第十章 天然高分子
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高分子科学导论天然高分子材料
• 淀粉是自然界中产量仅次于纤维素的碳水化合物，是由 D-葡萄糖通过α糖苷键组成的多聚糖。
• 未经改性处理的淀粉称为原淀粉，呈颗粒结构有一定大小和形状，水分 含量高，蛋白质少的淀粉颗粒较大。
• 淀粉颗粒具有结晶结构，结晶结构占颗粒体积25% ~ 50%。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
Source of the Starch
能，研究者们开始致力于天然高分子的改性研究，并 已成为近年来的研究热点。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
Classification of the Natural Polymers
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
• 多聚糖类 • 淀粉、纤维素、木质素、甲壳素、
• 多聚肽类 • 蛋白质、酶、激素、蚕丝。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
Advantage of the Natural Polymers
• 价格低廉、来源广泛，在自然界动植物中广泛存在。
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
Advantage of the Natural Polymers
• 绿色、清洁、具有可生物降解性和可再生性，
二氧化碳
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
Application of Starch
•
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
另外在石油工业、造纸工业、纺织工业等领域中淀粉也常被用做增稠剂 纤维素是自然界中存在量最大的天 然高分子化合物。
• 纤维素由很多 D-吡喃葡萄糖单元以 β(1-4)苷键连接而成。
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Polysaccharide
淀粉 纤维素
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
壳聚糖
• 自然界存在 着大量的多 糖类高分子
• 未经改性处理的淀粉称为原淀粉，呈颗粒结构有一定大小和形状，水分 含量高，蛋白质少的淀粉颗粒较大。
• 淀粉颗粒具有结晶结构，结晶结构占颗粒体积25% ~ 50%。
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Source of the Starch
能，研究者们开始致力于天然高分子的改性研究，并 已成为近年来的研究热点。
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Classification of the Natural Polymers
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• 多聚糖类 • 淀粉、纤维素、木质素、甲壳素、
• 多聚肽类 • 蛋白质、酶、激素、蚕丝。
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Advantage of the Natural Polymers
• 价格低廉、来源广泛，在自然界动植物中广泛存在。
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Advantage of the Natural Polymers
• 绿色、清洁、具有可生物降解性和可再生性，
二氧化碳
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Application of Starch
•
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另外在石油工业、造纸工业、纺织工业等领域中淀粉也常被用做增稠剂 纤维素是自然界中存在量最大的天 然高分子化合物。
• 纤维素由很多 D-吡喃葡萄糖单元以 β(1-4)苷键连接而成。
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Polysaccharide
淀粉 纤维素
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壳聚糖
• 自然界存在 着大量的多 糖类高分子
2020年智慧树知道网课《材料概论》课后章节测试满分答案1
第一章测试1【判断题】 (10分)材料是人类社会生活的精神基础。
A.对B.错2【判断题】 (10分)青铜是铜锡合金。
A.对B.错3【判断题】 (10分)芯片是各种集成电路和原件刻蚀在线路板上的一个综合体。
A.错B.对4【判断题】 (10分)日常生活中家庭用到的空调洗衣机、冰箱电视的壳体材料基本是塑料这种高分子材料。
A.错B.对5【单选题】 (10分)材料是人类用于制造各种产品和有用物件的（）。
A.生产力B.原料C.设备D.物质6【单选题】 (10分)恩格斯曾经这样论述，人类从低级阶段向文明阶段的发展，是从学会制开始的。
A.青铜器B.瓷器C.陶器D.铁器7【单选题】 (10分)目前风力发电机叶片所用的材料为。
