功能高分子材料综述.doc

功能高分子材料的研究【摘要】 功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。【关键词】 功能高分子；特定功能；高分子材料；功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它们之所以具有特定的功能，是由于在其大分子链中结合了特定的功能基团，或大分子与具有特定功能的其他材料进行了复合，或者二者兼而有之。例如吸水树脂，它是由水溶性高分子通过适度交联而制得，遇水时将水封闭在高分子的网络内，吸水后呈透明凝胶，因而产生吸水和保水的功能。在合成或天然高分子原有力学性能的基础上，再赋予传统使用性能以外的各种特定功能（如化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分类性能等）而制得的一类高分子。一般在功能高分子的主链或侧链上具有显示某种功能的基团，其功能性的显示往往十分复杂，不仅决定于高分子链的化学结构、结构单元的序列分布、分子量及其分布、支化、立体结构等一级结构，还决定于高分子链的构象、高分子链在聚集时的高级结构等，后者对生物活性功能的显示更为重要。功能高分子材料研究1 导电高分子材料高分子导电材料通常分为复合型和结构型两大类：复合型高分子导电材料。由通用的高分子材料与各种导电性物质通过填充复合、表面复合或层积复合等方式而制得。主要品种有导电塑料、导电橡胶、导电纤维织物、导电涂料、导电胶粘剂以及透明导电薄膜等。其性能与导电填料的种类、用量、粒度和状态以及它们在高分子材料中的分散状态有很大的关系。常用的导电填料有炭黑、金属粉、金属箔片、金属纤维、碳纤维等.结构型高分子导电材料。是指高分子结构本身或经过掺杂之后具有导电功能的高分子材料。根据电导率的大小又可分为高分子半导体、高分子金属和高分子超导体。按照导电机理可分为电子导电高分子材料和离子导电高分子材料。电子导电高分子材料的结构特点是具有线型或面型大共轭体系，在热或光的作用下通过共轭电子的活化而进行导电，电导率一般在半导体的范围。采用掺杂技术可使这类材料的导电性能大大提高。如在聚乙炔中掺杂少量碘，电导率可提高12个数量级，成为“高分子金属”。经掺杂后的聚氮化硫，在超低温下可转变成高分子超导体。结构型高分子导电材料用于试制轻质塑料蓄电池、太阳能电池、传感器件、微波吸收材料以及试制半导体元器件等。但目前这类材料由于还存在稳定性差(特别是掺杂后的材料在空气中的氧化稳定性差)以及加工成型性、机械性能方面的问题，尚未进入实用阶段。2医用高分子材料医用高分子材料是 用以制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器械的聚合物材料医用高分子材料多用于人体，直接关系到人的生命和健康，一般对其性能的要求是：安全性：必须无毒或副作用极少。这就要求聚合物纯度高，生产环境非常清洁，聚合助剂的残留少，杂质含量为ppm级，确保无病、无毒传播条件。物理、化学和机械性能：需满足医用所需设计和功能的要求。如硬度、弹性、机械强度、疲劳强度、蠕变、磨耗、吸水性、溶出性、耐酶性和体内老化性等。以心脏瓣膜为例，最好能使用25万小时，要求耐疲劳强度特别好。此外，还要求便于灭菌消毒，能耐受湿热消毒(120140C)、干热消毒(160190C)、辐射消毒或化学处理消毒，而不降低材料的性能。要求加工性能好，可加工成所需各种形状，而不损伤其固有性能。适应性：包括与医疗用品中其他材料的适应性，材料与人体各种组织的适应性。材料植入人体后,要求长时期对体液无影响；与血液相容性好,对血液成分无损害，不凝血，不溶血，不形成血栓；无异物反应，在人体内不损伤组织，不致癌致畸，不会导致炎症坏死、组织增生等。特殊功能：不同的应用领域，要求材料分别具有一定的特殊功能。例如：具有分离透析机能的人工肾用过滤膜、人工肺用气体交换膜，以及人造血液用吸脱气体的物质等，都要求有各自特殊的分离透过机能。在大多数情况下，现有高分子材料的表面化学组成与结构很难满足上述要求，通常要采用表面改性处理，如接枝共聚，以改进其抗凝血性等性能。3 高分子纳米复合材料纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。4 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。5 高分子表面活性剂5.1 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。5.2 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。5.3 高分子表面活性剂的特性功能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。5.4 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。结语材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是工业革命的先导，关系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力的重要标志。高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已经成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要保证。由于高分子材料具有许多优良性能，适合现代化生产，经济效益显著，且不受地域、气候的限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展，如今高分子材料已经不再是传统材料的代用品，而是与金属、水泥、木材并列，在国民经济和国防建设中的扮演着重要作用的四大材料。与此同时，高分子科学的三大组成部分高分子化学、高分子物理和高分子工程也已经日趋成熟。因此，量大面广的通用高分子材料通过不断地升级改造，成本大幅度降低、使用性能明显提高；各类新型的、适应现代技术发展的高分子材料不断涌现。参考文献 1田乃林 导电高分子材料的研究与应用现状 承德石油高等专科学校学报，2003，(3) 2杨永芳，刘敏江 导电高分子材料研究进展 工程塑料应用，2002，(7) 3戈明亮 导电高分子材料的研究概况 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