功能高分子材料综述Word文档格式.docx

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1功能高分子材料研究

1.1导电高分子材料

近几年来，导电性高分子的研究取得了长足的发展，形成了一个十分活跃的边缘学科领域，它对电子工业、信息工业及新技术的发展具有重大的意义。

现有的研究成果表明，发展导电高分子不仅可以满足人们对导电材料的需要，而且由于它兼具有机高分子材料的性能及半导体和金属的电性能，具有重量轻，易加工成各种复杂的形状，化学稳定性好及电阻率可在较大范围内调节等特点。

此外在电子工业中的应用日趋广泛，促进了现代科学技术的发展。

因此，自然引起了学术界和工业界的广泛兴趣。

导电高分子材料根据材料的组成可以分成复合型导电高分子材料（compositeconductivepolymers）和本征型导电高分子材料（intrinsicconductivepolymers）两大类。

复合型导电高分子材料是由普通高分子结构材料与金属或碳等导电材料，通过分散、层合、梯度复合、表面镀层等复合方式构

，其导电作用主要通过其中的导电材料来完成。

主要品种有：

导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂及透明导电薄膜等可用于电气零件、电子照相、电路材料、防静电材料、电磁场屏蔽、光记录和磁记录材料等。

其中，导电剂的体积电阻、形状、填充量及加工工艺等，对最终制品的性能影响很少。

本征导电高分子材料也被称为结构型导电高分子材料（structureconductivepolymes），其高分子本身具备传输电荷的能力，这种导电聚合物如果按其结构特征和导电机理还可以进一步分成以下三类：

载流子为自由电子的电子导电聚合物；

载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物；

以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物。

后者的导电能力是由于在可逆氧化还原反应中电子在分子间的转移产生的。

虽然导电高分子材料的发展史只有短短的30年，但当前导电高分子聚合物在国民经济中的地位，在许多方面不亚于20世纪50年代初传统塑料的地位。

在合成、加工和应用方面取得了突破性进展，走向了实用化，同时很多潜在的应用正在探索研究中。

目前其研究方向可以概括为以下几个主要方面高导电性，通过复合、改变分子结构等手段挖掘导电高分子材料潜在性能。

最近已成功研制出导电率达3000S/cm的聚苯乙炔，其中包括光、电、磁之间的转换，改善稳定性、可加工性。

提高导电材料的实用性，按实用要求确定攻关方向。

多行业多学科交叉结合，开发导电高分子材料应用新领域，加速其商品化进程。

3医用高分子材料

在功能高分子材料领域，生物医用高分子材料可谓异军突起，目前已成为发展最快的一个重要分支。

医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的合成高分子材料，可以利用聚合的方法进行制备，是生物医用材料的重要组成之一。

由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质，以满足不同的需求，耐生物老化，作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易加工成型，原料易得，便于消毒灭菌，因此受到人们普遍关注，已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种，近年来发展需求量增长十分迅速。

医用高分子材料需长期与人体体表、血液、体液接触，有的甚至要求永久性植入体内。

因此，这类材料必须具有优良的生物体替代性和生物相容性。

一般要满足下列基本条件：

（1）在化学上是不活泼的，不会因与体液或血液接触而发生变化；

（2）对周围组织不会引起炎症反应；

（3）不会产生遗传毒性和致癌；

（4）不会产生免疫毒性；

（5）长期植入体内也应保持所需的拉伸强度和弹性等物理机械性能；

（6）具有良好的血液相容性；

（7）能经受必要的灭菌过程而不变形；

（8）易于加工成所需要的、复杂的形态。

目前用高分子材料制成的人工器官中，比较成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心脏瓣膜、人工关节、人工骨、整形材料等。

已取得重大研究成果，但还需不断完善的有人工肾、人工心脏、人工肺、人工胰脏、人工眼球、人造血液等。

另有一些功能较为复杂的器官，如人工肝脏、人工胃、人工子宫等。

则正处于大力研究开发之中。

从应用情况看，人工器官的功能开始从部分取代向完全取代发展，从短时间应用向长时期应用发展，从大型向小型化发展，从体外应用向体内植入发展、人工器官的种类从与生命密切相关的部位向人工感觉器官、人工肢体发展。

