功能高分子材料复习题

《功能高分子材料》复习题

一、功能高分子材料按其功能性可以分为几类？

功能高分子可从以下几个方面分类：

1. 力学功能材料：

1) 强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；

2) 弹性功能材料，如热塑性弹性体等。

2. 化学功能材料：

1) 分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；

2) 反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；

3) 生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。

3. 物理化学功能材料：

1) 耐高温高分子，高分子液晶等；

2) 电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子，感电子性高分子等；

3) 光学功能材料，如感光高分子、导光性高分子，光敏性高分子等；

4) 能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等。

4. 生物化学功能材料：

1) 人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；

2) 高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；

3) 生物分解材料，如可降解性高分子材料等。

二、说明离子交换树脂的类型及作用机理？试述离子交换树脂的主要用途。

1.阳离子交换树脂。机理：解离出阳离子、并与外来阳离子进行交换；

R-SO3H + M+—— R-SO3M+ H+

2.阴离子交换树脂。机理：解离出阴离子、并与外来阴离子进行交换。

RN+H3OH- + X-——RN+H3X- + OH-

3.应用：

1）水处理：包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备。

2）冶金工业：分离、提纯和回收铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属。

3）原子能工业：包括核燃料的分离、提纯、精制、回收等，还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。

4）海洋资源利用：从海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料，用以海水制取淡水。

5）食品工业：制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛地应用。

6）医药工业：例如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、中和及中草药有效成分的提取等。

7）化学工业：在化学实验、化工生产上是重要的单元操作，普遍用于多种无机、有机化合物的分离、提纯、浓缩和回收等。

8）环境保护：在废水、废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重要应用，已普遍用于电镀废水、造纸废水、矿冶废水、生活污水、影片洗印废水、工业废气等治理。

三、按膜的功能简述高分子分离膜的分类及其分离机理。

1.微孔膜、超过滤膜、反渗透膜、纳米滤膜、渗析膜、电渗析膜、渗透蒸发膜等。

2.机理：

1）微孔膜：是以静压差为推动力，利用膜孔对溶液中的悬浮微粒的“筛分”作用进行分离的膜过程。小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。

2）超过滤膜：过滤粒径介于微滤和反渗透之间，约5～10nm，在 0.1～0.5 MPa 的静压差推动下截留各种可溶性大分子

3）反渗透膜：通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力，使得原液中的溶液压到半透膜的另一边。

4）纳米滤膜：截留粒径在0.1～1nm，分子量为1000左右的物质，可使一价盐和小分子物质透过，具有较小的操作压（0.5～1MPa）。其被分离物质的尺寸介于反渗透膜和超滤膜之间。

四、在膜的分离过程中，可以有哪些驱动力？它们各自驱动的膜过程是什么？

有压力差、浓度差或电位差等驱动力。

1.压力差：通过在待分离液一侧加上比渗透压高的压力，使得原液中的溶液压到半透膜

的另一边。分离截留的机理为筛分，小于孔径的微粒随溶剂一起透过膜上的微孔，大于孔径的微粒被截留。

2.浓度差：高浓度水溶液向低浓度水溶液一侧迁移。

3.渗透压：低浓度水溶液向高浓度水溶液一侧迁移

4.反渗透：在高浓度水溶液一侧加压，使高浓度水溶液侧与低浓度水溶液侧的压差大于

渗透压，则高浓度水溶液中的水将通过半透膜流向低浓度水溶液侧。

五、高吸水性树脂为什么能大量吸水并保水？

1.大量吸水的原因：

具有一定的交联度，少量交联后，吸水率会成百上千倍地增加，是一种三维空间网络结构，使其吸水方式既有物理吸附，又有化学吸附和网络吸附。

分子中含有亲水性基团和疏水性基团：当亲水性基团与水分子接触时，会相互作用形成各种水合状态。高分子网状结构中的疏水基团因疏水作用而易于斥向网格内侧，形成局部不溶性的微粒状结构，使进入网格的水分子局部冻结，失去活动性，形成“伪冰”（False ice）结构。

