功能高分子材料

功能高分子材料

离子交换树脂

高材0806200821180 姚骞一、概述

功能高分子材料，因为其发展迟，且发展不够迅速，因此，对于它的定义亦不够明确，目前来讲，其主要是指与普通的高分子相比，除具有一定的力学特性外，还具有某些特定的性能，如化学性，导电性，磁性，光敏性，以及生物活性等的高分子材料。

功能高分子材料按照功能和性质可以划分为以下的几类：

1、反应型高分子材料，主要有高分子试剂和高分子催化剂。

2、光敏型高分子，主要有各种光稳定剂和感光材料。

3、电活性高分子材料，主要有导电聚合物，能量转化型聚合物。

4、膜型高分子材料，主要有各种分离膜，缓释膜，和半透膜。

5、吸附性高分子材料，主要有高分子吸附性树脂，离子交换树脂，高

分子螯合剂和吸水性高分子吸附剂等。

吸附性高分子材料，又称为高吸水性树脂，始于20世纪60年代末，由美国农业部开发的功能高分子材料，其是利用树脂结构的亲水性和交联结构的不溶性，以及结构中的同种离子的相斥性，使树脂容易大量的吸水而形成凝胶，其具有非常高的吸水性和优异的保水性，并且在一定的压力下，所吸的水不会挤出，烘干后，可再吸水，反复利用，通常吸水量达自身重量的200—2000倍。

吸附分离高分子材料，主要包括离子交换树脂和吸附树脂，此外还包括高分子分离膜材料和高吸水树脂。

离子交换树脂是指具有功能集团的高分子材料，它具有一般聚合物没有的新功能—离子交换功能，其在本质上属于反应型聚合物。

二、发展

1935年英国的Adams和Holmes发表了关于酚醛树脂和苯胺甲醛树脂的离子交换性能的报告，开创了离子交换树脂的领域，同时开创了功能高分子领域。

1944年D’Alelio合成了具有优良物理和化学性能的磺化苯乙烯—二乙烯苯共聚物的离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂，奠定了现代高分子交换树脂的基础。

20世纪50年代末，大孔型树脂的开发是离子交换树脂的另一个大的突破。

离子交换纤维是在离子交换树脂的基础上发展起来的一类新型树脂，它的基本特点与离子交换树脂相同，但外观为纤维状，离子交换纤维具有丰富的离子交换基团，对水溶液的各种离子有较大的交换容量。

吸附树脂也是在离子交换树脂的基础上发展起来的，它是指一类多孔性的高

度交联的高分子共聚物，又称为高分子吸附剂。

三、结构

离子交换树脂是一类带有可离子化基团的三维网状交联聚合物。其结构有三

部分构成，一是高分子骨架，二是功能基团，三是可交换的离子。其具有的两个

基本特征是：

1〉 其骨架或载体是交联聚合物，因此在任何溶剂中，都不能使其溶解，

也不能使其熔融。

2〉 聚合物上所带的功能基团不能离子化。

除具有以上的特征外，还具有一定的力学性能，稳定性等性能。

四、分类

1、根据树脂的孔结构，可以把树脂分为凝胶型和大孔型离子交换树脂。凝

胶型离子树脂在干态和溶胀态都是透明的，呈现出均相结构，树脂在溶胀状态下

存在聚合物链间的凝胶化。其具有的优点是，体积交换容量大，生产工艺简单，

成本低；缺点是，耐渗透强度低，耐有机污染差。大孔型交换树脂内存在海绵状

的多孔结构，因而是不透明的，其优点是，耐渗透强度高，耐有机污染好。可交

换分子量大的离子；缺点是体积交换容量小，生产工艺差。

2、根据所带离子基团的不同，可以分类为阴离子型交换树脂、阳离子型交

换树脂、和两性离子交换树脂。

（1）阳离子交换树脂，交换功能基团一般是酸，在交换的过程中，酸根与

阳离子结合，而以氢离子作为可交换离子：

＋ A +

+

根据酸在水中的分离程度，分为强酸型和弱酸型，如磺酸为强酸，而羧酸基、

磷酸基为弱酸。

（2）阴离子交换树脂，交换功能基团一般是碱。

+ X - + OH -

根据碱在水中的分离程度，分为强碱型和弱碱型，强碱一般为季胺碱，弱碱

一般为伯、仲、叔碱。

R -H +

B +OH -

-

（3）两性离子交换树脂

高分子骨架上同时接有弱碱型和弱酸型可交换的离子基团，或者接有弱酸和强碱、中强碱的交换基团。

五、制备

离子交换树脂的制备包含两大部分，第一部分合成一种三维网状结构的大分子，第二部分在大分子上连接离子交换基团。目前常使用的是加聚型离子交换树脂，加聚型交换树脂又可分为苯乙烯系和丙烯酸系。由于苯乙烯单体相对比较便宜，可大量得到，并且共聚物具有优良的物理强度，不易因氧化、水解或高温而降解，故聚苯乙烯系骨架的离子交换树脂比较常见。

聚苯乙烯系离子交换树脂是苯乙烯和二乙烯苯（DVB）在水相中进行悬浮聚合得到的共聚物球体，然后向共聚体中引入离子化的基团形成的。在合成共聚物的一步要控制共聚物结构的均匀性以及球粒粒径的大小。

1、聚苯乙烯系强酸型阳离子交换树脂的制备。

通常采用自由基悬浮聚合合成树脂，然后磺化接上交换基团。

[3]

将形成的这一基团成为“白球”，将白球洗涤干燥后，即可进行连接交联基团的磺化反应，将磺化的白球用二氯乙烷或四氯乙烷，甲苯等有机溶剂溶胀，然后用浓硫酸或氯磺酸磺化。

[4]

由于硫酸不能溶胀交联聚苯乙烯珠体，故此反应常在高温下进行。

含有—SO3H交换基团的离子交换树脂称为氢型阳离子交换树脂，其中H+为可自由活动的离子，由于其有较强的腐蚀性，因此常把它转化成Na型树脂。

NaOH

[3]

2、聚苯乙烯系强碱型阴离子交换树脂的制备。

强碱型阴离子交换树脂要以季胺基作为离子交换基团，以聚苯乙烯系为骨架，在通过氯甲基化交联聚苯乙烯胺化制的。对聚苯乙烯白球进行氯甲基化，然后在利用苯环对位上氯甲基活泼氯，定量的与各种胺进行胺基化反应。苯环可以在Lewis酸如ZnCl2、AlCl3、SnCl4与催化剂的作用下与氯甲醚反应形成氯甲基化。

[3]

由以上可知，形成的氯甲基仍然是一个活泼的烷基化试剂，氯甲基树脂与叔胺反应形成季胺型强碱阴离子交换树脂，分别为以下两种：

I

[4]

II

其中I型的碱性很强，对OH-的亲和力小，当用NaOH再生时，效率很低，但其氯化性能和热稳定性较好。

II型引入了羟基，利用羟基的吸电子特性，降低氯基的碱性，再生效率提高，但是耐氧化性和耐热稳定性有所下降。

3、聚苯乙烯系弱碱型阴离子交换树脂的制备。

用氯球与伯、仲、叔胺类的化合物，可以胺化反应得到

[4]

五、性能

离子交换树脂的物理性能包括外观、化学稳定性、热稳定性等方面。

在外观上，离子交换树脂一般呈粒径为0.04~1.2mm的胶状球粒，形状、颜色随种类制备方法的不同而差异很大。