A.高分子材料B.金属材料C.无机非金属材料D.复合材料8【多选题】 (10分)根据材料对社会历史发展作用，人类社会按照材料命名可以包括的时代为。
A.铁器时代B.新材料时代C.石器时代D.青铜器时代E.硅时代9【多选题】 (10分)以金属为主制造的建筑物包括。
A.金门大桥B.港珠澳大桥C.埃菲尔铁塔D.世界贸易中心大厦E.三峡大坝10【多选题】 (10分)超导计算机中的运算速度可以达到每秒8000万次，元件完全不发热。
这些优异性能主要基于超导陶瓷的基本特征。
A.完全抗磁性B.高度绝缘性C.完全导电性D.良好导热性E.完美半导体第二章测试1【判断题】 (10分)材料的组成与结构决定了材料的基本性质。
A.错B.对2【判断题】 (10分)材料合成是把原子和分子通过分子间作用力的方式结合起来，最终变成有着微观结构的宏观材料。
A.错B.对3【判断题】 (10分)原子的核外电子,包括原子核，是可以借助于显微镜这样的设备观察到的。
A.对B.错4【判断题】 (10分)金属键就是带正电荷的金属原子与核外带负电荷的自由电子通过静电作用而形成的化学键。
A.对B.错5【单选题】 (10分)材料的宏观尺度，就是通过人的肉眼可以见到的超过人眼极限分辨率以上的尺度。
ch2-天然高分子
• 实验室的试剂淀粉是纯直链淀粉；糯米中 的淀粉全部是支链淀粉。前者与碘反应呈 蓝色，后者呈紫色。
2.1.2 淀粉
为了扩大应用，淀粉也常需进行化学变性。变性淀粉 的主要类型如下： 氧化淀粉 用次氯酸盐或过氧化氢等氧化剂使淀粉氧化。氧化淀粉主 要用于造纸工业的施胶剂，包装工业的纸箱胶粘剂，纺织工业 的上浆剂和食品工业的增稠剂等。 交联淀粉 淀粉与具有两个或多个官能团的化学试剂如环氧氯丙烷和 甲醛等交联剂作用，使不同淀粉分子的羟基间联结在一起，所 得衍生物称为交联淀粉。主要用于食品工业的增稠剂及赋形剂， 纺织工业的上浆剂和医药工业外科乳胶手套的润滑剂。
1．纤维素酯
• 纤维素与硝酸或醋酸酐作用后便生成纤维素硝 酸酯或醋酸酯，俗称硝酸纤维素或醋酸纤维素。 • 醋酸纤维素中应用最广的是二醋酸纤维素，因 为它溶于廉价的溶剂(如丙酮)中。
Cell
OH + HNO3
Cell
ONO2 + H2O Cell COCH3 + CH3COO H 纤维素醋酸酯 O
纤维素 Cell OH + (CH3CO)2O 纤维素
甲基纤维素
乙基纤维素
Cell
OH + ClCH2COOH + NaOH Cell OCH2COONa + NaCl + H2O
羧甲基纤维素
Cell
OH +
CH3CH O
CH2
Cell
OCH2CH OH
CH3
羟丙基纤维素 （端羟基还能进一步被醚化）
用纸制品代替塑料是否环保？
1. 生产纸要砍伐森林。 2. 造纸要用碱和其他化工原料， 废水污染严重。 3. 劣质纸制品也含有毒物质。
2.1.2 淀粉
天然高分子
缝线的基本要求， 具有以下特点： • １柔软性好，便于结扎； • ２具有创伤治愈效果，伤口修复快，创口平整 漂亮； • ３可在体内生物分解，分解产物安全无毒； • ４对胰液、胆汁等碱性消化液耐受性高。
• 用壳聚糖制成的医用纤维膜具有均匀、透 明、手感好、柔软、良好的透气性、吸水 性和杀菌性等优点。 • 中国纺织大学己成功地将壳聚糖无纺布、 壳聚糖流涎膜、壳聚糖涂层纱布等多种医 用敷料用于临床；其中用壳聚糖醋酸溶液 制成的壳聚糖无纺布，透气透水性能极佳， 用于大面积的烧、烫伤，能吸收组织渗出 液，防止感染，效果很好。
• 甲壳素和壳聚糖的制备方法比较简单， 工艺已很成熟。采用虾或蟹壳，经清洗 后浸酸脱钙，再用碱液脱除蛋白即得到 甲壳素。如继续以浓碱去乙酰基则得到 壳聚糖。 • 壳聚糖的脱乙酰化度和分子量是其两项 重要参数。
另外不同原料（蟹虾壳、海蟹壳、对虾壳、 河虾壳和蚕蛹）用同一方法在相同条件下 制备壳聚糖，收率分别为 13.6%、12.3%、 10.5%、8.70%、l.8%，可见螫虾壳和海蟹 壳是首选原料。此外，还可用酶法、微波 法制备壳聚糖。
• 纤维的结晶程度在不同天然纤维间也存在差异， 一般来说，随着结晶程度的提高其抗张程度、硬 度、密度增加，但弹性、韧性、膨润性、吸水性、 化学反应性下降。精制的天然纤维素其结晶度约 为７０％，丝光纤维约为４８％，再生纤维约为 ３８％～４０％。 • 无定形区的纤维分子排列杂乱，因而较易进行化 学反应。纤维素是一种非还原性的碳水化合物， 不溶于水和一般有机溶剂，但能溶解于某些碱性 溶剂和高浓度的无机酸溶液如铜胺碱、季胺碱亦 可溶解于若干种盐的浓水溶液中。
• 纤维素及其衍生物还可以用作载体进行 多种酶的固定，微胶囊的制备和药物释 放系统，齿科修补材料和止血剂。
• 用壳聚糖制成的医用纤维膜具有均匀、透 明、手感好、柔软、良好的透气性、吸水 性和杀菌性等优点。 • 中国纺织大学己成功地将壳聚糖无纺布、 壳聚糖流涎膜、壳聚糖涂层纱布等多种医 用敷料用于临床；其中用壳聚糖醋酸溶液 制成的壳聚糖无纺布，透气透水性能极佳， 用于大面积的烧、烫伤，能吸收组织渗出 液，防止感染，效果很好。
• 甲壳素和壳聚糖的制备方法比较简单， 工艺已很成熟。采用虾或蟹壳，经清洗 后浸酸脱钙，再用碱液脱除蛋白即得到 甲壳素。如继续以浓碱去乙酰基则得到 壳聚糖。 • 壳聚糖的脱乙酰化度和分子量是其两项 重要参数。
另外不同原料（蟹虾壳、海蟹壳、对虾壳、 河虾壳和蚕蛹）用同一方法在相同条件下 制备壳聚糖，收率分别为 13.6%、12.3%、 10.5%、8.70%、l.8%，可见螫虾壳和海蟹 壳是首选原料。此外，还可用酶法、微波 法制备壳聚糖。
