激发三线态S（S1），有效的增感剂分子不是发射荧光回到基态，而是使激发到反键轨道上的电子自旋方向改变，从而变为激发三线态S（T1）虽然激发三线态的能量较S1低，但寿命较长，所以它有足够的时间与其它分子碰撞进行能量转移，如果与感光性高分子（P）碰撞，后者受激由基态P（S0）激发到三线态P（T1），处于激发态的感光性树脂分子相互碰撞而发生反应，如交联或分解，在此过程中，不管是处于三线态的增感剂分子还是增感性树脂的分子都有一
46、部分通过发射磷光而回到基态。由上面分析知：为了实现增感，必须满足下列条件。吸收光能而激发的增感剂分子，为了将能量转移给感光性高分子必须有足够长的寿命。增感剂的三线态能级必须高于感光性树脂的三线态能级。例：聚乙烯醇肉桂酸酯的光交联和叠氮化合物的光分解过程的光增感作用都是通过光增感剂分子的激发三线态向感光性树脂的能量转移而实现的。聚乙烯醇肉桂酸酯加入增感剂5-硝基苯，使它的感光波长从300nm移到450nm处，同时感度也大大增加。四、光交联型光致抗蚀剂（不溶）1聚乙烯醇肉桂酸酯系抗蚀剂：以肉桂酸酯为感光基的肉桂酸系列高分子是典型的交联型光致抗蚀剂，其中聚乙烯醇肉桂酸酯是良好的抗蚀剂之一，已得到普便使用。合成：聚乙烯醇肉桂