医用高分子材料研发过程中遇到的一个巨大难题是材料的抗血栓问题。

当材料用于人工器官植入体内时，必然要与血液接触。

由于人体的自然保护性反应将产生排异现象，其中之一即为在材料与肌体接触表面产生凝血，即血栓，结果将造成手术失败，严重的还会引起生命危险。

对高分子材料的抗血栓性研制是医用高分子研究中的关键问题，至今尚未完全突破。

将是今后医用高分子材料研究中的首要问题。

4高分子纳米复合材料

纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。

由于纳米材料体系具有许多独特的性质，应用前景广阔，而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21世纪最有前途的材料”。

高分子纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料，所采用的纳米单元按成分分可以是金属，也可以是陶瓷、高分子等；

按几何条件分可以是球状、片状、柱状纳米粒子，甚至是纳米丝、纳米管、纳米膜等；

按相结构分可以是单相，也可以是多相，涉及的范围很广，广义上说多相高分子复合材料，只要其某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米尺度范围（1nm～100nm）内，就可将其看为高分子纳米复合材料。

由于复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数（复合度、联结型、对称性、标度、周期性等），改变这些参数可以在很宽的范围内大幅度地改变复合材料的物性；

且复合材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应，所以高分子基纳米复合材料的性能不仅与纳米粒子的结构性能有关，还与纳米粒子的聚集结构和其协同性能、高聚物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺方式等有关。

高分子纳米复合材料的涉及面较宽，包括的范围较广，可分为四大类：

纳米单元与高分子直接共混；

在高分子基体中原位生成纳米单元；

在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单元和高分子同时生成。

由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应，以及粒子的协同效应，而且兼有高分子材料本身的优点，使得它们在催化、力学、物理功能等方面呈现出常规材料不具备的特性，有广阔的应用前景。

5高分子液晶材料

液晶的发现最早可追溯到1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇苯甲酸酯结晶的实验时发现。

第二年，德国物理学家莱曼通过偏光显微镜发现这种材料具有双折射现象，并提出了“液晶”这一学术用语，现在人们公认这两位科学家是液晶领域的创始人。

液晶高分子材料发展较晚，但目前已成为液晶中最令人关注的领域，世界各国都加大投入了围绕研究与开发液晶高分子系列产品的力量。

功能高分子液晶材料包括：

光学非线性高分子液晶，铁电性和反铁电性高分子液晶，光导高分子液晶，生物性高分子液晶和高分子液晶膜等。

由于它们的特殊性能将会有非常广阔的重要应用前景。

例如，吴壁耀等报道了具有肉桂酸酯侧链基的热熔型高分子液晶的光交联行为。

指出在20min紫外光照射的条件下，形成液晶相的液晶高分子膜的光交联凝胶百分率要明显高于尚未形成液晶的同种高分子膜。

由于液晶高分子中介晶基元的聚集和有序排列形成的微区结构也影响了大分子链铡基肉桂酸酯的聚集状态，从而使其光化学性质发生了变化，可望用于光固化涂料的改性。

总之，随着高分子液晶的理论日臻完善，其应用也日益广泛，人们不仅开发了大量的高强、高模以及具有显示和信息存储功能的高分子液晶材料，同时还在不断探索在其它领域的应用。

可以肯定，作为一门交叉学科，高分子液晶材料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开发中必将发挥越来越重要的作用。

