新型高分子材料的应用与发展

1、新型高分子材料的应用【摘 要】自20世纪30年代以来，高分子科学技术的发展极为迅猛。高分子材料特别是合成高分子材料由于其具有的优异功能，已在信息、生命等新技术领域，以及农业、国防、医学和环境保护等方面中发挥着重要作用。通过对高分子化学课程的学习，查阅相关文献，对高分子材料的应用有了更深的了解。【关键字】高分子材料；应用；农业；国防；医学；环境保护0. 引言 高分子材料是指由相对分子质量较大的化合物分子构成的材料。按其来源，高分子材料可分为天然，合成，半合成材料，包括了塑料，合成纤维，合成橡胶，涂料，粘合剂和高分子基复合材料。从1907 年高分子酚醛树脂的出现以来，高分子材料因其普遍具有许多金属

2、和无机材料所无法取代的优点而获得迅速的发展。然而，现在大规模生产的还只是在寻常条件下能够使用的高分子物质，即通用高分子。它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点，而现代工程技术的发展对高分子材料提出了更高的要求。于是新型高分子材料的开发与应用尤为重要。耐高温、高强度、高模量、高冲击性、耐极端条件等高性能的新型高分子材料的开发与应用不但能解决现阶段的高分子材料所面临的问题， 而且也将积极地推动高分子材料向功能化、智能化、精细化方向的发展。与此同时，我国十二五计划也将高分子材料的开发研究纳入了其中， 作为其重要研究方向之一的新型高分子材料的开发研究必将会极大地推动我国材料技术的发展。1. 新型高

3、分子材料在农业上的应用1.1 新型高分子材料对于土地干旱问题的解决高吸水树脂（Super Absorbent Resin）是一类具有亲水性和特殊吸湿能力的高聚物总称。从化学组成上看，它们是一些电解质单体（如丙烯酸等）与亲水单体（如丙烯酰胺等）的微交联聚合物。从结构上看，高吸水树脂是含有大量亲水集团（如羧基、羟基、羧酸盐基等）的低交联度的三维空间网络，一方面具有高分子电解质的分子扩张性能，同时由于其微交联三维网络结构阻碍了分子的进一步扩张，二者的矛盾作用使分子可以在水中分散而不溶解，所以可以吸收和保持自身重量几百甚至上千倍的水分，而且在加压和一定温度条件下不容易脱水。高吸水树脂是不溶于水的高分子

4、聚合物，是使水溶性聚合物在一定条件下接枝、共聚、交联。形成不溶于水，能够高度吸水的高吸水树脂，是通过交联在聚合物内部形成的三维空间网状结构，其分子中含有大量的强亲水性官能团。当网络结构聚合物分散于水中时，水分子渗入吸水树脂中使其溶胀，进一步亲水而形成凝胶化，呈高吸水性状态。高分子水凝胶中的水分，不仅在自然条件下蒸发速度明显下降，而且在加压条件下也不易离析，表现出很强的保水能力。高吸水树脂具有多次重复吸水能力，吸水树脂施入土壤后，随着作物的生长发育，土壤会遇到多次干湿交替过程，这就要求吸水树脂应具有良好的再吸水能力。2. 新型高分子材料在国防中应用2.1 高分子材料在智能隐身技术中的应用随着军用

5、探测技术的迅速发展 ,军事目标面临着各种雷达探测系统、红外探测系统以及光学观测系统日趋严重的威胁 ,导弹技术的发展使目标几乎处于“被发现即等于被命中摧毁 ”的程度 ,因此 ,提高军事目标的生存能力 ,降低被探测和发现的概率 ,对于现代战争来说 ,具有十分重要的意义。智能隐身材料是伴随着智能材料的发展和装备隐身需求而发展起来的一种功能材料 ,它是一种对外界信号具有感知功能、信息处理功能、自动调节自身电磁特性功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能的材料 /系统。区别于传统的外加式隐身和内在式雷达波隐身思路设计 ,为隐身材料的发展和设计提供了崭新的思路 ,是隐身技术发展的必然趋势,高分子聚合物材料以

