功 能 高 分 子 材 料 和 智 能 高 分 子 材 料 艾 倫 -J-黑 格Alan J. Heeger 艾 倫 -G-麥 克 迪 爾 米 德Alan G. MacDiarmid 白 川 英 樹Hideki Shirakawa 2000 Nobel Prize in chemistry Organic Electronics Display Solar cell Lighting Bisensor 有 機 光 電 子 器 件 需 求 ： 研 究 有 機 分 子 /高 分 子 的 電 子 過 程 將 建 立 一 個 由 新 型 電 子 屏 幕 、 存 儲 器 和 晶 體 管 等 組 成 的 “ 有 機 電 子 工 業(yè) ” 。 學(xué) 科 ： 將 誕 生 分 子 電 子 學(xué) 、 納 米 電 子 學(xué) 與 塑 料 電 子 學(xué) 學(xué) 科 領(lǐng) 域 新 工 作 原 理 和 新 物 理 機 制 容 易 實 現(xiàn) 大 屏 幕 和 柔 性 制 備 工 藝 簡 單 ， 具 有 價 格 優(yōu) 勢5億 US$ 30億 US$2004 2009塑 料 電 子 學(xué) 為 跨 學(xué) 科 領(lǐng) 域 國 際 科 學(xué) 前 沿 的 重 要研 究 方 向 和 高 技 術(shù) 的 競 爭 焦 點 。手機 電視領(lǐng) 域 背 景 光 敏 高 分 子 藥 物 緩 釋 高 分 子 第 一 部 分 ： 功 能 高 分 子 材 料1.1 功 能 高 分 子 材 料 的 概 念 是 指 除 了 具 有 一 定 力 學(xué) 性 能 外 ， 還 具 有 物 質(zhì) 分離 、 光 、 電 、 磁 、 能 量 儲 存 和 轉(zhuǎn) 化 、 生 物 醫(yī) 用 等 特殊 性 能 的 高 分 子 材 料 ， 這 種 特 殊 功 能 是 由 它 們 的 鏈結(jié) 構(gòu) 、 鏈 上 所 帶 的 功 能 基 的 種 類 、 數(shù) 量 、 分 布 以 及高 分 子 的 聚 集 態(tài) 和 形 態(tài) 所 確 定 的 。 功 能 高 分 子 的 產(chǎn) 生v隨 著 人 們 在 生 產(chǎn) 和 生 活 方 面 對 新 型 聚 合 材 料 的 需 求 ,以 及高 分 子 化 學(xué) 研 究 的 深 入 和 發(fā) 展 ,眾 多 的 有 著 不 同 于 以 上 特征 ,帶 有 特 殊 物 理 化 學(xué) 性 質(zhì) 和 功 能 的 高 分 子 材 料 大 量 涌 現(xiàn) ,其 性 能 和 特 征 都 超 出 了 原 有 常 規(guī) 高 分 子 材 料 的 范 疇 ,使 人們 有 必 要 對 這 些 新 型 聚 合 物 材 料 進 行 重 新 認 識 。v功 能 高 分 子 化 學(xué) 就 是 在 這 種 背 景 下 發(fā) 展 起 來 的 一 門 科 學(xué) 。那 些 性 質(zhì) 和 功 能 很 特 殊 的 新 型 聚 合 物 材 料 即 屬 于 功 能 高分 子 材 料 。 功 能 高 分 子 化 學(xué) 的 發(fā) 展 v功 能 高 分 子 化 學(xué) 的 發(fā) 展 可 以 追 述 到 很 久 以 前 ， 如 光 敏 高分 子 材 料 和 離 子 交 換 樹 脂 都 有 很 長 的 發(fā) 展 歷 史 。 但 是 作為 一 門 獨 立 學(xué) 科 ， 則 是 一 門 全 新 的 科 學(xué) 。v功 能 高 分 子 化 學(xué) 還 是 一 門 新 興 邊 緣 交 叉 學(xué) 科 ， 是 目 前 國內(nèi) 外 異 常 活 躍 的 一 個 研 究 領(lǐng) 域 。v功 能 高 分 子 化 學(xué) 在 高 分 子 化 學(xué) 中 地 位 、 相 當(dāng) 于 精 細 化 工在 化 工 領(lǐng) 域 地 位 ， 因 此 有 人 稱 功 能 高 分 子 為 精 細 高 分 子 ，指 其 產(chǎn) 品 的 產(chǎn) 量 小 、 產(chǎn) 值 高 、 制 造 工 藝 復(fù) 雜 、 性 能 獨 特 。 