6高分子染料

高分子染料是高分子材料与染料分子在分子水平上的结合，在具有染料色彩性、透明性的同时还具有高分子材料的可加工性等特性，是有发展前途的功能高分子材料。

它是通过一定的化学反应将发色基团引入高分子的主链或侧链而形成的一类有色高分子化合物，这种结合方式赋予了高分子染料的双重功能：

即高分子的高强度、易成膜性、耐溶剂性、耐迁移性和耐热性以及有机染料对光的选择吸收性和多彩性。

高分子染料可依据不同的方法进行分类。

按聚合方式可分为加聚型和缩聚型等；

按所连结的高分子单体的性质可分为苯乙烯类、聚丙烯酸酯类、有机硅类等。

本文以染料发色体与高分子骨架的相对位置将高分子染料分为嵌段式高分子染料、垂挂式高分子染料以及金属络合高分子染料。

大分子骨架和发色基团的协同作用，使它的应用不仅仅限于在染色方面。

作为一种特殊高分子材料，高分子染料的合成使其功能扩大。

不仅具有染色的功能，还潜在着光致发光〕，光致变色，光聚合引发剂等功能。

它在非线性光学、液晶显示等光电以及导电方面也都有广泛的应用前景。

高分子染料是一种有前途的功能高分子材料，对于它的开发与应用都还有很大潜力可挖。

同时对它的研究手段和方法随研究者研究的目的和侧重点不同而有很大差异队，属于多学科交叉领域。

1.2感光高分子材料

感光性高分子是指具有感光性质的高分子材料。

当这类材料吸收了光能后可导致体系发生分子内或分子间产生化学、物理变化，使未曝光部分的物理或化学性质产生强烈的反差，从而引起图像的出现。

在印刷工业中已获得广泛应用的PS印刷版就是一种感光性高分子产品，它可分为阳图PS版和阴图PS版两大类。

由于印刷业对于板材在质量上的严格要求和巨大需要，必然给感光高分子带来巨大的发展前景。

在影像技术中用于微细加工光刻用的光致抗蚀剂是一类非常重要的感光高分子材料，是制造大规模集成电路必不可少的原料。

它的出现是第二次世界大战后由EastmanKodak的Mink等在研究聚乙烯醇肉桂酸酯的光二聚合反应基础上提出的。

以后这种技术不仅应用于照相制版上，而且广泛应用于电子工业和机密机械加工等方面，并随着技术的不断进步，蚀刻的精度不断提高，由制作毫米级的印刷线路板发展到21世纪初期的微米级、亚微米级，甚至更高分辨率的大规模集成电路的制作。

现代计算机技术的蓬勃发展是和这种微细加工技术的高灵敏度、高反差光致抗蚀剂的出现分不开的。

7其他高分子材料

7.1高分子表面活性剂

7.1.1概述

分子中具有亲水基与疏水基，能富集（吸附）于界面，使界面性质发生显著改变而出现界面活性的物质称为表面活性剂。

而高分子表面活性剂是指相对分子质量在数千以上，具有表面活性功能的高分子化合物。

最早使用的高分子表面活性剂有纤维素及其衍生物，以及作为胶体保护剂使用的天然海藻酸钠和各种淀粉。

1951年Strauss将含有表面活性基团的聚合物—聚1-十二烷基-4-乙烯吡啶溴化物命名为聚皂，从而出现了合成高分子表面活性剂。

1954年，美国Wyandotte公司报道了非离子型高分子表面活性剂聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物的合成，并将其进行了工业化生产（商品名为Pluronics），以后，各种合成高分子表面活性剂相继开发并应用于各种领域。

7.1.2高分子表面活性剂的类型

高分子表面活性剂按离子分类，可分为阴离子型、阳离子型、两性型和非离子型四种高分子表面活性剂，如表1所示。

高分子表面活性剂按来源分类可分为天然高分子表面活性剂和合成高分子表面活性剂，前者包括半合成高分子表面活性剂。

天然高分子表面活性剂是从动植物分离、精制而得到的两亲性水溶性高分子。

由海藻制得的藻朊酸，由植物制取的愈疮胶和黄原胶等树脂胶类；

从动物制取的酪朊和白朊等均为高分子表面活性剂。

而纤维素衍生物、淀粉衍生物以及制取亚硫酸纸浆的副产品木质素磺酸盐等叫做半合成高分子表面活性剂。

天然高分子表面活性剂具有优良的增粘性、乳化性、稳定性和结合力

，并且具有很高的无毒安全性和易降解等特点，所以广泛应用于食品、医药、化妆品及洗涤剂工业。

合成高分子表面活性剂是指亲水性单体均聚或与僧水性单体共聚而成，或通过合成高分子化合物改性而制得。

根据单体的种类、合成方法、反应条件和共聚物的组成等的不同可以得到各种各样的高分子表面活性剂。

合成高分子表面活性剂有着广阔的应用前景，有关高分子表面活性剂的合成及其应用的研究正日益得到人们的重视。

7.1.3高分子表面活性剂的特性功能

和低分子表面活性剂相比，高分子表面活性剂具有以下特性：

（1）具有较高的分子量，渗透能力差，可形成单分子胶束或多分子胶束；

（2）溶液粘度高，成膜性好；

（3）具有很好的分散、乳化、增稠、稳定以及絮凝等性能，起泡性差，常作消泡剂；

（4）大多数高分子表面活性剂是低毒或无毒的，具有环境友好性；

（5）降低表面张力和界面张力的能力较弱，且表面活性随分子量的升高急剧下降，当疏水基上引入氟烷基或硅烷基时其降低表面张力的能力显著增强。

1降低表面张力的能力

因为高分子表面活性剂的亲水链段和疏水链段在表面或界面间具有一定的取向性，所以具有降低表面张力和界面张力的能力，但往往比低分子表面活性别差些。

关于各种高分子表面活性剂的表面张力已有许多报道。

2乳化分散功能

尽管分子量较高，有许多高分子表面活性别能够在分散相中形成胶束，并且具有CMC值，发挥乳化功能，由于具有两亲结构，其分子的一部分可吸附在粒子表面，其它部分则溶于作为连续相的分散介质中，聚合物分子量不是太高时，具有空间阻碍效应，在单体液滴或聚合物粒子表面产生障碍，阻止它们接近缔合而产生凝聚。