6、其可在微观体系即分子水平上对材料进行设计、通过化学键、氢键等组装而成具有多种智能特性而成为智能隐身领域的一个重要发展方向。2.1.1 红外智能隐身材料 随着红外探测技术的不断进步以及背景环境的快速变化 ,传统意义的红外伪装-单一被动抑制目标红外辐射、改变辐射特性已经越来越不能适应现代战场的要求 ,对红外隐身材料的研究也在不断发展 ,尤其是在动态红外智能隐身材料研究方面。1995年 , P. Chandrasekhar对导电高分子电致变色材料的红外发射性能进行研究 ,发现在中远红外宽频范围 (0. 4m45m)具有可控的红外发射率变化 (0. 30. 7)以适应背景的红外发射率 ,实现动态红外伪

7、装。美国陆军应用导电高分子电致变色材料(PEDT/PPS)制作士兵服装 ,使士兵能够在夜间不被敌方的探测器发现。对舰船、坦克、车辆等武器装备在不同环境下的伪装要求 ,采用导电高分子电致变色涂层 (聚苯胺 /聚二苯胺涂层 ),利用其红外发射率不同而达到夜间或白天红外伪装的目的 ,此种材料还可使武器装备表面涂层呈现不同的可见光迷彩伪装效果。为了调节目标表面温度变化范围 ,可以采用考虑大热惯量材料 ,其中相变材料是其中一种很有发展前途的材料 ,相变材料是在某一温度发生相变时 ,吸收热量 ,因而达到蓄热调温的作用,使物体表面温度下降 ,辐射率减小 ,达到红外隐身的效果 ,而且此过程是可的 ,Mckin

8、ney等将相变高分子材料 (主要是链烷烃和某些塑性晶体如 2, 2二甲基 21, 3丙二醇 (DMP)、2烃甲基 222甲基 21, 3丙二醇 (HMP) )用无机或有机高分子材料进行包覆制成微胶囊 ,再将这种微胶囊作为填料加入到涂料中 ,或者加入到树脂中挤压形成纤维 ,将涂料或织物覆盖于物体表面 ,当温度升高时 ,相变高分子材料发生相变吸热 ,塑性晶体分子结构发生变化吸热 ,降低表面温度 ,温度降低时 ,相变高分子材料发生相变放热 ,升高表面温度 ,利用高相变热储材料的可逆过程,达到红外伪装的目的 ,当然在具体应用时 ,还应该考虑隐身材料所应用目标的温度和环境因素等来动态调节物体表面温度。虽

9、然这种高分子材料还未见应用于红外智能隐身材料的报道 ,不过从材料特性看 ,这种高分子材料具有未来应用于红外智能隐身的潜力。2.1.2 可见光智能隐身材料 为了提高目标在可见光背景下的伪装能力 ,有些国家致力于伪装材料在可见光背景下的环境自适应技术研究 ,其中电致、光致变色高分子材料成为可见光智能隐身的一个重要研究方向。据报道 ,美国空军研究了一种导电聚苯胺复合材料 ,可用于调节飞机蒙皮的亮度和颜色 ,它是通过安装在飞机各个侧面的可见光传感器控制它的光电等特性 ,在不加电时 ,它是透光的 ,在加电时 ,可同时改变亮度和颜色 ,使用这种蒙皮的飞机 ,在飞行中从上往下看 ,它的上部颜色与它下面地表的

10、主体颜色相近 ,从下往上看 ,它的底部颜色与太空背景一致 ,而且蒙皮加电时 ,能够散射雷达波 ,使跟踪雷达的探测距离缩短一半以上。美国佛罗里达大学研制出一种电致变色聚合物材料 ,将这种材料制成薄板覆盖在目标表面 ,板在加电时能发光并改变颜色 ,在不同电压的控制下会发出蓝、灰、白等不同颜色的光 ,必要时还可产生淡淡不同的色调 ,以便与太空的色调相一致 ,能够消除目标与背景的色差 ,达到可见光隐身的效果。 美国研制出一种电致变色高分子材料可用于可见光伪装智能材料 ,据称 ,在聚氨酯分子中嵌入高活性的丁二炔链段 ,在适当的条件下 ,丁二炔聚合成聚丁二炔 ,形成具有自由电子的共轭结构 ,从而改变了整个