獨 特 的 “功 能 ”v功 能 高 分 子 化 學(xué) 之 所 以 能 成 為 國 內(nèi) 外 材 料 科 學(xué) 的 重 要 研 究熱 點 之 一 ， 最 主 要 的 原 因 在 于 他 們 具 有 獨 特 的 “功 能 ”， 可以 用 于 替 代 其 他 功 能 材 料 ， 并 提 高 或 改 進 其 性 能 使 其 成 為具 有 全 新 性 質(zhì) 的 功 能 材 料 。v功 能 高 分 子 化 學(xué) 研 究 ， 代 表 了 高 分 子 化 學(xué) 的 發(fā) 展 方 向 ， 人們 甚 至 期 望 功 能 高 分 子 材 料 能 象 合 成 纖 維 帶 來 紡 織 革 命 一樣 ， 在 其 它 生 產(chǎn) 和 科 學(xué) 領(lǐng) 域 帶 來 一 場 革 命 。 功 能 高 分 子材 料1.2 功 能 高 分 子 與 高 性 能 高 分 子 材 料 的 區(qū) 別 高 性 能 高 分 子材 料 或 結(jié) 構(gòu) 材 料 當(dāng) 有 外 來 的 刺 激 時 ， 能 通 過 化 學(xué) 或物 理 的 方 法 做 出 響 應(yīng) 的 高 分 子 材 料 對 外 力 有 特 別 強 抵 抗 能 力 的 高 分 子 材 料 1.3 功 能 高 分 子 發(fā) 展 的 背 景 l 1935年 發(fā) 明 了 離 子 交 換 樹 脂 ； l 1957年 發(fā) 現(xiàn) 了 聚 乙 烯 基 咔 唑 的 光 電 導(dǎo) 性 ， 打 破 了 多 年 來 認為 高 分 子 材 料 只 能 是 絕 緣 體 的 觀 念 ；l 20世 紀 50年 代 發(fā) 展 起 來 的 光 敏 高 分 子 化 學(xué) ， 在 光 聚 合 、 光交 聯(lián) 、 光 降 解 、 熒 光 以 及 光 導(dǎo) 機 理 的 研 究 方 面 都 取 得 了 重大 突 破 ， 特 別 在 過 去 20多 年 中 有 了 飛 快 發(fā) 展 ， 并 在 工 業(yè) 上得 到 廣 泛 應(yīng) 用 .l 1966年 little提 出 超 導(dǎo) 高 分 子 模 型 ， 隨 后 在 1975年 發(fā) 現(xiàn) 了聚 氮 化 硫 的 超 導(dǎo) 性 ， 1993年 俄 羅 斯 科 學(xué) 家 報 道 了 在 經(jīng) 過 長期 氧 化 的 聚 丙 烯 體 系 中 發(fā) 現(xiàn) 了 室 溫 超 導(dǎo) 體 ； l20世 紀 80年 代 ， 高 分 子 傳 感 器 、 人 工 臟 器 、 高 分 子分 離 膜 等 技 術(shù) 得 到 快 速 發(fā) 展 ；l1994年 塑 料 柔 性 太 陽 能 電 池 在 美 國 阿 爾 貢 實 驗 室 研制 成 功 ；l1997年 發(fā) 現(xiàn) 聚 乙 炔 經(jīng) 過 摻 雜 具 有 金 屬 導(dǎo) 電 性 ， 導(dǎo) 致了 聚 苯 胺 、 聚 吡 咯 等 一 系 列 導(dǎo) 電 高 分 子 的 問 世 ； 1.3.1 經(jīng) 濟 發(fā) 展 需 要 的 促 進 （ 價 格 比 以 通 用 高 分 子 為 1計 )品 種 主 要 產(chǎn) 品 舉 例 產(chǎn) 量 /萬 噸 /年 價 格 比 通 用 高 分 子 材 料 LDPE， HDPE，PVC， PP， PS 1000 1 中 間 高 分 子 材 料 ABS， PMMA 100 1000 1 2 工 程 高 分 子 材 料 PA， PC， POM， PBT， PPO 20 80 2 4 特 種 高 分 子 材 料 有 機 氟 材 料 ， 耐 熱 性 高 分 子 ， 功 能 高 分 子 1 20 10 100 1.3.2 科 學(xué) 技 術(shù) 發(fā) 展 的 需 求 1） 新 能 源 的 要 求 太 陽 能 和 氫 將 成 為 今 后 的 主 要 能 源 。 光 電 轉(zhuǎn) 換材 料 就 成 為 太 陽 能 利 用 的 關(guān) 鍵 ， 硅 材 料 已 進 入 了 實用 階 段 。 因 為 其 最 高 能 量 轉(zhuǎn) 換 效 率 達 40.8%， 然 而單 晶 硅 價 格 太 高 ， 為 此 ， 人 們 正 把 注 意 力 轉(zhuǎn) 向 可 高效 轉(zhuǎn) 換 太 陽 能 的 功 能 高 分 子 太 陽 能 電 池 (11%)。 