高吸水性树脂中的网状结构对吸水性有很大的影响。

2.分子中大量的-COOH、－OH和酰氧基团与H2O之间的强烈范德华力吸收水分子，并由网

状结构的橡胶弹性作用将水分子牢固地束缚在网格中，水分子的热运动受到限制，不易重新从网格中逸出。吸足水后，即形成溶胀的保水能力很强的凝胶体，即使加压也不易挤出。

六、试分析影响高吸水性树脂吸水能力的因素。

高吸水性树脂的吸水能力一般从吸水性和吸水率两个指标判断：

1.交联度对吸水性的影响：

在未经交联前，一般为水溶性，吸水性很低，少量交联后，吸水率会成百上千倍地增加；

但是交联密度过高，造成网格太小而影响水分子的渗透，同时，橡胶弹性的作用增大，不利于水分子向网格内的渗透，吸水能力降低。

2.水解度对吸水率的影响：

吸水率一般随水解度的增加而增加，但当水解度高于一定数值后，吸水率反而下降。

3.被吸液的pH值与盐分对吸水率的影响：

酸碱盐的存在一般会降低树脂的吸水率和吸水性。

4.受形状所影响：

树脂的比表面积越大，吸水速率也越快。

七、什么是掺杂？为什么掺杂后的共轭高聚物的电导率可大幅度提高？

“掺杂”一词源于半导体化学，指在纯净的无机半导体材料中加入少量具有不同价态的第二种物质，用以改变半导体材料中空穴和自由电子的分布状态。高聚物中因添加电子受体或电子给体而提高电导率的方法称为“掺杂”。

掺杂的结果是亚能带间的能量差减小，电子的移动阻力降低，使线性共轭导电聚合物的导电性能从半导体进入金属导电范围。

八、简述正性胶和负性胶的作用原理。

光致抗蚀剂根据光照后溶解度变化的不同分为正胶和负胶。

负性光刻胶是在光照下，涂层的溶解度下降，在溶解过程中（也称为显影过程）被保留下来，在化学腐蚀过程中（也称为刻蚀过程）保护氧化层。

正性光刻胶的性能正好相反，感光胶被光照后溶解度增加，在显影过程中被除去，其所覆盖部分在刻蚀过程中被腐蚀掉。

九、液晶分子的主要组成单元是什么？各自的作用是什么？

1.液晶分子的主要组成单元是致晶单元（X），连接单元（Y），柔性基团（Z）。

2.致晶单元通过刚性连接单元（Y），又称中心桥键，连接组成，这个刚性连接单元能够阻止两个环的旋转，扩大刚性部分尺寸的基团，使刚性单元的几何形状呈扁、平、长的形状。

在致晶单元的端部通常有一个柔软、易弯曲的基团Z，这个端基单元是各种极性或非极性基团，对形成液晶具有一定的稳定作用，是不可缺少的结构因素。

十、溶致型液晶高分子和热致型液晶高分子有哪些主要区别？

1.形成条件不同：热致型液晶是依靠温度的变化，在某一温度范围形成的液晶态物质。多数液晶是热致型液晶。溶致型液晶是因加入溶剂（在某一浓度范围内）而呈现液晶态的物质。

2.形成溶致型高分子液晶的分子结构必须符合两个条件：分子应具有足够的刚性和相当的溶解性。主要应用在高强度、高模量纤维和薄膜的制备方面。

3.从结构上看，热致型液晶高分子相当于在刚性的线型分子链中，嵌段地或无规地接入柔性间隔基团。这类液晶具有高结合度和高熔点，不能在热分解温度以上生成液晶相。

十一、对于医用高分子材料与常规高分子材料相比，其要求有何不同？

与常规高分子材料相比，医用高分子材料要求其具有生物功能性、生物相容性、生物安全性。

1.生物功能性：生物医学材料在植入后行使功能的能力，或为执行功能，其自身和植入位置应当满足的适当的物理化学要求。

2.生物相容性：生命体组织与非生命材料产生合乎要求的反应(生物学行为)的一种性能，决定于材料与活体间的相互作用。

3.生物安全性：采用生物学方法检测材料对受体的毒副作用，从而预测该材料在医学实际应用中的安全性。

十二、环境可降解高分子材料可以分几类？请举例说明。

按降解机理不同，可分为全生物降解高分子材料 (Biodegradable polymers)和生物破坏型高分子材料 (Biodestructible polymers)。

1.全生物降解高分子材料包括：

天然高分子材料及其衍生物，如纤维素及其衍生物、甲壳素和壳聚糖、热塑性淀粉；

合成高分子材料，如脂肪族聚酯、聚乙烯醇及其衍生物、聚乙二醇及其衍生物、聚氨酯及其改性物；

微生物合成高分子材料：脂肪族聚酯、聚乳酸等生物聚酯、其他微生物合成高分子。

2.生物破坏型高分子材料包括：淀粉与生物惰性高分子的共混物、合成脂肪族聚酯与生物惰性高分子的共混物、天然矿物粉、合成脂肪族聚酯与生物惰性高分子的共混物。