各种高分子研究现状及发展趋势综述

各种高分子研究现状及发展趋势综述化学，这个神圣的名词，为人类创造了多少价值，给我们带来了多少利益。在物质文明高速发展的今天，化学，突出地表现出了它的地位。近些年来尤其是以高分子化学更为突出，在世界范围内,高分子材料的制品属于最年轻的材料．它不仅遍及各个工业领域,而且已进入所有的家庭,其产量已有超过金属材料的趋势,将是21世纪最活跃的材料支柱．生物材料也称为生物医学材料,是指以医疗为目的,用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料。主要包括生物医用高分子材料、生物医用陶瓷材料、生物医用金属材料和生物医用复合材料等。研究领域涉及材料学、化学、医学、生命科学，生物医用高分子材料是一门介于现代医学和高分子科学之间的新兴学科。它涉及到物理学、化学、生物化学、病理学、血液学等多种边缘学科。目前医用高分子材料的应用已遍及整个医学领域(如:人工器官、外科修复、理疗康复、诊断治疗等)。由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质,以满足不同的需求,耐生物老化,作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能,易加工成型,原料易得,便于消毒灭菌,因此受到人们普遍关注,已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种,近年来发展需求量增长十分迅速。医用高分子材料的研究目前仍然处于经验和半经验阶段,还没有能够建立在分子设计的基础上,以材料的结构与性能关系,材料的化学组成、表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据来研究开发新材料。目前全世界应用的有90多个品种,西方国家消耗的医用高分子材料每年以10%~20%的速度增长。随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求,我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。吸附分离操作在化工、轻工、炼油、冶金和环保等领域都有着广泛的应用。如气体中水分的脱除，溶剂的回收，水溶液或有机溶液的脱色、脱臭，有机烷烃的分离，芳烃的精制等。固体物质表面对气体或液体分子的吸着现象称为吸附。边界层脱离绕流物体壁面的现象称为分离。吸附和分离是紧密相连的，吸附分离是利用混合物中各组分与吸附剂间结合力强弱的差别，即各组分在固相（吸附剂）与流体间分配不同的性质使混合物中难吸附与易吸附组分分离。适宜的吸附剂对各组分的吸附可以有很高的选择性，故特别适用于用精馏等方法难以分离的混合物的分离，以及气体与液体中微量杂质的去除。此外，吸附操作条件比较容易实现。吸附分离功能高分子主要包括离子交换树脂和吸附树脂。从广义上讲，吸附分离功能高分子还应该包括高分子分离膜材料。离子交换树脂是指具有离子交换基团的高分子化合物。它具有一般聚合物所没有的新功能——离子交换功能，本质上属于反应性聚合物。吸附树脂是指具有特殊吸附功能的一类树脂。对于离子交换树脂，其应用遍及各个领域。（1）水处理：水处理包括水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等。水处理是离子交换树脂最基本的用途之一。（2）冶金工业：离子交换是冶金工业的重要单元操作之一。在铀、钍等超铀元素、稀土金属、重金属、轻金属、贵金属和过渡金属的分离、提纯和回收方面，离子交换树脂均起着十分重要的作用。（3）原子能工业：离子交换树脂在原子能工业上的应用包括核燃料的分离、提纯、精制、回收等。用离子交换树脂制备高纯水，是核动力用循环、冷却、补给水供应的唯一手段。离子交换树脂还是原子能工业废水去除放射性污染处理的主要方法。（4）海洋资源利用：利用离子交换树脂，可从许多海洋生物（例如海带）中提取碘、溴、镁等重要化工原料。在海洋航行和海岛上，用离子交换树脂以海水制取淡水是十分经济和方便的。