11、材料的颜色和光强度 ,在此基础上 ,在材料系统中加入传感器和控制器 ,使用带有SiC光探测器的窄带通滤波器可以识别环境的波长和光强度 ,再将输出信号经模拟数字转换器传输给微处理器进行识别和数据处理 ,并发出控制指令以改变材料的颜色和强度 ,从而达到智能隐身的效果。 目前正在研究的可用于可见光智能隐身的光致变色高分子材料主要还有 :含硫卡巴腙配合物的光致变色高分子材料;含偶氮苯的光致变色高分子材料;含螺苯并吡喃的光致变色高分子材料;氧化还原型光致变色高分子材料。3. 新型高分子材料在医学上的应用高分子材料具有质轻、耐酸碱等特点,在电子电气、机械等领域己得以广泛应用相对而言,其在医药制剂领域的应用

12、,不论从品种上,还是数量上均较少。不过,近几年来,随着许多新性能高分子材料的涌现及医药制剂工业的迅猛发展,高分子材料越来越广泛地应用于新药的研究与开发中,并在其中发挥了十分重要的作用。3.1 高分子材料在治疗哮喘药物上的应用沙丁胺醇属选择性受体激动剂,是目前治疗哮喘的常用药物。但普通药剂口服后很难在凌晨3:004:00时哮喘发作高峰期发挥疗效。郭涛等以硫酸沙丁胺醇为原料,以梭甲基淀粉钠作崩解剂,不溶性淀粉作填充剂,经适当工艺制作成片芯,然后选用 PEG6000 作致孔剂,再加入调节剂、隔水层等制成包衣片。由PEG6000 在包衣隔水层中能形成孔道,通过调节其用量可控制水分子向片芯内渗透的速度,

13、从而使片芯逐渐获得水分且在到达迟滞时间时产生足够的膨胀力。利用这种方法所制备的片剂能使主药硫酸沙丁胺醇在226士12min时得到脉冲释放,可望在体内用药4一5h时达到有效治疗浓度,从而达到利用时辰治疗学原理治疗哮喘病的目的。3.2 高分子材料在消炎镇痛药物上应用陈鸿清等用卡波姆（CBM）一940做凝胶基质,加入双氯芬酸钠、无水乙醇等制备了一种白色、质地均匀、半固体的凝胶制剂一一舒宁软膏。该凝胶制剂透皮吸收速率快,为零级扩散,药物性质稳定,起效快,疗效持久,是种较令人满意的外用消炎镇痛药。4. 新型高分子材料在环境保护方面的应用 在环境保护中 ,由于高分子具有质轻、比强度高、耐腐蚀、易加工、价格

14、低等优点 ,在各种处理设施中的应用也日趋广泛。但当高分子材料被广泛应用时 ,由废弃的高分子材料引起的污染也日趋严重。一方面 ,人们使用高分子材料来改善生活条件 ;另一方面 ,废弃的高分子材料又破坏了生活环境 ,这种矛盾在我国现阶段表现非常突出。下面，就具体地研究环保与高分子材料的关系 ,分析我国高分子在环保中的使用情况和发展趋势，探讨高分子材料污染的治理方法和发展情况。4.1 离子交换树酯在给水处理中 ,合成高分子的离子交换树酯主要用于水的软化 ,除盐及制备高纯水。在工业废水处理中 ,主要用于废水中的重金属离子的去除和回收。离子交换树酯是一种不溶于水的多孔性固体物质 ,在其孔表面及孔隙内一定部

15、位附有特定的离子交换基团 ,它能从溶液中吸附某种阳离子或阴离子 ,同时把本身所含的另外一种相同电荷符号的离子等当量地交换 ,放出到溶液中。离子交换剂包括天然沸石、人造沸石、磺化煤、离子交换树酯等四种 ,前三种只能交换阳离子 ,只能用于水的软化 ,而离子交换树酯有阳离子型和阴离子型两大类 ,又有强性(强酸、强碱)树酯及弱性(弱酸、弱碱)树酯之分。尤其弱性树酯的出现 ,由于它的交换容量大 ,选择性高和再生容易等特点 ,使它在处理工业废水中的重金属离子方面有相当广泛的应用。比如用阴树酯处理回收含铬废水 ,用钠型阴树酯回收化纤厂含锌废水。离子交换树酯虽然比沸石、磺化煤价格高 ,但它的交换能力是前者的八倍 ,并且出水效果稳定 ,逐渐替代了前者。随着离子交换树酯品种的逐渐增多 ,尤其是高选择性树酯的开发 ,使它在工业废水中的应用更加广泛。4.2 废气处理中的应用以泡沫塑料为基材的过滤器 ,在废气处理中有很好的效果。如