2） 交 通 和 宇 航 技 術(shù) 的 要 求 3） 微 電 子 技 術(shù) 的 要 求 高 度 集 成 化 是 微 電 子工 業(yè) 發(fā) 展 的 趨 勢 ， 高 功能 光 致 抗 蝕 材 料 （ 感 光高 分 子 ） 已 成 為 微 電 子工 業(yè) 的 關(guān) 鍵 材 料 之 一 。 4） 生 命 科 學(xué) 和 環(huán) 境 保 護的 要 求 生 物 分 離 介 質(zhì) 的 研 制 成 功使 生 命 組 成 的 各 種 組 分 能 得以 精 細 地 分 級 ， 對 生 命 科 學(xué)的 貢 獻 將 是 十 分 重 大 的 。 藥物 緩 釋 高 分 子 材 料 ， 可 降解 性 高 分 子 材 料 的 問 世 ，將 大 大 減 緩 白 色 公 害 對 人 類的 危 害 。 1.4 功 能 高 分 子 材 料 的 分 類1.4.1 從 組 成 和 結(jié) 構(gòu) 上 分 類 ： 功 能 高 分 子 材 料 結(jié) 構(gòu) 型 功 能 高 分 子 材 料 復(fù) 合 型 功 能 高 分 子 材 料 大 分 子 鏈 結(jié) 構(gòu) 中具 有 特 定 功 能 基團 普 通 高 分 子 材 料 為 載 體 或 基體 ， 與 具 有 某 些 特 定 功 能 的其 他 材 料 進 行 復(fù) 合 1.4.2 從 功 能 上 分 類 ： 1） 力 學(xué) 功 能 材 料u強 化 功 能 材 料 ， 如 超 高 強 材 料 、 高 結(jié) 晶 材 料 等 ；u彈 性 功 能 材 料 ， 如 熱 塑 性 彈 性 體 等 。2） 化 學(xué) 反 應(yīng) 功 能 材 料 分 離 功 能 材 料 ， 如 分 離 膜 、 離 子 交 換 樹 脂 、 高 分 子 絡(luò) 合物 等 ；u反 應(yīng) 功 能 材 料 ， 如 高 分 子 催 化 劑 、 高 分 子 試 劑 、 螯 合 高分 子 、 感 光 性 高 分 子 ；u生 物 功 能 材 料 ， 如 固 定 化 酶 、 生 物 反 應(yīng) 器 等 。 3） 物 理 化 學(xué) 功 能 材 料u熱 功 能 高 分 子 ， 如 耐 高 溫 高 分 子 ， 高 分 子 液 晶 等 ；u電 學(xué) 功 能 材 料 ， 如 導(dǎo) 電 性 高 分 子 、 超 導(dǎo) 高 分 子 ， 感 電 子 性 高分 子 ；u光 學(xué) 功 能 材 料 ， 如 導(dǎo) 光 性 高 分 子 ， 光 敏 性 高 分 子 、 熒 光 和 發(fā)光 高 分 子 等 ；u能 量 轉(zhuǎn) 換 功 能 材 料 ， 如 壓 電 性 高 分 子 、 熱 電 性 高 分 子 等 。4） 生 物 化 學(xué) 功 能 材 料u人 工 臟 器 用 高 分 子 材 料 ， 如 人 工 腎 、 人 工 心 肺 等 ；u高 分 子 藥 物 ， 如 藥 物 活 性 高 分 子 、 緩 釋 性 高 分 子 藥 物 、 高 分子 農(nóng) 藥 等 ；u生 物 分 解 材 料 ， 如 可 降 解 性 高 分 子 材 料 等 。 1.4.3 按 用 途 分 類 v反 應(yīng) 性 高 分 子 材 料 ， 包 括 高 分 子 試 劑 、 高 分 子 催 化 劑 和 高分 子 染 料 和 涂 料 、 粘 合 劑 ， 帶 各 種 功 能 團 的 中 間 體 ， 特 別是 高 分 子 固 相 合 成 試 劑 和 固 定 化 酶 試 劑 等 。v光 敏 型 高 分 子 ， 包 括 各 種 光 穩(wěn) 定 劑 、 光 刻 膠 ， 感 光 材 料 、非 線 性 光 學(xué) 材 料 、 光 導(dǎo) 材 料 和 光 致 變 色 材 料 等 。v高 分 子 電 性 能 材 料 ， 包 括 導(dǎo) 電 聚 合 物 、 能 量 轉(zhuǎn) 換 型 聚 合 物 、電 致 發(fā) 光 和 電 致 變 色 材 料 以 及 其 他 電 敏 感 性 材 料 等 ，v高 分 子 分 離 材 料 ， 包 括 各 種 分 離 膜 、 緩 釋 膜 和 其 他 半 透 性膜 材 料 、 離 子 交 換 樹 脂 、 高 分 子 螯 合 劑 、 高 分 子 絮 凝 劑 等 v高 分 子 吸 附 材 料 ， 包 括 高 分 子 吸 附 性 樹 脂 、 高 吸 水 性 高分 子 、 高 吸 油 性 高 分 子 等 。