（5）化学工业:离子交换树脂在化学实验、化工生产上已经和蒸馏、结晶、萃取和过滤一样，成为重要的单元操作，普遍用于多种无机、有机化合物的分离、提纯，浓缩和回收等。（6）食品工业：离子交换树脂在制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛的应用。（7）医药卫生：离子交换树脂在医药卫生事业中被大量应用。如在药物生产中用于药剂的脱盐、吸附分离、提纯、脱色、中和及中草药有效成分的提取等。（8）环境保护：离子交换树脂在废水，废气的浓缩、处理、分离、回收及分析检测上都有重要应用，已普遍用于电镀废水、造纸废水、矿冶废水、生活污水，影片洗印废水、工业废气等的治理……对吸附树脂来说：（1）有机物的分离：由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。（2）在医疗卫生中的应用：吸附树脂可作为血液的清洗剂。这方面的应用研究正在开展，已有抢救安眠药中毒病人的成功例子。（3）药物的分离提取：在红霉索、丝裂霉素、头孢菌素等抗菌素的提取中，已采用吸附树脂提取法。由于吸附树脂不受溶液pH值的影响，不必调整抗菌素发酵液的pH值，因此不会造成酸、碱对发酵液活性的破坏。（4）在制酒工业中的应用：酒中的高级脂肪酸脂易溶于乙醇而不溶于水，因此当制备低度白酒时，需向高度酒中加水稀释。感光性高分子作为功能高分子材料的一个重要分支，自从1954年由美国柯达公司的Minsk等人开发的聚乙烯醇肉桂酸酯成功应用于印刷制版以后，在理论研究和推广应用方面都取得了很大的进展，应用领域已从电子、印刷、精细化工等领域扩大到塑料、纤维、医疗、生化和农业等方面，发展之势方兴未艾。随着现代科学技术的发展，感光性高分子发展成了功能高分子中用途最广的一种。这与感光性高分子作为新材料在各种领域中得到广泛应用有关。特别是近年来信息科学和信息工业的发展有力地促进了光物理和光化学科学研究的进步，而信息科学所涉及的印刷图像术、复制技术和微细加工及光刻技术等不断对感光高分子及有关材料提出新的要求，有力地推动了感光性高分子的发展。最近不但在成像材料，如照相、复印、印刷、集成电路中获得重要应用，在塑料、纤维、医疗、生物化学、涂料和胶黏剂等方面也都取得了重要地位。感光性高分子的发展历史虽然不长，但近几十年却发展得非常迅速。目前不仅有光聚合型、光交联型，还有光分解型；其受照的范围也由仅对紫外光感光，发展到能感受能量较高的光—远紫外光、X射线、电子束、激光等。感光性高分子是指具有感光性质的高分子材料。当这类材料吸收了光能后可导致体系发生分子内或分子间产生化学、物理变化，使未曝光部分的物理或化学性质产生强烈的反差，从而引起图像的出现。膜分离技术的核心是膜，分离膜材料的化学性质和膜的结构对膜分离的性能起着决定性影响。合成高分子材料以其良好的成膜性、热稳定性、化学稳定性、耐酸、碱、微生物侵蚀和耐氧化性能，一直占据分离膜材料的主导地位。但目前这类高分子材料大多为已有商品高分子，并非按膜分离需要设计合成，这也是目前一些膜性能不理想的原因，因此根据现今对膜分离机理的认识，继续合成各种分子结构的功能高分子，制成均质膜，定量地研究分子结构与分离性能之间的关系；根据不同的分离对象，引入不同的活化基团，通过改变高分子的自由体积和链的柔软性，改进其分离性能或改变其物理、化学性质；发展高分子合金，使膜具有性能不同甚至截然相反的基团，在更大范闱内调节其性能，是高分子膜材料将要集中研究的几个方面。总之,高分子分离膜的用途越来越广泛。据报道,世界上已经有数千座大型海水脱盐厂采用高分子分离膜进行脱盐制淡水,中空纤维超滤膜和反渗透膜用于制备电子工业和超大规模集成电路用的超纯水,每毫升水只含3个以下细菌。中空纤维分离膜也可用于水处理和含铬等重金属的电镀水处理等。近年来杜邦公司研制出了PEEK中空纤维超滤膜和反渗透膜,PEEK的平均分子量为39200,该分离膜可分离分子量为36万左右的物质,分离率为80%。在人体医学领域,人工肾,人工肺,人工肝和人工脾都是用中空纤维分离膜制的。在生物化学领域,可以将聚乙烯醇超细纤维载体,生物酶和有机硅中空纤维富氧膜组合起来形成高活性的生物膜,它可将活性污泥固定其上,当进行—葡萄糖系人工排水处理时,与一般标准活性污泥法相比,处理速度可提高一倍,且无需进行活性污泥的分离,效率高,节能效果好。