先进功能材料最新进展  041M6009H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业研讨课 | 任课教师:徐坚
授课时间: 星期五, 第5、6节
授课地点: 教2-219
授课周次: 7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18
授课时间: 星期五, 第5、6节
授课地点: 教2-219
授课周次: 7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18
课程编号: 041M6009H 课时: 20 学分: 1.5
课程属性: 专业研讨课 主讲教师:徐坚
英文名称: The progress in the advanced polymeric functional materials

教学目的、要求

通过介绍若干典型先进功能高分子材料的最新研究进展,使学生了解先进功能高分子材料的基本概念,研究内容和方法,存在的问题和发展方向,扩大学生的知识面,为其从事相关课题研究打下基础。

预修课程

学习过《高分子物理》、《高分子化学》的本科课程

教 材

主要内容

三、讲授内容 
第一章自修复高分子材料     
主要内容:自修复材料代表了材料研究进展的最前沿方向,本章主要讲述自修复高分子材料领域的最新研究进展。主要内容分三部分:1)从分子链构象和Gibbs自由能的变化角度分析实现自修复的热动力学条件;2)讨论可实现自修复的化学反应;3)概述包埋助剂自修复,远程自修复以及形状记忆高分子辅助自修复方面的最新进展。 通过介绍,让学生了解自修复材料的概念、自修复功能实现的方法、主要表征手段及应用领域、存在的问题。

第二章 多孔聚合物材料   
主要内容:设计并构筑微纳米尺度的多孔材料是一个重要的科学问题。多孔聚合物主要结构特征包括孔的几何形状、尺寸、表面功能性,以及骨架结构的化学组成、拓扑结构和功能性等特征。制备方法有直接模板法、嵌段共聚物自组装法、以及直接合成法。这些方法各有优缺点:直接模板法非常简便、适用范围广,通常包括浇筑或模制工艺;嵌段共聚物自组装对于制备介孔、大孔聚合物非常有效,尤其是具有长程有序结构的材料;直接合成法可以在溶液聚合过程中形成孔结构,然后再将孔中的溶剂脱除,很多具有极高比表面积的微孔聚合物都是用这种方法制备的,介孔、大孔聚合物可以通过反应诱导相分离法来制备。除这三种最常用的方法以外,还研发了超浓乳液聚合、界面聚合、呼吸图案法等其他方法。尽管取得了快速进步,对于制备多孔聚合物而言,长期目标在于实现对定制孔结构进行合理设计、以及对骨架结构进行特定功能化、以及如何理解分子水平上结构组成的含义。此外,从应用角度来看,开发简单、易于规模化的制备方法,制备具有多级孔结构聚合物材料也具有重要意义。通过介绍,让学生了解多孔聚合物材料的概念、制备方法、主要表征手段及应用领域、存在的问题。

第三章 聚合物杂化材料   
主要内容:通过设计聚合物材料内部多组分或多相在多尺度的排列,充分利用协同效应产生新颖功能,这已成为一种解决材料技术挑战的通用方法。聚合物杂化材料,即由合成高分子和生物或无机衍生物组成的材料,已成为当前高分子科学内增长最迅速的研究领域之一。近年来促进聚合物杂化材料研究发展有两个基本原因,1聚合物化学发展促进了合成高分子与生物或无机衍生物组份的精密耦合,形成复杂结构超分子体,可作为功能材料的构筑单元;2多相材料的结构和性能演变的物理学理论已建立,为设计多组分材料内单组份可自主形成具有特定性能的超结构提供了理论依据。本章重点强调聚合物杂化材料突出的结构相关特性,让学生了解聚合物杂化材料的概念、制备方法、主要表征手段及应用领域、存在的问题,认识到开发聚合物杂化材料应用潜能需要从综合考虑复合材料合成,加工,结构和性能之间的相互影响。

第四章 仿生聚合物功能涂层     
主要内容:表面是材料与外界进行物质、能量交换和相互作用的重要场所,材料的表面性质对其应用非常重要,因此表面科学研究一直受到广泛关注。表面涂层是材料表面改性的常用方法,涂层的持久性和涂层与基材的界面粘附是表面改性的关键问题。本章主要介绍一些特殊功能聚合物涂层的制备与应用,主要包括:1)特殊浸润性表面:包括超疏水表面和超疏油表面。表面的浸润性由表面化学组成和微结构决定,仿荷叶超疏水表面的研究在过去的二十年里已取得长足的发展,近年来超疏油表面的概念逐渐受到大家的关注,如枯草杆菌生物膜菌落能超疏80%乙醇溶液,弹尾虫也具有超疏油性质。2)海洋防污涂层:海洋生物污损是指微生物、藤壶和藻类等海洋生物非期望地在水下表面上进行生长。新一类防污体系将单纯依赖于涂层的物理化学性质或是材料本身性质来达到防污目的,鲨鱼等海洋动物将给予启发。随着纳米技术、高分子科学以及新型仿生表面研究的不断发展,新一代环境友好的海洋仿生防污技术也必将开启海洋防污领域新的篇章。3)仿生粘附涂层:自然界中贻贝、壁虎、爬山虎等粘附高手可实现水下强粘附,可逆干粘附等特殊粘附功能,与其分泌的化学成分和粘附组织的物理微结构密切相关。通过讲解,让学生了解仿生聚合物功能表面的概念、制备方法、主要表征手段及应用领域、存在的问题,向学生传播师法自然的仿生思想来解决工程技术问题。