• 纤维的结晶程度在不同天然纤维间也存在差异， 一般来说，随着结晶程度的提高其抗张程度、硬 度、密度增加，但弹性、韧性、膨润性、吸水性、 化学反应性下降。精制的天然纤维素其结晶度约 为７０％，丝光纤维约为４８％，再生纤维约为 ３８％～４０％。 • 无定形区的纤维分子排列杂乱，因而较易进行化 学反应。纤维素是一种非还原性的碳水化合物， 不溶于水和一般有机溶剂，但能溶解于某些碱性 溶剂和高浓度的无机酸溶液如铜胺碱、季胺碱亦 可溶解于若干种盐的浓水溶液中。
• 纤维素及其衍生物还可以用作载体进行 多种酶的固定，微胶囊的制备和药物释 放系统，齿科修补材料和止血剂。
天然高分子
漂白、晾干
水解 壳聚糖
虾蟹壳
壳聚糖的应用
壳聚糖具有较强的吸附性， 可用于：
香烟过滤嘴
• 絮凝剂絮凝澄清专用壳聚 糖具有天然、安全、无毒、 无害等特点
• 壳聚糖在工业上常作为吸 附材料应用于工业排出物 中重金属离子的回收
壳聚糖作用分析
利用特定规格的壳聚糖吸附能力强的特性，用作 香烟过滤咀中的吸附剂，与正在使用的醋酸纤维 过滤咀比较，能有效地减少香烟中有害成份对人 体的毒害，对环境保护都将有积极的作用。
淀粉的应用
可降解日用品
现代的医药工业几乎有一半需要淀粉。抗菌素多 以葡萄糖为碳源，也有直接以淀粉为原料。片剂 生产大部分采用淀粉，淀粉无毒性、资源丰富和 价廉，是很好的辅料。
……………
壳聚糖
甲壳素用强碱或酶水解脱去部分或全部乙酰基
Байду номын сангаас
就转化为壳聚糖 (chitosan)。
甲壳素
清洗，去除 无机盐和蛋白质
我重点要说的是 纤维素，淀
粉,甲壳素
纤维素
棉花：是棉属植物种 子的表皮毛，是自然 界纯度最高的纤维。 木材：是自然界中纤 维素最主要的来源。 草类：包括禾本科和 竹科等植物的茎。
纤维素具有一定的结晶性；
纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，使得其具 有更高度的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶剂 性。
天然高分子材料
材料物理 北一510
天然高分子材料的简单介绍
天然高分子是指没有经过人工合成，天然 存在于动植物和微生物体内的大分子有机 化合物。
天然高分子都是处在一个完整而严谨的超 分子体系内，一般是多种天然高分子以高 度有序的结构排列起来。
天然高分子材料的优点
水解 壳聚糖
虾蟹壳
壳聚糖的应用
壳聚糖具有较强的吸附性， 可用于：
香烟过滤嘴
• 絮凝剂絮凝澄清专用壳聚 糖具有天然、安全、无毒、 无害等特点
• 壳聚糖在工业上常作为吸 附材料应用于工业排出物 中重金属离子的回收
壳聚糖作用分析
利用特定规格的壳聚糖吸附能力强的特性，用作 香烟过滤咀中的吸附剂，与正在使用的醋酸纤维 过滤咀比较，能有效地减少香烟中有害成份对人 体的毒害，对环境保护都将有积极的作用。
淀粉的应用
可降解日用品
现代的医药工业几乎有一半需要淀粉。抗菌素多 以葡萄糖为碳源，也有直接以淀粉为原料。片剂 生产大部分采用淀粉，淀粉无毒性、资源丰富和 价廉，是很好的辅料。
……………
壳聚糖
甲壳素用强碱或酶水解脱去部分或全部乙酰基
Байду номын сангаас
就转化为壳聚糖 (chitosan)。
甲壳素
清洗，去除 无机盐和蛋白质
我重点要说的是 纤维素，淀
粉,甲壳素
纤维素
棉花：是棉属植物种 子的表皮毛，是自然 界纯度最高的纤维。 木材：是自然界中纤 维素最主要的来源。 草类：包括禾本科和 竹科等植物的茎。
纤维素具有一定的结晶性；
纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，使得其具 有更高度的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶剂 性。
天然高分子材料
材料物理 北一510
天然高分子材料的简单介绍
天然高分子是指没有经过人工合成，天然 存在于动植物和微生物体内的大分子有机 化合物。
天然高分子都是处在一个完整而严谨的超 分子体系内，一般是多种天然高分子以高 度有序的结构排列起来。
天然高分子材料的优点
高分子科学导论天然高分子材料课件
例如，利用生物技术制备可降解的天然高分子材料，可以在使用后自然降解，减 少对环境的污染。同时，改进生产工艺也可以降低能耗和减少废弃物的产生，实 现可持续发展。
壳聚糖
总结词
天然高分子材料中唯一一种阳离子型高 分子，具有良好的生物相容性和可降解 性等优点。
VS
详细描述
壳聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺通过β-1,4糖 苷键连接而成的线性高分子，广泛存在于 甲壳类动物的外壳中。壳聚糖具有良好的 生物相容性和可降解性，可用于药物载体、 组织工程、环境保护等领域。壳聚糖可通 过化学改性等方法进行修饰，提高其性能 和应用范围。
木质素
总结词
天然高分子材料中结构最复杂的一种，具有优良的耐热性、耐腐蚀性和绝缘性等。
详细描述
木质素是由苯丙烷结构单元构成的芳香族高分子，广泛存在于植物细胞壁中，主要起到增强细胞壁的 作用。木质素的结构复杂，具有优良的耐热性、耐腐蚀性和绝缘性，可用于制造塑料、胶粘剂、染料、 香料等产品，也可用于生物医学领域。
蛋白 质
总结词
天然高分子材料中功能最多样化的一种，具有生物活性 和生物相容性等优点。
详细描述
蛋白质是由氨基酸分子通过肽键连接而成的生物大分子， 是生命活动中必不可少的物质。蛋白质具有多种生物功 能，如催化、运输、识别、防御等，同时具有良好的生 物活性和生物相容性，可用于药物传递、组织工程、生 物传感器等领域。蛋白质的来源丰富，可通过动物、植 物和微生物进行提取和制备。
例如，近年来科学家们发现了一些具有特殊性能的天然高分 子材料，如抗菌、防霉、自修复等功能，这些材料在医疗、 环保、食品等领域有着广泛的应用前景。
天然高分子材料的功能化与高性能化