3凝聚功能

当高分子表面活性剂分子量很高时，则吸附于许多粒子上，在粒子之间产生架桥，形成絮凝物，起到絮凝剂的作用。

4其它功能

许多高分子表面活性剂本身起泡力不太好，但保水性强，泡沫稳定性优良，因为高分子表面活性剂分子量高，所以具有随之而来的成膜性和粘附性等优良性能。

7.1.4高分子表面活性剂的合成方法

1加成聚合

在自由基或离子型引发剂存在下，由两亲性单体均聚，或由亲油/亲水单体共聚，可以制得高分子表面活性剂，该方法简便易行，单体种类选择和组成变化范围广。

2缩合聚合

通过缩聚反应制备的聚酯、聚酰胺、烷基酚醛树脂及聚氨酯类型高分子表面活性剂，其组成和亲油亲水平衡值（HLB）易于调节，但一般分子量较低。

3开环聚合

含活泼氢化合物引发烷基环状亚胺、内脂、酰胺及环氧化合物开环聚合，得到嵌段或无规高分子表面活性剂，结构易于控制，可根据性能要求调节链段长度和分布。

利用开环聚合合成高分子表面活性剂的典型代表是以丙二醇为起始剂制得的嵌段聚醚“Pluronics”系列以及以己二胺为起始剂制得的具有阳离子特性的“Tatranics”系列嵌段聚醚。

它们都是由环氧乙烷、环氧丙烷开环聚合而成的。

通过改变聚氧丙烯的分子量（或引发剂的种类）及环氧乙烷、环氧丙烷的用量可获得具有不同亲水疏水性能的聚醚类高分子表面活性剂。

近年来通过N-烷基环状亚胺醚开环反应制备多嵌段共聚物。

这些产物表面活性优良，有良好的开发前景，存在的问题是离子聚合反应条件较为苛刻，共聚物分子量仍然偏低（Mn≈103）

4高分子的化学反应

高分子化学反应是指通过化学反应的方法在聚合物上引入疏水基或亲水基，得到两亲性结构的高分子表面活性剂。

其优点是可以直接用已商品化的聚合物作起始原料，得到的产物相对分子量较高，而缺点则是反应通常需要在高粘度的聚合物溶液中进行。

如把长链烷基引入到聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素中，或由磺化反应把SO3基团引入亲油性的聚丁二烯或聚异戊二烯分子链上，亦可通过活泼氢反应将两亲性的聚（氧化乙烯-氧化丙烯）接枝到聚硅氧烷主链上。

7.1.5展望

随着材料工业的发展，对高分子表面活性剂的需求必将日趋旺盛，人们对高分子表面活性剂的研究也在不断深人，开发新的品种和新的合成方法也是当前研究的热点。

尽管在解决高分子表面活性剂同时具有高摩尔质量和高表面活性的问题上已有一定进展，但由于对结构和性能的关系认识不够，涉及物理化学性质的大分子水溶液体系又非常复杂，溶液性质的研究皆采用非水体系有机溶剂或摩尔质量低于6护岁3的大分子表面活性剂水溶液体系，到目前为止具有超高分子量和高表面活性的高分子表面活性剂这一领域的研究仍然进展缓慢。

因此研究其结构与性能的关系，重视新型高分子表面活性剂的研究与开发，合成高摩尔质量高赫度、高表面活性的两亲高分子化合物，具有重要的理论和应用价值。

7.2吸附高分子性材料

随着科学研究和生产技术的不断发展，吸附性高分子材料正迅速进入人们的生产和生活领域中，目前已经成为重要的有机功能材料之一.吸附性高分子材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用的高分子材料.

7.2.1种类和特点

1按性质和用途分类

根据吸附性高分子材料的性质和用途，可将其分为以下几类.

（1）非离子型高分子吸附树脂：

对该材料非极性和弱极性有机物具有特殊的吸附作用，主要应用于分析化学和环境保护领域中，用于吸附和分离处在气相和液相（主要是水相）中的有机分子.