v高 分 子 智 能 材 料 ， 包 括 高 分 子 記 憶 材 料 、 信 息 存 儲 材 料和 光 、 磁 、 pH、 壓 力 感 應(yīng) 材 料 等 。v高 分 子 醫(yī) 用 材 料 ， 包 括 醫(yī) 用 高 分 子 材 料 、 藥 用 高 分 子 材料 和 醫(yī) 藥 用 輔 助 材 料 等 。v高 性 能 工 程 材 料 ， 如 高 分 子 液 晶 材 料 ， 耐 高 溫 高 分 子 材料 、 高 強 高 模 量 高 分 子 材 料 、 阻 燃 性 高 分 子 材 料 和 功 能纖 維 材 料 、 生 物 降 解 高 分 子 等 。 1.4.4 按 來 源 分 類 功 能 高 分 子 材 料 天 然 功 能 高 分 子 材 料 包括 蛋 白 質(zhì) 、 核 酸 、 酶 、多 肽 、 和 血 紅 素 等 半 合 成 功 能 高 分 子 材 料如 ： 固 化 淀 粉 酶 和 固 化 糖 酶 合 成 功 能 高 分 子 材 料 所 占 比 例最 大 1.5 功 能 高 分 子 材 料 的 合 成 方 法 特 種 與 功 能 高 分 子 材 料 的 特 點 在 于 他 們 特殊 的 “ 性 能 ” 和 “ 功 能 ” ， 因 此 在 制 備 這 些 高分 子 材 料 的 時 候 ， 分 子 設(shè) 計 成 為 十 分 關(guān) 鍵 的 研究 內(nèi) 容 。 設(shè) 計 一 種 能 滿 足 一 定 需 要 的 功 能 高 分子 材 料 是 高 分 子 化 學(xué) 研 究 的 一 項 主 要 目 標 。 目 前 采 用 的 制 備 方 法 來 看 ， 功 能 高 分 子 材 料 的 制 備 可歸 納 為 以 下 四 種 類 型 ：v功 能 性 小 分 子 材 料 的 高 分 子 化 ，v已 有 高 分 子 材 料 的 功 能 化 ，v多 功 能 材 料 的 復(fù) 合 ，v已 有 功 能 高 分 子 材 料 的 功 能 擴 展 。 1.5.1 功 能 性 小 分 子 材 料 的 高 分 子 化 對 具 有 一 定 功 能 性 小 分 子 進 行 高 分 子 化 反 應(yīng) ， 賦予 其 高 分 子 的 功 能 特 點 ， 即 有 可 能 開 發(fā) 出 新 的 功 能高 分 子 材 料 。 例 如 ： 利 用 青 霉 素 結(jié) 構(gòu) 中 的 羧 基 、 氨基 與 高 分 子 反 應(yīng) ， 可 得 到 療 效 長 的 高 分 子 青 霉 素 。 （ 1） 帶 有 功 能 性 基 團 的 單 體 的 聚 合 單 體 均 聚 或 共 聚 在 功 能 性 小 分 子 中 引 入 可 聚 合 基 團 得 到 單 體然 后 進 行 均 聚 或 共 聚 反 應(yīng)在 含 有 可 聚 合 基 團 的 單 體 中引 入 功 能 性 基 團 得 到 功 能 性 單 體 例 ： 將 含 有 環(huán) 氧 基 團 的 低 分 子 量 雙 酚 A型 環(huán) 氧 樹 脂 與 丙 烯 酸 反 應(yīng) ， 得 到 含 雙 鍵 的 環(huán) 氧 丙 烯 酸 酯 ， 這 種 單體 在 制 備 功 能 性 粘 合 劑 方 面 有 廣 泛 的 應(yīng) 用 ： CH2CHO CH2 O CCH3CH3 O CH2 CHCH2 O + CH2 CH COOHCH 2CHOH CH2 O CCH3CH3 O CH2 CHCH2OCH2 CH CO O （ 2） 帶 功 能 性 基 團 的 小 分 子 與 高 分 子 骨 架 的 結(jié) 合 這 種 方 法 主 要 是 利 用 化 學(xué) 反 應(yīng) 將 活 性 功 能 基 引 入聚 合 物 骨 架 ， 從 而 改 變 聚 合 物 的 物 理 化 學(xué) 性 質(zhì) ， 賦 予其 新 的 功 能 。 通 常 用 于 這 種 功 能 化 反 應(yīng) 的 高 分 子 材 料都 是 較 廉 價 的 通 用 材 料 。 （ 3） 功 能 性 小 分 子 通 過 聚 合 包 埋 與 高 分 子 材 料 結(jié) 合 a） 在 聚 合 反 應(yīng) 之 前 ， 向 單 體 溶 液 中 加 入 小 分 子功 能 化 合 物 ， 在 聚 合 過 程 中 小 分 子 被 生 成 的 聚 合 物所 包 埋 ， 用 這 種 方 法 得 到 的 功 能 高 分 子 材 料 ， 聚 合物 骨 架 與 小 分 子 功 能 化 合 物 之 間 沒 有 化 學(xué) 鍵 連 接 ，固 化 作 用 通 過 聚 合 物 的 包 絡(luò) 作 用 來 完 成 。 b） 以 微 膠 囊 （ microcapsules） 的 形 式 將 功 能 性 小分 子 包 埋 在 高 分 子 材 料 中 1.5.2 通 過 物 理 方 法 制 備 功 能 高 分 子 聚 合 物 的 這 種 功 能 化 方 法 可 以 用 于 當(dāng) 聚 合 物 或 者 功 能 性 小分 子 缺 乏 反 應(yīng) 活 性 ， 不 能 或 者 不 易 采 用 化 學(xué) 方 法 進 行 功 能 化 ，或 者 被 引 入 的 功 能 性 物 質(zhì) 對 化 學(xué) 反 應(yīng) 過 于 敏 感 ， 不 能 承 受 化學(xué) 反 應(yīng) 條 件 的 情 況 下 對 其 進 行 功 能 化 。 比 如 ， 某 些 酶 的 固 化 ， 某 些 金 屬 和 金 屬 氧 化 物 的 固 化 等 。 與化 學(xué) 法 相 比 ， 通 過 與 聚 合 物 共 混 制 備 功 能 高 分 子 的 主 要 缺 點是 共 混 物 不 夠 穩(wěn) 定 ， 在 使 用 條 件 下 （ 如 溶 脹 、 成 膜 等 ） 功 能聚 合 物 容 易 由 于 功 能 性 小 分 子 的 流 失 而 逐 步 失 去 活 性 。 1.5.3 功 能 高 分 子 材 料 的 多 功 能 復(fù) 合 將 兩 種 以 上 的 功 能 高 分 子 材 料 以 某 種 方 式 結(jié) 合 ，將 形 成 新 的 功 能 材 料 ， 而 且 具 有 任 何 單 一 功 能 高分 子 均 不 具 備 的 性 能 ， 這 一 結(jié) 合 過 程 被 稱 為 功 能高 分 子 材 料 的 多 功 能 復(fù) 合 過 程 。 1.5.4 在 同 一 分 子 中 引 入 多 種 功 能 基 以 這 種 方 法 制 備 的 聚 合 物 ， 或 者 集 多 種 功 能于 一 身 ， 或 者 兩 種 功 能 起 協(xié) 同 作 用 ， 產(chǎn) 生 出 新 的功 能 。 目 前 現(xiàn) 狀 ： 高 分 子 設(shè) 計 目 前 尚 處 于 定 性 設(shè) 計 階段 ， 還 沒 有 進 入 定 量 設(shè) 計 的 高 級 階 段 。 但 功 能 高分 子 的 結(jié) 構(gòu) 和 性 能 的 關(guān) 系 相 對 比 較 簡 單 ， 隨 著 科學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 分 子 設(shè) 計 基 礎(chǔ) 研 究 的 深 化 ， 完 全有 可 能 搞 清 它 們 的 結(jié) 構(gòu) 和 性 能 的 關(guān) 系 ， 并 在 此 基礎(chǔ) 上 根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 合 成 路 線 和 加 工 工 藝 ， 從 而 可望 開 發(fā) 出 各 種 具 有 特 定 功 能 基 或 一 定 結(jié) 構(gòu) 的 性 能優(yōu) 良 的 功 能 高 分 子 材 料 。 第 二 部 分 ： 智 能 高 分 子 材 料 指 集 感 知 、 驅(qū) 動 和 信 息 處 理 于 一 體 ， 形 成 類 似生 物 材 料 那 樣 具 有 智 能 屬 性 的 高 分 子 材 料 ， 具 有 自診 斷 、 自 適 應(yīng) 、 自 修 復(fù) 和 壽 命 預(yù) 報 以 及 靠 自 身 驅(qū) 動完 成 特 定 功 能 （ 如 振 動 控 制 ） 的 能 力 。