功能化和高性能化是天然高分子材料的另一个重要发展趋 势。通过化学改性、物理改性等方法，可以使天然高分子 材料具有更加优异的性能，满足各种不同的需求。
壳聚糖
总结词
天然高分子材料中唯一一种阳离子型高 分子，具有良好的生物相容性和可降解 性等优点。
VS
详细描述
壳聚糖是由N-乙酰葡萄糖胺通过β-1,4糖 苷键连接而成的线性高分子，广泛存在于 甲壳类动物的外壳中。壳聚糖具有良好的 生物相容性和可降解性，可用于药物载体、 组织工程、环境保护等领域。壳聚糖可通 过化学改性等方法进行修饰，提高其性能 和应用范围。
木质素
总结词
天然高分子材料中结构最复杂的一种，具有优良的耐热性、耐腐蚀性和绝缘性等。
详细描述
木质素是由苯丙烷结构单元构成的芳香族高分子，广泛存在于植物细胞壁中，主要起到增强细胞壁的 作用。木质素的结构复杂，具有优良的耐热性、耐腐蚀性和绝缘性，可用于制造塑料、胶粘剂、染料、 香料等产品，也可用于生物医学领域。
蛋白 质
总结词
天然高分子材料中功能最多样化的一种，具有生物活性 和生物相容性等优点。
详细描述
蛋白质是由氨基酸分子通过肽键连接而成的生物大分子， 是生命活动中必不可少的物质。蛋白质具有多种生物功 能，如催化、运输、识别、防御等，同时具有良好的生 物活性和生物相容性，可用于药物传递、组织工程、生 物传感器等领域。蛋白质的来源丰富，可通过动物、植 物和微生物进行提取和制备。
例如，近年来科学家们发现了一些具有特殊性能的天然高分 子材料，如抗菌、防霉、自修复等功能，这些材料在医疗、 环保、食品等领域有着广泛的应用前景。
天然高分子材料的功能化与高性能化
功能化和高性能化是天然高分子材料的另一个重要发展趋 势。通过化学改性、物理改性等方法，可以使天然高分子 材料具有更加优异的性能，满足各种不同的需求。
天然高分子PPT课件
• 皮革作为鞋和衣服的原料
• 作为生物酶（生物催化剂）
• 明胶广泛作为天然胶粘剂
• 蛋白质与甲醛可制酪素塑料
第35页/共36页
感谢您的观看！
第36页/共36页
• （2）β-折叠
• β-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，
通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折
叠构象。
• β-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也
可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都
参与链内氢键的交-折叠有两种类型
典型球状蛋白质结构的
一般示意图
第31页/共36页
• 蛋白质的四级结构
• 蛋白质的四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结
构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基
在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用
关系。
• 这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位，
它一般由一条肽链构成，无生理活性；
机械强度和耐屈挠、耐疲劳性能。
• 问题 天然橡胶为非极性物质，溶于非极性溶剂如汽油和苯
等，故耐油和耐溶剂性差。由于天然橡胶含有不饱和双键，
因此在空气中易与氧发生自催化氧化，使分子断链或过度
交联，从而使橡胶发生粘化或龟裂等老化现象。
第7页/共36页
• 天然橡胶是线形结构，需交联后生成网状结构才具有适
量为600万到10亿。DNA
分子含有生物物种的所
有遗传信息
核糖核酸（RNA），存
在于细胞核中心或细胞
质的核糖体中，分子量
为几万到时200万。传输
和解读遗传信息。
第10页/共36页
•
核酸的组成成份
•
核酸(DNA和RNA)是一种线形聚核苷酸，它的基本
• 作为生物酶（生物催化剂）
• 明胶广泛作为天然胶粘剂
• 蛋白质与甲醛可制酪素塑料
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感谢您的观看！
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• （2）β-折叠
• β-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，
通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折
叠构象。
• β-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也
可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都
参与链内氢键的交-折叠有两种类型
典型球状蛋白质结构的
一般示意图
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• 蛋白质的四级结构
• 蛋白质的四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结
构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基
在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用
关系。
• 这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位，