关于液晶高分子几年来的主要进展可概括为以下几个方面：（1）合成出一系列含有各种新型介晶基元的液晶高分子，如柱状(或碟状)液晶分子、复合型液晶高分子以及刚性链侧链型液晶高分子.(2)部分液晶高分子品种已实现了工业化生产.基础研究和应用基础研究取得了显著进展，如液晶高分子结构与性能关系；液晶高分子相变动力学和热力学；液晶高分子的固态结构和结晶行为；溶致液晶高分子相图；热致液晶高分子加工流变学及其共混改性理论等，都取得了显著进展.在此基础上开发了复合材料和原位复合材料.(3)新型功能液晶高分子的合成以及液晶高分子在外场作用下的液晶行为研究也取得发显著进展.液晶高分子虽然近年来有了迅速的发展，但总体上还只是处于发展的初期.预计今后将会更蓬勃的发展.其发展趋势主要有以下几方面：(1)努力降低液晶高分子产品成本.主要途径是扩大生产规模、寻找和选用更廉价的单体、改进合成工艺和采用共混方法等.(2)研究解决制品的各向异性如“焊缝”等问题.主要途径有:改进模具设计和成型条件、玻纤增强和填料填充以及共混技术.(3)大力发展分子复合材料和原位复合材料.(4)发展功能液晶高分子，这主要是侧链型液晶高分子，主要集中于聚硅氧烷类、聚丙烯酸酷类以及含有手性基团的液高分子，以及铁电液晶高分子.其应用领域主要是光记录和存储材料、显示材料、铁电和压电材料非线性光学材料以及具有分离功能的材料和光致变色材料.任何一种材料的开发都必须有完善的理论作基础，都必须以满足社会的发展需要为根本目的，同样，高分子液晶也不例外。因此有必要加强诸如:高分子液晶理论，液晶态结构，相变动力学与热力学，液晶共聚物的序列结构，高分子液晶的结构与功能关系，高分子液晶的分子设计等重要基础理论问题的研究；发展热熔型高分子液晶结构材料，特别是共聚酯类的液晶自增强塑料，可以按其热变形温度的高低开发不同档次的液晶聚合物，以满足高科技领域、国民经济各部门和家用电器等不同层次的需要；发展高比强、高比模和耐高温的热熔型液晶高分子纤维，包括芳纶纤维和共聚酯纤维；搞好配套项目的发展，应加强为开发高分子液晶材料所必须的单体等原料的开发和高分子液晶成型加工技术及设备的研究，包括工程技术和应用开发等。高分子材料在很长一段时期都被用作电绝缘材料.随着不同应用领域的需要以及为进一步拓宽高分子材料的应用范围，一些高分子材料被赋予某种程度的导电性以致成为导电高分子材料.第一个高导电性的高分子材料是经碘掺杂处理的聚乙炔，其后又相继开发了聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚苯胺等导电高分子材料〔1〕.由于这些导电高分子材料都具有共轭键结构，并且主要是由化学方法处理得到的，因此常称为本征型导电高分子材料.但是，这类材料的稳定性、重现性较差，电导率分布范围较窄，成本较高，而且加工困难，尚未进入批量生产的实用阶段〔2〕.本征型导电高分子材料在应用方面遇到的困难短期难以解决，促使人们转而研究和开发导电高分子复合材料.导电高分子复合材料的研究工作主要有：①复合材料导电机理的理论研究、特殊效应机理的理论研究；②用不同方法研制新材料的实验研究；③材料应用的实验研究.原则上绝大多数聚合物都可用作导电高分子复合材料的基体，而且适用的导电填充物质的种类也很多，因此，目前已经研制出许多满足各种特殊要求的导电高分子复合材料.按基体材料的性质可分为：导电涂料、导电粘合剂、导电弹性体和导电塑料；按导电性可分为：半导电材(ρ107Ω*cm)、防静电材料(ρ≈104～107Ω*cm)、导电材料(ρ104Ω*cm)和高导电材料(ρ≈10-3Ω*cm)；按特殊功能可分为：光导电材料、热敏导电材料、压敏导电材料和辐射诱导导电料按导电功能体种类可分为聚合物-炭系(炭黑、炭纤维、石墨)，聚合物-金属氧化物系(ZnO、PbO、TiO2、SnO、V2O3、VO2、Sb2O、In2O3等)和聚合物-金属系(铜、银、镍、铝)等.导电功能体还可以有不同的空间形态，如0维(微粒状)、1维(纤维状)和2维(片状)等.由于导电高分子复合材料领域中理论研究工作的逐渐深入和大量实验结果的积累，结合现有的高分