外 界 環(huán) 境 變 化 瞬 時 主 動 響 應(yīng) 智 能 材 料 智 能 高 分 子 材 料智 能 無 機 非 金 屬 材 料智 能 金 屬 材 料 功 能 材 料 多 水 平 結(jié) 構(gòu) 層 次較 弱 的 分 子 間 作 用 力側(cè) 鏈 易 引 入 官 能 團 便 于 分 子 設(shè) 計 和 精 細 控 制質(zhì) 輕 易 涂 覆 利 于 感 知 判斷 環(huán) 境 實 現(xiàn)環(huán) 境 響 應(yīng) 2.1 智 能 高 分 子 材 料 的 一 般 分 類 及 應(yīng) 用類 別 性 質(zhì) 應(yīng) 用記 憶 功 能高 分 子 材 料 對 應(yīng) 力 形 狀 體 積 色 澤 等 有 記 憶 效 應(yīng) 醫(yī) 用 材 料 /包 裝 材 料織 物 材 料 /熱 收 縮 管智 能 纖 維 織 物 熱 適 應(yīng) 性 ， 可 逆 收 縮 性 服 裝 /保 溫 系 統(tǒng)傳 感 /執(zhí) 行 系 統(tǒng)生 物 醫(yī) 用 壓 力 繃 帶智 能 高 分 子凝 膠 三 維 高 分 子 網(wǎng) 絡(luò) 與 溶 劑組 成 的 體 系 ， 體 積 相 轉(zhuǎn) 變 組 織 培 養(yǎng) /環(huán) 境 工 程化 學(xué) 機 械 系 統(tǒng) /調(diào) 光 材 料 智 能 藥 物 釋 放 體 系智 能 高 分 子復(fù) 合 材 料 集 成 傳 感 器 、 信 息 處 理 器功 能 驅(qū) 動 器 ， 多 學(xué) 科 交 叉 產(chǎn) 物 自 愈 合 、 自 應(yīng) 變 、 自 動 修 補 混 凝 土減 震 速 造 建 筑 材 料形 狀 記 憶 合 金 /復(fù) 合 功 能 器 件 壓 電 材 料智 能 高 分 子 膜 選 擇 性 滲 透 、 選 擇 性 吸 附 和 分 離 等膜 的 組 成 、 結(jié) 構(gòu) 和 形 態(tài) 的 變 化 選 擇 透 過 膜 材傳 感 膜 材 /仿 生 膜 材 人 工 肺 2.2 智 能 材 料 與 普 通 材 料 的 區(qū) 別 下 面 簡 要 的 介 紹 三 種 智 能 高 分 子 材 料 ：記 憶 高 分 子 材 料智 能 高 分 子 凝 膠智 能 高 分 子 膜 2.3 記 憶 高 分 子 材 料 （ shape memory polymer) 形 狀 記 憶 是 指 具 有 初 始 形 狀 的 制 品 ， 經(jīng) 形 變 固 定 之 后 ， 通 過加 熱 等 外 部 條 件 刺 激 手 段 的 處 理 ， 又 可 使 其 恢 復(fù) 初 始 形 狀 的現(xiàn) 象 ,可 分 為 熱 致 感 應(yīng) 型 ， 光 致 感 應(yīng) 型 ， 電 致 感 應(yīng) 型 ， 化 學(xué) 感應(yīng) 型 四 種 。 固 定 變 形 態(tài)記 憶 起 始 態(tài)恢 復(fù) 起 始 態(tài)應(yīng) 力 記 憶 高 分 子 材 料形 狀 記 憶 高 分 子 材 料體 積 記 憶 高 分 子 材 料色 澤 記 憶 高 分 子 材 料 2.3.1 形 狀 記 憶 高 分 子 材 料 的 要 求 結(jié) 晶 型 聚 合 物 要 求 適 度 結(jié) 晶 ， 否 則 結(jié) 晶 度 過 高 不可 能 產(chǎn) 生 形 狀 記 憶 功 能 。對 無 定 型 聚 合 物 ， 當(dāng) 其 相 對 分 子 質(zhì) 量 足 夠 大 ， 大分 子 之 間 的 纏 繞 足 夠 緊 密 。 在 溫 度 大 于 Tg接 近 粘流 溫 度 Tf時 ， 纏 繞 點 也 不 會 因 松 弛 而 解 除 。結(jié) 構(gòu) 較 對 稱 并 適 度 交 聯(lián) 的 聚 合 物 。微 相 分 離 明 顯 且 兩 相 Tg相 差 較 大 的 無 定 型 聚 合 物 。 