它一般由一条肽链构成，无生理活性；
机械强度和耐屈挠、耐疲劳性能。
• 问题 天然橡胶为非极性物质，溶于非极性溶剂如汽油和苯
等，故耐油和耐溶剂性差。由于天然橡胶含有不饱和双键，
因此在空气中易与氧发生自催化氧化，使分子断链或过度
交联，从而使橡胶发生粘化或龟裂等老化现象。
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• 天然橡胶是线形结构，需交联后生成网状结构才具有适
量为600万到10亿。DNA
分子含有生物物种的所
有遗传信息
核糖核酸（RNA），存
在于细胞核中心或细胞
质的核糖体中，分子量
为几万到时200万。传输
和解读遗传信息。
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•
核酸的组成成份
•
核酸(DNA和RNA)是一种线形聚核苷酸，它的基本
高分子材料化学重点知识点总结
第一章水溶性高分子水溶性高分子的性能：水溶性；2.增黏性；3.成膜性；4.表面活性剂功能；5.絮凝功能；6.粘接作用。
造纸行业中的水溶性高分子：（1）聚丙烯酰胺：1）分子量小于100万：主要用于纸浆分散剂；2）分子量在100万和500万之间：主要用于纸张增强剂；3）分子量大于500万：造纸废水絮凝剂（超高分子量）；（2）聚氧化乙烯：用作纸浆长纤维分散剂，用作餐巾纸、手帕纸、茶叶袋滤纸，湿强度很高；（3）聚乙烯醇：强粘结力和成膜性；用作涂布纸的颜料粘合剂；纸张施胶剂；纸张再湿性粘合剂。
日用品、化妆品行业中的水溶性高分子：对乳化或悬浮状态的分散体系起稳定作用，另外具有增稠、成膜、粘合、保湿功能等。
壳聚糖：优良的生物相容性和成膜性；显著的美白效果；修饰皮肤及刺激细胞再生的功能水处理行业中的水溶性高分子：（1）聚天冬氨酸（掌握其一）：1）以天冬氨酸为原料：（方程式）；2）以马来酸酐为原料：（方程式）；特点：生物降解性好；可用于高热和高钙水。
1996年Donlar公司获美国总统绿色化学挑战奖；（2）聚环氧琥珀酸（方程式）特点：无磷、无氮，不会引起水体的富营养化。
第二章、离子交换树脂离子交换树脂的结构与性能要求：（1）结构要求：1）其骨架或载体是交联聚合物，2）聚合物链上含有可以离子化的功能基。
（2）性能要求：a、一定的机械强度；b、高的热稳定性、化学稳定性和渗透稳定性；c、足够的亲水性；d、高的比表面积和交换容量；e、合适的粒径分布。
离子交换树脂的分类：（1）按照树脂的孔结构可以分为凝胶型（不含不参与聚合反应的其它物质，透明）和大孔型（含有不参与聚合反应物质，不透明）。
（2）根据所交换离子的类型：阳离子交换树脂（-SO3H）；阴离子交换树脂（-N+R3Cl-）；两性离子交换树脂离子交换树脂的制备：（1）聚苯乙烯型：（方程式）离子交换树脂的选择性：高价离子，大半径离子优先离子交换树脂的再生：a. 钠型强酸型阳离子交换树脂可用10%NaCl溶液再生；b. OH型强碱型阴离子交换树脂则用4%NaOH溶液再生。
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（如填充淀粉塑料/全淀粉塑料）
天然高分子的优势
• 可再生天然高分子来自自然界中动、植物以及微生物 资源,它们是取之不尽、用之不竭的可再生资源。 • 这些材料废弃后容易被自然界微生物分解成水、二氧 化碳和无机小分子,属于环境友好材料。 • 天然高分子具有多种功能基团,可以通过化学、物理 方法改性成为新材料,也可以通过新兴的纳米技术制 备出各种功能材料。 • 很可能在将来替代合成塑料成为主要化工产品。
• 近年，蚕丝和蜘蛛丝由于极高的力学强度而引起重视。 • 它们的主要成分均是纯度很高的丝蛋白，在自然界用作结构
性材料。 • 蚕丝有很高的强度，这与其内在的紧密结构有关。蚕丝分为 两层:外层以丝胶为皮，内部以丝蛋白为芯，而且中间的丝 蛋白纤维结构紧密,使蚕丝具有优良的力学性能。 • 蜘蛛丝对其扭转形状具有记忆效应,很难发生扭曲,在不需要 任何外力作用的情况下保持最初的形状。
强度尤其是湿打结强度超过美国药典所规定的指标。
• 壳聚糖功能材料包括以下四类:
• 生物医用材料，如手术缝合线、人造皮肤、医用敷料、 药物缓释材料等; • 环境友好材料,如保鲜膜、食品包装、绿色涂料等;
• 分离膜,如壳聚糖离子交换膜、乙醇-水体系的分离和浓 缩膜; • 液晶材料,如酰化壳聚糖、苯甲酰化壳聚糖、氰乙基化 壳聚糖和顺丁烯二酰化壳聚糖,它们均显示溶致液晶性 质。
现
状
• 世界各国都在逐渐增加人力和财力的投入对 天然高分子材料进行研究与开发。 • 近10 年，有关天然高分子材料的优秀成果如 雨后春笋般不断涌现。 • 主要包括纤维素、木质素、淀粉、甲壳素、 壳聚糖、其它多糖、蛋白质以及天然橡胶等 主要天然高分子材料。
10.1 纤维素、木质素材料
• 纤维素是地球上最古老和最丰富的可再生资源,主 要来源于树木、棉花、麻、谷类植物和其它高等植 物,也可通过细菌的酶解过程产生(细菌纤维素) 。 • 纤维素由β2(1 →4)2链接的D2葡萄糖组成,它含有大 量羟基,易形成分子内和分子间氢键，使它难溶、 难熔,从而不能熔融加工。 • 纤维素除用作纸张外,还可用于生产丝、薄膜、无 纺布、填料以及各种衍生物产品。
10.5 蛋白质材料
• 蛋白质存在于一切动植物细胞中，它是由多种α-氨基 酸组成的天然高分子化合物，分子量一般可由几万到 几百万，甚至可达上千万。 • 在材料领域中正在研究与开发的蛋白质主要包括大豆 分离蛋白、玉米醇溶蛋白、菜豆蛋白、面筋蛋白、鱼 肌原纤维蛋白、角蛋白和丝蛋白等。 • 近十年来蛋白质材料在粘结剂、生物可降解塑料、纺 织纤维和各种包装材料等领域的研究与开发十分引人 注目，是将来合成高分子塑料的替代物之一。
