高分子材料论文

功能高分子材料小议

在夏季学期旁听了苏育峰老师关于“功能高分子材料及器件”的课程之后，就功能高分子材料的性质及其应用有了较为深入的了解。现就自己的理解谈谈功能高分子材料。

功能高分子材料是指对物质、能量和信息等具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料，通常也可称为功能高分子，也有人称其为精细高分子或特种高分子（包括高性能高分子）。功能高分子材料主要可以分为两类：一类是对来自外界或内部的各种信息，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学辐射等信号的变化具有感知能力的材料，称为“敏感材料”；另一类是在外界环境发生变化时能做出适当的反应并产生相应的动作的材料，称为“机敏材料”，如变色镜片、变色玻璃等，是一种自行调节透光性能、自动屏蔽强光的机械材料。

功能高分子是高分子学科中发展最快、研究最活跃的新领域。其研究的主要目标和内容包括新材料的制备方法、物理化学性能表征、结构与性能之间的关系、应用开发研究等几个方面。其中结构与性能之间的关系研究建立起了聚合物结构与性能或功能之间的关系理论。以此作为理论依据可以指导开发性能更好、功能更强的，或具有全新功能的高分子材料。与其他材料一样，功能高分子材料的性能和功能与其化学组成、分子结构和聚集状态存在密切关系，也就是平常所说的具有“构效关系”。例如，导电高分子的导电能力依赖大分子中的线性共轭结构；高分子化学试剂的反应能力不仅仅与分子中的反应性官能团有关，而且与器连接的高分子骨架相关；感光高分子材料的光吸收和能量的转移性质也都与官能团的结构和聚合物骨架存在对应的关系；而高分子功能膜的性能不仅仅取决于材料的微观组成和结构，而且与其超分子组装结构密切相关。

下面就不同类型的高分子材料做简单的分析。

1.具有选择分离功能的高分子材料

1

这类高分子是人类最早研究的，也是发展最快的高分子材料。其中，离子交换树脂是最早的品种，与20世纪30年代开始发展，60年代出现了离子交换膜，70年代分离功能膜就问世了。而80年代则发展了高分子吸附和生物分离介质，以此为基础的具有分离功能高分子材料，极大地满足了治理环境和高科技发展的迫切需要。

离子交换树脂属于离子型高分子材料，这是一类最早投入应用的功能高分子材料。根据键合到高分子骨架上的离子基团的性质不同，离子交换树脂可分为阳离子交换树脂和阴极交换树脂两大类。阳离子交换树脂的交换基团如磺酸基、羟酸基等酸性基团，具有交换金属阳离子的能力；阴离子交换树脂的交换基团如季铵盐基，具有交换溶液中的酸根等阴离子的作用。离子交换树脂在分析化学、有机合成、环境保护中有广泛的应用，对废水净化、海水淡化、海水提铀、回收贵金属等都有重要贡献，是目前功能高分子材料中应用最广泛的工业化产品之一。

高分子分离膜，是由聚合物或高分子复合材料制得的具有分离流体混合物功能的薄膜。分离过程就是用分离膜作间隔层，在压力差、浓度差或电位差的推动力下，利用流体混合物中各组分透过膜的速率不同，使之在膜的两侧分别富集，以达到分离、精制、浓缩及回收利用的目的。

高分子分离膜可按结构分为:①致密膜，膜中无微孔，物质仅从高分子链段之间的自由空间通过；②多孔质膜，一般膜中含有孔径为0.02～20μm的微孔，可用于截留胶体粒子、细菌、高分子量物质粒子等；③不对称膜，由同一种高分子材料制成，膜的表面层与膜的内部结构不相同，表面层为0.1～0.25μm薄的活性层，内部为较厚的多孔层;④含浸型膜，在高分子多孔质膜上含浸有载体而形成的促进输送膜和含有官能基团的膜，如离子交换膜；⑤增强膜，以纤维织物或其他方式增强的膜。

按膜的分离特性和应用角度可分为反渗透膜（或称逆渗透膜）、超过滤膜、微孔过滤膜、气体分离膜、离子交换膜、有机液体透过蒸发膜、动力形成膜、镶嵌带电膜、液体膜、透析膜、生物

2

医学用膜等多种类别。这里不再展开。

最初用作分离膜的高分子材料是纤维素酯类材料。后来，又逐渐采用了具有各种不同特性的聚砜、聚苯醚、芳香族聚酰胺(见芳香族聚酰胺纤维)、聚四氟乙烯（见氟树脂）、聚丙烯、聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚苯并咪唑、聚酰亚胺等。高分子共混物和嵌段、接枝共聚物（见聚合物）也越来越多地被用于制分离膜，使其具有单一均聚物不具备的特性。制备高分子分离膜的方法有流延法、不良溶剂凝胶法、微粉烧结法、直接聚合法、表面涂覆法、控制拉伸法、辐射化学侵蚀法和中空纤维纺丝法等。