2.3.2 熱 致 形 狀 記 憶 反 應(yīng) 過 程 2.3.2 熱 致 形 狀 記 憶 高 分 子 種 類 和 應(yīng) 用 聚 烯 烴 類 ： 耐 高 溫 /耐 腐 蝕 場 合熱 致 形 狀 記 憶 高 分 子 聚 酯 類 ： 耐 熱 /耐 化 學(xué) 藥 品 /醫(yī) 用 聚 氨 酯 類 ： 建 筑 /醫(yī) 學(xué) v熱 收 縮 管v手 術(shù) 縫 合 線v緊 固 鉚 釘 2.4 智 能 高 分 子 凝 膠 三 維 高 分 子 網(wǎng) 絡(luò) 與 溶 劑 組 成 的 體 系 含 有 親 溶 劑 性 基 團 ， 可 被 溶 劑 溶 脹 最 大 的 特 點 :體 積 相 轉(zhuǎn) 變pH值 /離 子 強 度溫 度 /光 強 度 /電 場溶 脹 相 收 縮 相 2.4.1 智 能 凝 膠 的 分 類1、 來 源 天 然 凝 膠合 成 凝 膠 2、 交 聯(lián) 方 式 化 學(xué) 凝 膠物 理 凝 膠3、 響 應(yīng) 刺 激 信 號 溫 敏 凝 膠光 敏 凝 膠PH響 應(yīng) 凝 膠鹽 敏 凝 膠電 場 響 應(yīng) 性 凝 膠. 2.4.2 智 能 高 分 子 凝 膠 的 應(yīng) 用v調(diào) 光 材 料 ： 低 溫 透 明高 溫 白 濁 化 v智 能 藥 物 釋 放 系 統(tǒng) :葡 萄 糖 響 應(yīng) 高 分 子 配 合 物 形 成的 胰 島 素 釋 放 微 囊 感 知 葡 萄 糖 濃 度 交 換 鍵 合 釋 放 藥 物 患 者 的 血 糖 濃 度 維 持 正 常 水 平釋 放 機 理 ： 刺 激 響 應(yīng) 脈 沖 釋 放 2.5 智 能 高 分 子 膜 分 離 膜 是 指 能 以 特 定 形 式 限 制 和 傳 遞 流 體 物 質(zhì) 的分 隔 兩 相 或 兩 部 分 的 界 面 。篩 分 過 濾 蒸 餾蒸 發(fā) 重 結(jié) 晶 萃 取 離 心 分 離分 子 尺 寸 的 分 離生 物 體 組 分 的 分 離 常 用 的 化 工 分 離高 分 子 膜 分 離 2.5.1 智 能 高 分 子 膜 的 分 類 1） 按 膜 的 材 料 分 類類 別 膜 材 料 舉 例 纖 維 素 酯 類 （ 占 50%以 上 ） 纖 維 素 衍 生 物 類 醋 酸 纖 維 素 ， 硝 酸 纖 維 素 ， 乙 基 纖 維 素 等非 纖 維 素 酯 類 聚 砜 類 聚 砜 ， 聚 醚 砜 ， 聚 芳 醚 砜 ， 磺 化 聚 砜 等聚 酰 (亞 )胺 類 聚 砜 酰 胺 ， 芳 香 族 聚 酰 胺 ， 含 氟 聚 酰 亞 胺 等聚 酯 、 烯 烴 類 滌 綸 ， 聚 碳 酸 酯 ， 聚 乙 烯 ， 聚 丙 烯 腈 等 含 氟 (硅 )類 聚 四 氟 乙 烯 ， 聚 偏 氟 乙 烯 ， 聚 二 甲 基 硅 氧 烷 等其 他 殼 聚 糖 ， 聚 電 解 質(zhì) 等 2） 按 膜 的 分 離 原 理 及 適 用 范 圍 分 類 根 據(jù) 分 離 膜 的 分 離 原 理 和 推 動 力 的 不 同 ， 可 將其 分 為 微 孔 膜 、 超 過 濾 膜 、 反 滲 透 膜 、 納 濾 膜 、滲 析 膜 、 電 滲 析 膜 、 滲 透 蒸 發(fā) 膜 等 。3） 按 膜 斷 面 的 物 理 形 態(tài) 分 類 根 據(jù) 分 離 膜 斷 面 的 物 理 形 態(tài) 不 同 ， 可 將 其 分 為對 稱 膜 ， 不 對 稱 膜 、 復(fù) 合 膜 、 平 板 膜 、 管 式 膜 、 中空 纖 維 膜 等 。 4） 按 功 能 分 類 日 本 著 名 高 分 子 學(xué) 者 清 水 剛 夫 將 膜 按 功 能 分 為 ：l分 離 功 能 膜 氣 體 /液 體 分 離 膜 、 離 子 交 換 膜 、 化 學(xué) 功 能 膜l能 量 轉(zhuǎn) 化 功 能 膜 濃 差 能 量 轉(zhuǎn) 化 膜 、 光 能 轉(zhuǎn) 化 膜 、 機 械 能 轉(zhuǎn) 化 膜 、 電能 轉(zhuǎn) 化 膜 ， 導(dǎo) 電 膜l生 物 功 能 膜 探 感 膜 、 生 物 反 應(yīng) 器 、 醫(yī) 用 膜 2.5.2 幾 種 主 要 分 離 膜 的 分 離 過 程膜 過 程 推 動 力 傳 遞 機 理 透 過 物 截 留 物 膜 類 型微 濾 壓 力 差 顆 粒 大 小 形 狀 水 、 溶 劑 溶 解 物 懸 浮 物 顆 粒 纖 維 多 孔 膜超 濾 壓 力 差 分 子 大 小 形 狀 水 、 溶 劑 小 分 子 膠 