• 合成高分子材料很难生物降解，造成环境污 染日益严重。
塑料的贡献与白色污染
• 塑料被列为20世纪最伟 大的发明之一，塑料的 普及被誉为
白色革命
• 由于塑料包装物大多呈 白色，它们造成的环境
污染被称为
白色污染
白色污染的防治
研究开发降解塑料（1970s） 降解塑料主要有两类：
光降解塑料
生物降解塑料
• 日本住友商事公司、美国Warner-lambert 公司以及 意大利Ferruzzi 公司等研制出淀粉质量分数为90 % ～100 % 的全淀粉塑料，产品能在一年内完全生物 降解，可用于制造各种容器、薄膜和垃圾袋等。
• 淀粉材料的改性主要集中在接枝、与其它天然高分子 或合成高分子共混以及用无机或有机纳米粒子复合制 备完全生物可降解材料、超吸水材料、血液相容性材 料等。
第十章 天然高分子
10.1 纤维素、木质素材料 10.2 淀粉 10.3 甲壳素、壳聚糖材料 主要内容 10.4 其他多糖材料 10.5 蛋白质材料 10.6 天然橡胶材料
传统材料的弊端
• “不使用也不产生有害物质，利用可再生资 源合成环境友好化学品”已成为国际科技前 沿领域。 • 世界石油资源日益减少，原油价格不断上涨, 使传统的合成高分子工业的发展受到制约。
• 甲壳素和壳聚糖具有生物相容性、抗菌性及多种生物
活性、吸附功能和生物可降解性等，它们可用于制备
食物包装材料、医用敷料、造纸添加剂、水处理离子 交换树脂、药物缓释载体、抗菌纤维等。
• 将胶原蛋白与甲壳素共混，在特制纺丝机上纺制出外
科缝合线，其优点是手术后组织反应轻、无毒副作用 、可完全吸收，伤口愈合后缝线针脚处无疤痕，打结
10.2 淀粉材料
• 淀粉由α-(1 →4) -链接的D-葡萄糖组成，主 要存在于植物根茎、种子中。 • 淀粉基生物可降解材料具有良好的生物降 解性和可加工性，已成为材料领域的一个 研究热点。
• 全淀粉塑料是指加入极少量的增塑剂等助剂使淀粉 分子无序化，形成具有热塑性的淀粉树脂，这种塑 料由于能完全生物降解，因此是最有发展前途的淀 粉塑料。
衍生化改性
HO CH2 H HO O H OH H H H OH
OH
葡萄糖
羟基可以发生酯化、醚化反应而形成衍生物
木质素含有活泼的甲氧基、酚羟基
接枝共聚
• 接枝共聚：在大分子主链上引入支链，而且主链 与支链的化学组成不同。 • 支链的化学性质、长度、分布密度在很大程度上
影响天然接枝共聚物的性能和功能。
10.6 天然橡胶材料
• 天然橡胶的主要成分为聚异戊二烯,来源于橡胶树
中的胶乳,是一种具有优越综合性能的可再生天然 资源。 • 为了拓宽天然橡胶材料的应用领域,对天然橡胶进
行改性,一般包括环氧化改性、粉末改性、树脂纤
维改性,氯化、氢(氯) 化,环化和接枝改性以及与其 它物质的共混改性。
• 环氧化天然橡胶( ENR) 由于在主链上具有极性环氧 基团,因此它还具有良好的耐油性,较低的透气性,较高 的湿抓着力、滚动阻力和拉伸强度。
进入自然界循环。
纤维素和淀粉的形成
主要天然有机高分子
植物类 纤维素、木质素、 淀粉、蛋白质 天然橡胶、生漆、果胶、木聚糖…… 动物类 甲壳素、壳聚糖、蛋白质、核酸、丝蛋白……
很多天然高分子具有多种功能基团， 可以通过化学、物理方法改性成为新材料，
也可以通过化学、物理及生物技术降解成单体或低聚物用 作能源以及化工原料。
• 主要用于合成聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯等高分子
材料或者作为增强剂。 • 接枝共聚是其化学改性的重要方法，它能够赋予 木质素更高的性能和功能。 • 木质素的接枝共聚通常采用化学反应、辐射引发 和酶促反应三种方式，前两者可以应用于反应挤 出工艺及原位反应增容。
• 木质素还是一种优良的填充增强材料，它已替代炭黑 作为补强剂填充改性橡胶。 • 木质素的羟基和橡胶中共轭双键的π电子云能形成氢 键，并且可以与橡胶发生接枝、交联等反应，从而起 到增强的作用。 • 木质素填充橡胶，主要通过工艺改良和化学改性解决 木质素在橡胶基质中的分散，同时利用木质素分子的 反应活性构筑树脂-树脂、树脂-橡胶及橡胶交联的多 重网络结构。 • 据报道，相同类型的木质素，在橡胶基质中分布的颗 粒尺度越小，与橡胶的相容性越高，则化学作用越强 、补强作用愈为明显。
• 以苯乙烯-环氧化丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物为增容 剂,对ENR/丁苯橡胶(SBR) 共混物硫化特性、机械性 能和耐油性的影响。发现,该增容剂可改善共混材料 的加工性能、拉伸强度、撕裂强度和定伸应力,而且 有利于延长共混材料的焦烧时间,缩短其硫化时间,提 高耐油性。
• 杜仲胶也称为古塔波胶或巴拉塔胶，为反式聚异戊二烯， 是普通天然橡胶的同分异构体。 • 因其具有质硬、熔点低、易于加工、电绝缘性好等特点， 长期以来用作塑料代用品。 • 自我国“反式-聚异戊二烯硫化橡胶制法”出现后，杜仲 橡胶改性的研究与利用也引起关注。目前,古塔波胶是最 常用的固体封闭材料。 • 由于其具有良好的生物相容性和低毒性，古塔波胶成为最 有效的封闭牙齿根管系统的材料。 • 古塔波胶材料的老化速率受很多因素的影响，如口腔中细 菌的数量和种类、材料可接触到的氧的量、材料与唾液的 接触情况、唾液的成分等。
基-3-甲基咪唑氯代( [AMIM]Cl) 离子液体等。
• 纤维素在加热条件下溶于NMMO ，用它纺的丝 称为Lyocell (天丝) ，其性能优良。
近30 年，细菌纤维素已 日益引人注目，因为它 比由植物得到的纤维素 具有更高的分子量、结
晶度、纤维簇和纤维素
含量。
• 细菌纤维素的独特纳米结构和性能使其在造纸、
电子学、声学以及生物医学等多个领域具有广泛
