《有机化学基础》——35、功能高分子材料

功能高分子材料是指具有某些特殊化学、物理及医学功能的高分子材料。例如：

用于化学反应的高分子催化剂；

用于分离提纯的各种滤膜；

用于信息存储的磁性高分子；

用于传感器的形状记忆高分子；

用于吸水保水的高吸水性材料；

可以替代人体器官、组织的医用高分子材料；

用于药物缓释的高分子药物，等等。

设计功能高分子材料的思路：考虑高分子的结构与性能之间的关系，设计拥有某种功能的高分子结构，以及其合成路线和方法。

1、高吸水性树脂

（1）高吸水性树脂的应用

在干旱地区用于农业、林业抗旱保水，改良土壤，还可用于婴儿纸尿裤等。

在苗木根部放上一些吸足了水的高吸水性树脂，可以使苗木在生长发育过程中有充足的水。

婴幼儿使用的纸尿裤可吸入自身质量数百倍的尿液而不滴漏，保证了婴幼儿白天活动与夜晚安睡。

（2）高吸水性树脂的设计思路

棉花、纸张等含纤维素物质的吸水性强，因为它们的分子链节带有许多亲水的羟基（—OH）。但它们的吸水量只有自身质量的20-40倍，挤压后保有的水量也比较少。

要得到吸水性更好，且耐挤压、保水性好的高吸水性材料，可以有两种思路：一是改造纤维素或淀粉分子，接入强亲水基团（羧基、羟基、醛基、氨基等）；二是合成新的带有强亲水基团的高分子。

（3）高吸水性树脂的合成方法  

淀粉、纤维素等天然吸水材料的改造：在淀粉或纤维素分子的主链上接入带有强亲水基团的支链，提高它们的吸水性。

如，淀粉与丙烯酸钠在一定条件下反应，生成以淀粉为主链的接枝共聚物。为防止共聚物溶于水，还要对其交联形成网状结构的树脂。这种改造后的树脂具有强大的吸水和保水能力，同时还是可生物降解的绿色材料。

合成新的带有强亲水基团的高聚物：在丙烯酸钠中加入少量的交联剂，在一定条件下聚合，可得到具有网状结构的聚丙烯酸钠高吸水性树脂。

思考：在橡胶工业中，天然橡胶与合成橡胶一般都要经过硫化工艺，将橡胶的线型结构转变为网状结构。在制备高吸水性树脂时也要加入少量交联剂，以得到具有网状结构的树脂。思考为什么要将橡胶和高吸水性树脂转变为网状结构？

橡胶工业中硫化工艺将线型结构连接成网状结构，可以得到既有弹性又有强度的橡胶。

高吸水性树脂加交联剂将线型结构连接成网状结构，是为了使其既具有吸水性而又不溶于水，保水能力强，耐挤压。

实验：高吸水性树脂与一般吸水材料的吸水性能差别

实验操作：

取一条纸尿裤，取出其中的高吸水性树脂颗粒。取已知质量的100mL烧杯，加入70mL水，放入1.0g（m1）高吸水性树脂颗粒，充分搅拌后静置5min，观察现象。倒出未被吸收的水，再称出吸水后高吸水性树脂的质量（m2），计算吸水率。  

再取1.0g脱脂棉（一般吸水材料），按上述过程再实验一次。并比较两种材料的吸水率。

现象及数据处理：

实验结论：在相同条件下，高吸水性树脂的吸水性及保水性均比一般吸水材料的强。高吸水性树脂的主链或接枝侧链上含有羧基、羟基等强亲水性基团。

3．高分子分离膜

（1）高分子分离膜的应用

天然存在的和人工合成的物质往往是不纯的，需要经过分离提纯才能得到纯净的物质。高分子分离膜已广泛用于海水淡化和饮用水的制取，以及果汁浓缩、乳制品加工、药物提纯、血液透析等领域。

（2）高分子分离膜的分离原理

分离膜一般只允许水及一些小分子物质通过，其余物质则被截留在膜的另一侧，形成浓缩液，达到对原液净化、分离和浓缩的目的。

（3）高分子分离膜的分类和制造材料  

根据分离膜孔大小分为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜等。

生产分离分离膜材料主要是有机高分子材料，如，醋酸纤维、芳香族聚酰胺、聚丙烯、聚四氟乙烯等。