第五章 高性能纤维及其功能化         
主要内容:以芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维为代表的高性能纤维材料在国防领域具有重要的应用。本章主要以这三种纤维为例,从前躯体聚合物的结构调控、前躯体结构与加工性能相关性,高性能纤维表面功能化,高性能纤维表征新方法等方面介绍高性能纤维结构与性能的相关性;以及纳米尺度碳纤维能在医学治疗、骨组织再生中应用研究的新进展。通过本章介绍,让学生了解高性能纤维的概念、最新进展、主要表征手段及应用领域、存在的问题。

第六章 智能响应聚合物材料         
主要内容:刺激响应性高分子在科学领域引起了广泛兴趣,其能够对环境条件微小变化发生响应的特性使这类材料有希望应用于纳米科技以及纳米医药领域,本章主要介绍智能响应聚合物材料最新研究进展,包括1)机械响应性高分子的活化与表征方法;2)热响应性高分子的新方向;3)温度及光学响应性智能高分子材料;4)多刺激响应性大分子及其组装。让学生了解智能响应聚合物材料的概念、最新进展、主要表征手段及应用领域、存在的问题。

四、教学重点与难点 
第一章 自修复高分子材料的重点与难点:1)分子链的柔韧性有利于体系的熵变从而加快自修复,而反应热和外部施加的能量是促进熵变的主导因素;2)动态共价键,超分子化学,化学-机械方法以及形状记忆诱导等自修复功能实现的方法;3)了解自修复高分子领域目前最大的挑战:设计高玻璃化转变温度同时又具有刺激响应行为的功能材料、构建多尺度的可控多级结构,并通过外界响应实现远程遥控自修复。

第二章 多孔聚合物材料的重点与难点:1)多孔聚合物特点:具有高比表面积和孔隙率精确可控;容易被加工成多种形态;容易功能化,在环境刺激下实现可逆的孔结构变化。2)制备方法:直接模板法,分为以聚合物为原材料的直接模板法(渗透法,层层自组装)和以单体为原材料的直接模板法(传统聚合,电化学聚合,可控/活性聚合);嵌段共聚物自组装法,分为以嵌段共聚物作为孔模板的自组装和以嵌段共聚物作为骨架的自组装(含有牺牲模板的自组装,伴随形态重组的自组装,囊泡的自组装);直接合成法,分为微孔聚合物(无序微孔聚合物,有序微孔聚合物)、介孔、大孔聚合物(自由基聚合,缩合聚合)。

第三章 聚合物杂化材料的重点与难点:本章重点强调聚合物杂化材料突出的结构相关特性,主要通过以下4个典型介绍聚合物杂化材料研究进展:1)嵌段共聚物系杂化材料最新研究进展:重点介绍利用嵌段高分子自组装为周期性微区结构,嵌段共聚物/颗粒共混物,嵌段共聚物系杂化材料在能量储存和分离材料方面的应用。2)聚合物/粒子共混材料的微观结构精密加工及其新功能,重点介绍新型透明导电聚合物杂化材料。3)胶体聚合物、既纳米粒子组装的线状超结构的最新研究进展:重点介绍表面引发可控自由基聚合控制颗粒构筑单元的相互反应和组装作用。4)聚合物与金属氧化物复合材料从成像到药物输送方面的应用。

第四章 仿生聚合物功能表面的重点与难点:仿生聚合物功能涂层制备方法:平版印刷法;等离子体处理和化学刻蚀法;阳极氧化法;旋涂、浸涂;电纺;电化学沉积;自发生长(化学反应);应用领域:油的传输,油水分离,微流体,纳米物体的操纵,减阻防污,减反射等。特殊的化学组成和微观物理结构的组合:如植物叶面的微纳多级结构和植物蜡;贻贝足丝的梯度组成和粘附蛋白;枯草杆菌生物膜胞外多糖和蛋白质化学成分和带凹角的多级结构等。

第五章 高性能纤维及其功能化的重点与难点:1)新型高性能纤维前躯体的结构设计、合成;2)新型高性能纤维的制备新方法和新技术;3)以通用合成高分子和天然高分子为前躯体制备高性能纤维;4)通过结构设计、物理化学处理等新方法实现高性能纤维的多功能化;5)高性能纤维在新领域的应用探索。

第六章 智能响应聚合物材料的重点与难点:1)驱使刺激响应性行为发生的源动力;2)包含两种或多种具有化学、力学或生物学刺激响应性组分的大分子组装体设计原则;3)通过与光谱学和化学标记法耦合实现原位表征前驱体通过机械活化生成的产物。

五、学时分配与进度计划 
第一章课堂讲授学时3;
第二章课堂讲授学时3;
第三章课堂讲授学时3;
第四章课堂讲授学时3;
第五章课堂讲授学时2;
第六章课堂讲授学时3;
学生课堂演讲;学时2。

参考文献

主要参考Prog. Polym. Sci., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev.的相关综述文章。