对近沸点混合物、共沸混合物、异构体混合物等难以分离的混合物体系，以及某些热敏性物质，采用分离膜能够实现有效的分离。采用反渗透法进行海水淡化所需能量仅为冷冻法的1/2，蒸发法的1/17，操作简单，成本低廉。因此，反渗透法有逐渐取代多级闪蒸法的趋势（见表）。膜分离用于浓缩天然果汁、乳制品加工、酿酒等食品工业中，因无需加热，可保持食品原有的风味。采用高分子富氧膜能简便地获得富氧空气，以用于医疗，此外，它还可用于制备电子工业用超纯水和无菌医药用超纯水。用分离膜装配的人工肾、人工肺，能净化血液，治疗肾功能不全患者以及作手术用人工心肺机中的氧合器等。80年代以来，高分子分离膜正在向高效率、高选择性、功能复合化及形式多样化的方向发展。不对称膜和复合膜的制备以及聚合物材料的超薄膜化等的研究十分活跃。总而言之，膜分离技术在新能源、生物工程、化工新技术等方面已显示出它的潜力，随着科技的发展会展现其更多的价值。

2、光敏功能高分子

光敏功能高分子又称感光高分子，是指在光照作用下能发生交联、分解或官能团变化等光化学反应，从而引起材料的物理性质和化学性质变化的高分子材料。

3

按高分子合成目的可以做以下分类： ①在侧链或主链上含有光敏官能团的高分子；②由二元或多元光敏官能团构成的交联剂；③在高效光引发剂存在下单体或预聚体发生聚合和交联而生成的高分子。

按应用技术不同可分为： ①成像体系,主要用于光加工工艺、非银盐照相、复制、信息记录和显示等方面；②非图像体系，大量用于光固化涂层、印刷油墨、粘合剂和医用材料等方面。

下面介绍几种常用的光敏功能高分子：

光致抗蚀剂 用于光加工工艺的光敏高分子，通称光致抗蚀剂（又称光刻胶），大量应用于印刷制版和电子工业的光刻技术中。它的工作原理是受光部分发生交联，生成难溶性的硬化膜，经加工成负像（负性胶）；或者是原来的不溶性胶受光照后变为可溶性的，经加工得正像（正性胶）。

常用的光致抗蚀剂有：①聚肉桂酸酯型，例如聚乙烯醇肉桂酸酯，由聚乙烯醇和肉桂酰氯在吡啶溶剂中合成，配制的光刻胶称KPR。在紫外线作用下,肉桂酸酯的双键发生光化学二聚反应，形成交联，转变为不溶性物质。KPR是最早用于光刻的一种光致抗蚀剂,通常加入5－硝基苊等作为光敏剂。②丙烯酰基型,其线型聚合物不能得到优良的图像，所以实用体系都由预聚体和单体组成，同时进行聚合和交联。通常交联单体和预聚体是一元或多元的丙烯酸酯、丙烯酰胺和丙烯酸氨基甲酸酯类。丙烯酰基型应用甚广，例如，由这类单体交联剂制成的聚酯和尼龙感光树脂版，已在很多场合用来替代了铜、锌凸版。③叠氮型，利用叠氮化物光解，生成活泼的一价氮化物,很容易偶合或与碳-氢键、双键反应。用于光敏树脂的叠氮化物均为稳定的芳族化合物。双叠氮化合物是一种光交联剂，能引起许多高聚物交联。其代表产品有叠氮-环化橡胶等。④重氮盐类和邻偶氮醌型光敏高分子，也是常见的光致抗蚀剂。

光固化涂层和油墨 光敏高分子的另一重要类型。由于它具有不用溶剂，不产生污染，以及

4

固化速率快等优点，近年来发展很快。它们的主要组成：①树脂或预聚体；②交联单体；③光引发剂；④颜料或染料。目前以丙烯酸酯型和不饱和聚酯型为主；尤以前者重要。此外，硫醇－烯类光聚合和阳离子开环光聚合体系也是近年来引人注意的体系。

3.导电高分子和电活性高分子

高分子材料通常为绝缘体，这一性质已经在许多领域里得到应用。然而，近几十年来，已经发现不少高分子材料具有半导电性、导电性甚至超导电性，如聚乙炔、聚乙烯基咔唑等。从理论上来说，高分子材料可在室温时具有超导电性。如果合成出这种材料，则对人类的贡献是不可估量的。此外，对压电性高分子、光电性高分子、热电性高分子等导电高分子材料的研究和应用都已有很大的发展。例如，导电橡胶既具有普通橡胶的弹性，还具有理想的导电性。将其应用到各种电子仪器的按键上，可以消除机械噪音，增加接触的可靠性。导电纤维是纤维柔性和导电性结合，可以生产抗静电织物。导电高分子材料作为电池的电极材料，可以增加电池的能量密度，并减轻电池的质量。将离子导电聚合物和电子导电聚合物相结合，可以构成没有金属部件、没有液体电解质的全固态聚合物电池等。