的应用潜力，尤其是作为组织工程材料用来护理
创伤和替代病变器官。 • 细菌纤维素薄膜已被用作皮肤伤口敷料以及微小 血管替代物。
• 木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合
物。具有更为复杂结构的天然高分子。 • 它含芳香基、酚羟基、醇羟基、羧基、甲氧基、 羧基、共轭双键等活性基团，可以进行多种类型 的化学反应。
总
结
• 开发和利用天然高分子材料势在必行，而
且刻不容缓，它符合可持续发展计划，并
且对提高资源利用率以及减少环境污染都 有着重要的现实意义！
替代资源
• 生物质（biomass）：由植物或动物生命体衍生
得到的物质的总称，主要由有机高分子物质组成。 • 植物生物质 & 动物生物质 • 绿色化学原则之一：利用生物质代替石油和煤， 并且所产生的产品废弃后可完全生物降解，从而
• 长期以来，采用传统的粘胶法生产人造丝 和玻璃纸，由于大量使用CS2 而导致环境严 重污染。因此，寻找新溶剂体系是纤维素 科学与纤维素材料发展的关键。
• 最近开发的纤维素溶剂主要有N-甲基吗啉-N-氧化 物(NMMO) 、氯化锂/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc) 、1-丁基-3-甲基咪唑氯代( [BMIM]Cl) 和1-烯丙
10.4 其它多糖材料
• 多糖是人类最基本的生命物质之一，除作为能
量物质外，多糖的其它诸多生物学功能也不断
被揭示和认识，各种多糖材料已在医药、生物
天然高分子的优势
• 可再生天然高分子来自自然界中动、植物以及微生物 资源,它们是取之不尽、用之不竭的可再生资源。 • 这些材料废弃后容易被自然界微生物分解成水、二氧 化碳和无机小分子,属于环境友好材料。 • 天然高分子具有多种功能基团,可以通过化学、物理 方法改性成为新材料,也可以通过新兴的纳米技术制 备出各种功能材料。 • 很可能在将来替代合成塑料成为主要化工产品。
• 近年，蚕丝和蜘蛛丝由于极高的力学强度而引起重视。 • 它们的主要成分均是纯度很高的丝蛋白，在自然界用作结构
性材料。 • 蚕丝有很高的强度，这与其内在的紧密结构有关。蚕丝分为 两层:外层以丝胶为皮，内部以丝蛋白为芯，而且中间的丝 蛋白纤维结构紧密,使蚕丝具有优良的力学性能。 • 蜘蛛丝对其扭转形状具有记忆效应,很难发生扭曲,在不需要 任何外力作用的情况下保持最初的形状。
强度尤其是湿打结强度超过美国药典所规定的指标。
• 壳聚糖功能材料包括以下四类:
• 生物医用材料，如手术缝合线、人造皮肤、医用敷料、 药物缓释材料等; • 环境友好材料,如保鲜膜、食品包装、绿色涂料等;
• 分离膜,如壳聚糖离子交换膜、乙醇-水体系的分离和浓 缩膜; • 液晶材料,如酰化壳聚糖、苯甲酰化壳聚糖、氰乙基化 壳聚糖和顺丁烯二酰化壳聚糖,它们均显示溶致液晶性 质。
现
状
• 世界各国都在逐渐增加人力和财力的投入对 天然高分子材料进行研究与开发。 • 近10 年，有关天然高分子材料的优秀成果如 雨后春笋般不断涌现。 • 主要包括纤维素、木质素、淀粉、甲壳素、 壳聚糖、其它多糖、蛋白质以及天然橡胶等 主要天然高分子材料。
10.1 纤维素、木质素材料
• 纤维素是地球上最古老和最丰富的可再生资源,主 要来源于树木、棉花、麻、谷类植物和其它高等植 物,也可通过细菌的酶解过程产生(细菌纤维素) 。 • 纤维素由β2(1 →4)2链接的D2葡萄糖组成,它含有大 量羟基,易形成分子内和分子间氢键，使它难溶、 难熔,从而不能熔融加工。 • 纤维素除用作纸张外,还可用于生产丝、薄膜、无 纺布、填料以及各种衍生物产品。
10.5 蛋白质材料
• 蛋白质存在于一切动植物细胞中，它是由多种α-氨基 酸组成的天然高分子化合物，分子量一般可由几万到 几百万，甚至可达上千万。 • 在材料领域中正在研究与开发的蛋白质主要包括大豆 分离蛋白、玉米醇溶蛋白、菜豆蛋白、面筋蛋白、鱼 肌原纤维蛋白、角蛋白和丝蛋白等。 • 近十年来蛋白质材料在粘结剂、生物可降解塑料、纺 织纤维和各种包装材料等领域的研究与开发十分引人 注目，是将来合成高分子塑料的替代物之一。
• 合成高分子材料很难生物降解，造成环境污 染日益严重。
塑料的贡献与白色污染
• 塑料被列为20世纪最伟 大的发明之一，塑料的 普及被誉为
白色革命
• 由于塑料包装物大多呈 白色，它们造成的环境
污染被称为
白色污染
白色污染的防治
研究开发降解塑料（1970s） 降解塑料主要有两类：
光降解塑料
生物降解塑料
• 日本住友商事公司、美国Warner-lambert 公司以及 意大利Ferruzzi 公司等研制出淀粉质量分数为90 % ～100 % 的全淀粉塑料，产品能在一年内完全生物 降解，可用于制造各种容器、薄膜和垃圾袋等。
• 淀粉材料的改性主要集中在接枝、与其它天然高分子 或合成高分子共混以及用无机或有机纳米粒子复合制 备完全生物可降解材料、超吸水材料、血液相容性材 料等。
第十章 天然高分子
10.1 纤维素、木质素材料 10.2 淀粉 10.3 甲壳素、壳聚糖材料 主要内容 10.4 其他多糖材料 10.5 蛋白质材料 10.6 天然橡胶材料
传统材料的弊端
• “不使用也不产生有害物质，利用可再生资 源合成环境友好化学品”已成为国际科技前 沿领域。 • 世界石油资源日益减少，原油价格不断上涨, 使传统的合成高分子工业的发展受到制约。
• 甲壳素和壳聚糖具有生物相容性、抗菌性及多种生物
活性、吸附功能和生物可降解性等，它们可用于制备
食物包装材料、医用敷料、造纸添加剂、水处理离子 交换树脂、药物缓释载体、抗菌纤维等。
• 将胶原蛋白与甲壳素共混，在特制纺丝机上纺制出外
科缝合线，其优点是手术后组织反应轻、无毒副作用 、可完全吸收，伤口愈合后缝线针脚处无疤痕，打结
