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        功能高分子材料的研究进展

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        本文来源 | 新材料研习社

         

        功能高分子材料是20世纪60年代发展起来的一种新材料,通过在天然或合成高分子主链和侧链上接枝反应性功能基团,使其具有新的诸如催化性、导电性、光敏性、导磁性、生物活性等特殊功能的一类新型高分子。

         
        功能高分子材料对物质、能量、信息具有传输、转换或贮存的作用,又被称为特种高分子材料或者精细高分子材料。功能高分子材料分为反应型功能高分子材料、光功能高分子材料、电磁功能高分子材料、生物医用功能高分子材料等几大类因其具有催化性、导电性、光敏性、导磁性、生物活性等特殊的功能而备受人们关注。
         
        目前对功能高分子材料的研究主要集中在其结构和性能之间的关系上,通过优化功能高分子材料合成方法,开发出新型功能高分子材料,不断扩展其应用领域。
         

        功能高分子材料分类

         
        功能高分子材料具有种类多样、产量少、专用性强等特点,此外,与其他功能材料相比,功能高分子材料还具有质量轻、结构配方可设计性强等特点,因此可以广泛满足各个应用领域的要求。本文介绍了几类不同的功能高分子材料的性能及其应用。
         
         功能高分子材料发展现状
         
        反应型功能高分子材料
         
        反应型功能高分子材料包括高分子试剂和高分子催化剂,通过将反应活性中心或催化性中心接枝到高分子链上,实现小分子试剂或催化剂的高分子化[40]。常见的高分子试剂根据化学活性可分为氧化试剂、还原试剂、烷基化试剂、酰基化试剂、卤代试剂和固相合成试剂等。高分子催化剂包括用于酸碱催化的离子交换树脂、过渡金属络合物催化剂、相转移催化剂和固定化酶等。反应型高分子材料要求具有高反应活性、高选择性和专一性,主要用于化学合成和化学反应。
         
        光功能高分子材料
         
        光功能高分子材料是指能够对光能进行吸收存储、传输、转换的一类高分子材料。光功能高分子材料主要包括光稳定剂、光敏涂料、荧光剂、光转化材料、光致变色材料和光导材料等。光功能高分子材料在生产生活中的应用非常广泛,比如光导纤维、太阳能、集成电路和光电池等。
         
        光致变色材料是一种应用很广泛的光功能高分子材料,光致变色材料在光学数据存储和光学交换方面具有潜在的应用价值。
         

        紫外线照射毛细管表面制备光敏重氮乙烯醇/苯乙烯共价涂层

         
        电功能高分子材料
         
        导电功能高分子材料按组成可分为结构型导电高分子和复合型导电高分子两类。结构型导电高分子依靠自身提供的导电载流子导电,这类高分子经掺杂后导电率能够大幅度提升,而复合型导电高分子需要通过添加炭黑、金属粉、箔等来实现导电。结构型导电高分子材料主要有聚乙炔、线型聚苯、氮硫高聚物、聚酮酞菁等,但单一的结构型导电高分子材料电导率不高,在实际应用中,需要掺杂电子受体或电子给体。
         
        复合型导电高分子材料包括导电塑料、导电橡胶、导电涂料和导电薄膜等,在复合型导电高分子中,高分子充当黏合剂的角色,本身不具有导电性。复合型导电高分子材料制备简单,实用性强,其主要应用于发光二极管、电致发光和电磁屏蔽器等领域中。
         
        生物医用功能高分子材料
         
        生物医用高分子材料是一种用于生理系统疾病的诊断和治疗,修复或替换生物体组织器官的高分子材料,包括医用高分子和药用高分子两大类。生物医用高分子材料被广泛应用于人工器官、药物释放、生物组织工程等领域。由于生物医用高分子材料直接应用于人体,因此要求其要无毒无害,其次要有良好的生物相容性,此外根据使用场合的不同对材料还有其他的特殊要求。
         
        功能高分子材料发展趋势
         
        环境降解高分子材料
         
        近年来,高分子材料的发展非常迅速,应用也日益广泛,但高分子材料在自然环境中很难分解,造成大量的白色污染,这就使发展可降解高分子材料成为必然趋势。
         
        降解高分子材料分为光降解高分子材料和生物降解高分子材料两类。高分子材料通过引入感光基团或添加光敏剂来制备光降解高分子材料,在光的作用下光降解高分子材料的聚合物链断裂,分子量降低。光降解高分子材料主要用于包装材料和农膜,但其应用条件苛刻、价格较贵,因此生物降解高分子材料在近几年更受关注。
         
        生物降解高分子材料是指通过生物酶作用或微生物化学作用能够发生降解的高分子。生物降解高分子材料包括淀粉、纤维素、甲壳素、透明质酸等天然高分子材料和乳酸、聚己内酯等合成高分子材料[90-92]。生物降解高分子材料具有质量轻、价格便宜以及易降解等特点而被广泛应用于生物工程和医用降解高分子材料等领域。
         
        形状记忆高分子材料
         
        形状记忆材料是在改变并固定其形状后,通过改变外界条件(温度、pH、电场力等)能够使其恢复初始形状的材料。形状记忆高分子材料根据引起形状记忆效应条件的不同分为热致感应型、电致感应型、光致感应型和化学感应型,其中热致感应型形状记忆高分子材料应用最为广泛。形状记忆高分子材料具有质量轻、形变量大、成型容易等优点,被用于医疗、包装、建筑等领域。
         

        SBS,PCL和CNF合成的形状记忆聚合物纳米复合材料

         
        智能高分子水凝胶
         
        高分子水凝胶是一种由亲水性高分子通过化学或物理交联而形成的具有三维网络结构的聚合物,能够吸收并保持大量的水。高分子水凝胶具有与天然组织相似的微环境,都有很高的含水量(最高达99%),在生物医药领域有广泛的应用,如伤口敷料、隐形眼镜、组织工程和药物递送领域[。当高分子水凝胶所处的环境(温度、pH、离子浓度、光、磁场、电场和化学物质等)发生变化时,高分子凝胶的结构或体积相变也会产生相应的改变,这种水凝胶被称为智能水凝胶。基于智能高分子水凝胶的刺激响应性,其被广泛应用于传感器、驱动器、药物载体和生物催化等领域。
         
        结语
         
        多功能高分子材料由于其功能的多样化,在生产生活中具有更加广泛的应用。因此,功能高分子材料近年来逐渐向着多功能化方向发展,电磁材料、导电材料、光热材料等相继出现。此外,随着科学技术的不断进步,研究人员对高分子结构与性能之间关系的研究也逐渐深入,制备出越来越多的具有特殊功能的新型功能高分子材料,比如生物高分子材料、隐身高分子材料等,进一步扩大了功能高分子材料的范围。
         
        基于对高分子材料应用方面的更高要求,为克服高分子材料强度低、易老化、使用寿命短等缺点,兼有传统功能(电功能、光功能等)和特殊功能(自修复、形状记忆功能等)的功能高分子材料将是未来材料的研究方向。相信随着对高分子材料结构的深入研究,兼有两种或以上功能的高分子材料将进一步被扩展,有望应用于航空航天、医疗、食品、工业等各个领域。

         

         



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