导电高分子材料根据其结构组成可以分成由普通导电材料和导电材料粉末；根据导电方式，还可以分为三种类型：电子导电型聚合物、离子导电型聚合物以及氧化还原型导电聚合物。电子导电型聚合物分子结构的特征是具有能使价电子相对移动的线性π电子共轭结构。离子导电型聚合物的结构需要能保证体积相对较大的离子能在其内部相对迁移，并借助于溶化剂作用使正负离子分离。氧化还原型导电聚合物在其分子结构内部需要有可以进行可逆氧化还原反应的官能团，其导电机理是通过氧化还原反应中的电子依次传递完成的。这类导电高分子通常称为电活性高分子材料，在用途上有别上其他两种导电聚合物，它是利用聚合物中某些基团在氧化还原反应中得到或失去电子，造成电子转移产生电流。

5

电活性高分子材料是指那些在电场参量作用下能够显示特殊物理化学性质的高分子材料。如上所述，很多氧化还原导电型聚合物其结构特点是高分子骨架接有或骨架本身具有特殊的氧化还原基团，这种基团通常具有可逆的氧化还原特性和特定的氧化还原电位。在施加电场时发生氧化还原反应，从而显示出特定的物理化学特性。如导电性能突然变化等。利用这些功能可以制备出各种敏感元件、光电显示器件、有机分子半导体器件等。有些电活性高分子材料还具有特殊的化学性能，使用这种功能高分子材料进行电极修饰，得到的修饰电极在电化学合成、电化学分析等领域有着广泛的应用，是很有发展的功能高分子材料。

4.高吸液性高分子

高吸液性高分子包括高吸水性树脂和高吸油性树脂两类。

高吸水性树脂是于20世纪60年代末首先由美国凝噎部开发的功能高分子材料。高吸水性树脂是利用树脂结构的亲水性和交联结构的不溶性，以及结构中所含同种离子的相斥性，使树脂很容易吸收水分形成凝胶。他们的特点是具有非常高的吸水性。通常吸水量可以达自重的200~2000倍，据报道，目前已发现吸水量可达自重的5000倍水平的树脂，而且在一般受压条件下，所吸的水不会被挤出来。烘干后，可再吸水，可以实现反复使用，经济效益非常高。

高吸油性树脂是针对近年来油污染对环境及人类生活构成的极大威胁而开发的环保材料。高吸油性树脂是一类有亲油性单体聚合交联而成的聚合物。1966年，美国的陶氏化学公司着手研究了高吸油性树脂，并申请了以烷基苯乙稀为单体、以二乙烯基苯或二丙烯酸乙醇酯为交联剂制备的高吸油性树脂的专利，随后，日本的一些化工企业相继开发了具有商业前景的高吸油性树脂。

高分子吸液材料的用途很广，在日常生活中广泛用于妇女和婴儿卫生用品，医疗保健用品，吸湿鞋垫，吸香水的餐巾等。在农业生产中用作保水剂，在干旱地区的农业生产中用于土壤报税，

6

育苗床基材，苗木护理等。在工业生产中课用作保湿剂、脱水机、制作高性能电瓶、膨胀橡胶等。在环境治理中可用于大气和水中有机污染物收集分析装置中的富集材料和水的净化材料。在科学研究领域中广泛作为相色谱、液相色谱、凝胶渗透色谱的固定相。

5.其他功能高分子材料

功能高分子材料所涵盖的范围很广，还有很多材料属于这一范畴的功能高分子材料，其中包括高分子压电体和高分子热点体、阻燃性高分子材料、具有减阻功能的高分子、高分子活性表面性剂、高分子除草剂、高分子燃料、高分子食品添加剂等。鉴于我所学知识有限，不再一一展开。

随着能源、信息、电子和生命科学材料等领域的迅速发展，人类对高分子材料的需求越来越旺盛，功能高分子材料在经济建设和日常生活中将发挥越来越重要的作用。当然，功能高分子材料的发展是建立在人类的需要和材料科学的发展的基础上的。随着人们对高分子材料的不断深入认识，功能高分子材料将引发一个新的研究热潮。功能高分子材料将为人类生活注入新的活力，这些材料所具有的奇妙的功能与人类的奇思妙想相结合，必将人类社会带入一个更加文明灿烂的新时代。

7