10.2 淀粉材料
• 淀粉由α-(1 →4) -链接的D-葡萄糖组成，主 要存在于植物根茎、种子中。 • 淀粉基生物可降解材料具有良好的生物降 解性和可加工性，已成为材料领域的一个 研究热点。
• 全淀粉塑料是指加入极少量的增塑剂等助剂使淀粉 分子无序化，形成具有热塑性的淀粉树脂，这种塑 料由于能完全生物降解，因此是最有发展前途的淀 粉塑料。
衍生化改性
HO CH2 H HO O H OH H H H OH
OH
葡萄糖
羟基可以发生酯化、醚化反应而形成衍生物
木质素含有活泼的甲氧基、酚羟基
接枝共聚
• 接枝共聚：在大分子主链上引入支链，而且主链 与支链的化学组成不同。 • 支链的化学性质、长度、分布密度在很大程度上
影响天然接枝共聚物的性能和功能。
10.6 天然橡胶材料
• 天然橡胶的主要成分为聚异戊二烯,来源于橡胶树
中的胶乳,是一种具有优越综合性能的可再生天然 资源。 • 为了拓宽天然橡胶材料的应用领域,对天然橡胶进
行改性,一般包括环氧化改性、粉末改性、树脂纤
维改性,氯化、氢(氯) 化,环化和接枝改性以及与其 它物质的共混改性。
• 环氧化天然橡胶( ENR) 由于在主链上具有极性环氧 基团,因此它还具有良好的耐油性,较低的透气性,较高 的湿抓着力、滚动阻力和拉伸强度。
进入自然界循环。
纤维素和淀粉的形成
主要天然有机高分子
植物类 纤维素、木质素、 淀粉、蛋白质 天然橡胶、生漆、果胶、木聚糖…… 动物类 甲壳素、壳聚糖、蛋白质、核酸、丝蛋白……
很多天然高分子具有多种功能基团， 可以通过化学、物理方法改性成为新材料，
也可以通过化学、物理及生物技术降解成单体或低聚物用 作能源以及化工原料。
• 主要用于合成聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯等高分子
材料或者作为增强剂。 • 接枝共聚是其化学改性的重要方法，它能够赋予 木质素更高的性能和功能。 • 木质素的接枝共聚通常采用化学反应、辐射引发 和酶促反应三种方式，前两者可以应用于反应挤 出工艺及原位反应增容。
• 木质素还是一种优良的填充增强材料，它已替代炭黑 作为补强剂填充改性橡胶。 • 木质素的羟基和橡胶中共轭双键的π电子云能形成氢 键，并且可以与橡胶发生接枝、交联等反应，从而起 到增强的作用。 • 木质素填充橡胶，主要通过工艺改良和化学改性解决 木质素在橡胶基质中的分散，同时利用木质素分子的 反应活性构筑树脂-树脂、树脂-橡胶及橡胶交联的多 重网络结构。 • 据报道，相同类型的木质素，在橡胶基质中分布的颗 粒尺度越小，与橡胶的相容性越高，则化学作用越强 、补强作用愈为明显。
• 以苯乙烯-环氧化丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物为增容 剂,对ENR/丁苯橡胶(SBR) 共混物硫化特性、机械性 能和耐油性的影响。发现,该增容剂可改善共混材料 的加工性能、拉伸强度、撕裂强度和定伸应力,而且 有利于延长共混材料的焦烧时间,缩短其硫化时间,提 高耐油性。
• 杜仲胶也称为古塔波胶或巴拉塔胶，为反式聚异戊二烯， 是普通天然橡胶的同分异构体。 • 因其具有质硬、熔点低、易于加工、电绝缘性好等特点， 长期以来用作塑料代用品。 • 自我国“反式-聚异戊二烯硫化橡胶制法”出现后，杜仲 橡胶改性的研究与利用也引起关注。目前,古塔波胶是最 常用的固体封闭材料。 • 由于其具有良好的生物相容性和低毒性，古塔波胶成为最 有效的封闭牙齿根管系统的材料。 • 古塔波胶材料的老化速率受很多因素的影响，如口腔中细 菌的数量和种类、材料可接触到的氧的量、材料与唾液的 接触情况、唾液的成分等。
基-3-甲基咪唑氯代( [AMIM]Cl) 离子液体等。
• 纤维素在加热条件下溶于NMMO ，用它纺的丝 称为Lyocell (天丝) ，其性能优良。
近30 年，细菌纤维素已 日益引人注目，因为它 比由植物得到的纤维素 具有更高的分子量、结
晶度、纤维簇和纤维素
含量。
• 细菌纤维素的独特纳米结构和性能使其在造纸、
电子学、声学以及生物医学等多个领域具有广泛
的应用潜力，尤其是作为组织工程材料用来护理
创伤和替代病变器官。 • 细菌纤维素薄膜已被用作皮肤伤口敷料以及微小 血管替代物。
• 木质素是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、5羟基松柏醇、芥子醇）形成的一种复杂酚类聚合
物。具有更为复杂结构的天然高分子。 • 它含芳香基、酚羟基、醇羟基、羧基、甲氧基、 羧基、共轭双键等活性基团，可以进行多种类型 的化学反应。
总
结
• 开发和利用天然高分子材料势在必行，而
且刻不容缓，它符合可持续发展计划，并
且对提高资源利用率以及减少环境污染都 有着重要的现实意义！
替代资源
• 生物质（biomass）：由植物或动物生命体衍生
得到的物质的总称，主要由有机高分子物质组成。 • 植物生物质 & 动物生物质 • 绿色化学原则之一：利用生物质代替石油和煤， 并且所产生的产品废弃后可完全生物降解，从而
• 长期以来，采用传统的粘胶法生产人造丝 和玻璃纸，由于大量使用CS2 而导致环境严 重污染。因此，寻找新溶剂体系是纤维素 科学与纤维素材料发展的关键。
• 最近开发的纤维素溶剂主要有N-甲基吗啉-N-氧化 物(NMMO) 、氯化锂/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc) 、1-丁基-3-甲基咪唑氯代( [BMIM]Cl) 和1-烯丙
10.4 其它多糖材料
• 多糖是人类最基本的生命物质之一，除作为能
量物质外，多糖的其它诸多生物学功能也不断
被揭示和认识，各种多糖材料已在医药、生物