體 和 超過 截 留 分子 量 分 子 非 對 稱 性 膜納 濾 壓 力 差 離 子 大 小 及 電 荷 水 、 一 價 離 子 、多 價 離 子 有 機 物 復(fù) 合 膜反 滲 透 壓 力 差 溶 劑 的 擴 散 傳 遞 水 、 溶 劑 溶 質(zhì) 、 鹽 非 對 稱 性 膜 復(fù)合 膜 膜 過 程 推 動 力 傳 遞 機 理 透 過 物 截 留 物 膜 類 型滲 析 濃 度 差 溶 質(zhì) 擴 散 傳 遞 低 分 子 量 物離 子 溶 劑 非 對 稱 性 膜電 滲 析 電 位 差 電 解 質(zhì) 離 子 的選 擇 傳 遞 電 解 質(zhì) 離 子 非 電 解 質(zhì) ，大 分 子 物 質(zhì) 離 子 交 換 膜氣 體 分 離 壓 力 差 氣 體 和 蒸 汽 的擴 散 滲 透 氣 體 或 蒸 汽 難 滲 透 性 氣體 或 蒸 汽 均 相 膜復(fù) 合 膜非 對 稱 膜滲 透 蒸 發(fā) 壓 力 差 選 擇 傳 遞 易 滲 溶 質(zhì) 或 溶 劑 難 滲 透 性 溶質(zhì) 或 溶 劑 均 相 膜復(fù) 合 膜非 對 稱 膜 液 膜 分 離 濃 度 差 反 應(yīng) 促 進 和擴 散 傳 遞 雜 質(zhì) 溶 劑 乳 狀 液 膜支 撐 液 膜 2.5.3 纖 維 素 酯 類 膜 材 料 纖 維 素 是 由 幾 千 個 椅 式 構(gòu) 型 的 葡 萄 糖 基 通 過 1,4 甙 鏈 連 接 起 來 的 天 然 線 性 高 分 子 化 合 物 ，其 結(jié) 構(gòu) 式 為 ： O H OHOHHOH H OHHCH2OH HHOH H OHHOCH 2OH O O H OHOHH OH H OHHCH2OHH HHOH H OHHOCH 2OH Hn_22 從 結(jié) 構(gòu) 上 看 ， 每 個 葡 萄 糖 單 元 上 有 三 個 羥 基 ， 在催 化 劑 （ 如 硫 酸 、 高 氯 酸 或 氧 化 鋅 ） 存 在 下 ， 能 與 冰醋 酸 、 醋 酸 酐 進 行 酯 化 反 應(yīng) ， 得 到 二 醋 酸 纖 維 素 或 三醋 酸 纖 維 素 。 C6H7O2 + (CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)2 + H2O C6H7O2 + 3(CH3CO)2O C6H7O2(OCOCH3)3 + 2 CH2COOH 2.5.4 膜 分 離 過 程 的 幾 項 優(yōu) 點1） 成 本 低 、 能 耗 少 、 效 率 高 、 無 污 染 并 可 回 收 有用 物 質(zhì) ；2） 常 溫 下 即 可 操 作 ， 所 濃 縮 和 富 集 物 質(zhì) 的 性 質(zhì) 不容 易 發(fā) 生 變 化 ， 因 此 在 膜 分 離 過 程 食 品 、 醫(yī) 藥 等行 業(yè) 使 用 具 有 獨 特 的 優(yōu) 點 ；3） 膜 分 離 裝 置 簡 單 、 操 作 容 易 ， 對 無 機 物 、 有 機物 及 生 物 制 品 均 可 適 用 ， 并 且 不 產(chǎn) 生 二 次 污 染 。 第 三 部 分 ： 功 能 高 分 子 的 一 點 展 望1） 功 能 高 分 子 材 料 是 一 門 涉 及 范 圍 廣 泛 ， 與 眾 多 學(xué) 科 相關(guān) 的 新 興 邊 緣 學(xué) 科 ， 涉 及 化 學(xué) 、 光 學(xué) 、 電 學(xué) 、 結(jié) 構(gòu) 化學(xué) 、 電 子 學(xué) 、 甚 至 醫(yī) 學(xué) 等 眾 多 學(xué) 科 ， 是 目 前 國 內(nèi) 外 異常 活 躍 的 一 個 研 究 領(lǐng) 域 ，2） 功 能 高 分 子 材 料 具 有 獨 特 的 “ 性 能 ” 和 “ 功 能 ” ， 可用 于 替 代 其 他 功 能 材 料 ， 并 提 高 或 改 進 其 性 能 ， 使 其成 為 具 有 全 新 性 質(zhì) 的 功 能 材 料 ，3） 在 今 后 很 長 的 歷 史 時 期 中 ， 功 能 高 分 子 材 料 研 究 將 代表 了 高 分 子 材 料 發(fā) 展 的 主 要 方 向 。 Thank you