（2）亲水性高分子吸水剂：

具有亲水性分子结构，可以被水以较大倍数溶胀，广泛用于土壤保湿和生理卫生用品等方面.（3）金属阳离子配位型吸附剂：

这种高分子材料的骨架上带有配位原子或配位基团，能与特定金属离子进行络合反应，生成配位键而结合.这种材料也称为高分子螯合剂，多用于吸附和分离水相中的各种金属离子.（4）离子型高分子吸附树脂：

当高分子骨架中含有某些酸性或碱性基团时，在溶液中解离后具有与一些阳离子或阴离子相互以静电引力生成盐的趋势，因而产生吸附作用.最常见的有各种离子交换树脂，它们被广泛地用来富集和分离各种阴离子和阳离子.

2按使用条件和外观形态分类

根据使用条件和外观形态，吸附性高分子材料主要分为以下4类.

（1）微孔型吸附树脂：

外观呈颗粒状，在干燥状态下树脂内的微孔很小，当作为吸附剂使用时，必须用一定溶剂进行溶胀，溶胀后树脂的三维网状结构被扩展，内部空间被溶剂填充形成凝胶，因此也称为凝胶型树脂.

（2）大孔型吸附树脂：

特点是在干燥状态下树脂内部就有较高的孔隙率、大量的孔洞和较大的孔径.这种树脂不仅可以在溶胀状态下使用，也可在非溶胀状态下使用.因这种树脂具有足够的比表面积，其孔洞是永久性的.（3）米花状吸附树脂：

外观为白色透明颗粒，具有多孔性、不溶解性和较低的体积密度.由于这种树脂在大多数溶剂中不溶解不溶胀，因此，只能在非溶胀的条件下使用，树脂中存在的微孔可允许小分子通过.（4）交联网状吸附树脂：

外观呈颗粒状，是三维交联的网状聚合物.由于网状结构，其机械稳定性较差，使用受到一定限制.交联网状吸附树脂是通过制备线性聚合物，引入所需的功能基团

，然后加入交联剂进行交联反应制得.

7.2.2结构与吸附性能之间的关系

物质化学性能和物理结构不同，其吸附作用也不同.吸附树脂表现出的吸附能力与其结构具有特定的对应关系.

1化学组成与功能基团

在高分子吸附剂中，聚合物的化学组成与功能基团是最基本，也是最重要的结构因素.

（1）元素组成的影响：

当聚合物分子中含有O，N，S及P等配位原子时，聚合物具有潜在的络合能力，可作为高分子螯合剂.

（2）功能基团的影响：

聚合物中功能基团的性质决定了吸附树脂的选择性.当聚合物链上连接强酸性基团时，解离后的高分子酸根能够与阳离子结合成盐，具有对阳离子交换和吸附能力；

当连接季铵基团时，可以与阴离子结合，具有阴离子交换和吸附能力.由于不同离子型基团与各种离子的结合能力及稳定性不同，各种离子型树脂呈现出选择性离子交换能力.（3）分子极性的影响：

当吸附树脂的化学结构中不含极性基团时，其适合于从极性溶剂如水中吸附非极性有机物.当引入极性基团时，如引入氰基，将会使其转化成中等极性或强极性吸附树脂，适合于从非极性有机溶剂中吸附不同极性的物质.

2聚合物的链结构

聚合物的链结构包括主链结构、分支结构（分支的数目、长度及化学结构）及交联度等.聚合物带有支链与否及支链所占比例、聚合物的交联与否及交联的程度，直接影响聚合物的溶解度和溶胀度.而溶胀度和溶胀后形成网状结构的孔径大小是影响树脂吸附量及吸附选择性的重要因素.

3吸附树脂的宏观结构

吸附树脂的宏观结构主要对吸附剂的吸附量、机械强度及吸附度等性能有影响.吸附树脂的宏观结构对吸附过程产生的影响主要有两方面：

一方面是树脂的有效吸附面积和表面性质，主要是热力学影响，影响吸附树脂的吸附量、选择性及稳定性；

另一方面是孔径大小、孔的长度、孔径分布及树脂的外观形状等，主要是动力学影响，影响被吸附物的扩散过程和吸附速度，孔径大小决定被吸附物的范围和吸附速度，孔径分布直接影响选择性高低.

7.2.3高分子吸附剂的应用

1水处理方面

随着工农业的发展，近岸海域的污染日趋严重，重金属离子浓度比深海水域高数十倍至数百倍.因此，除去水中污染物及重金属离子是高分子吸附剂的重要任务.人用高分子吸附剂从动态和半静