智能高分子的应用现状

1智能高分子材料的应用现状与发展展望摘要：简单介绍了智能高分子材料，如智能高分子凝胶、形状记忆高分子材料、智能织物、智能高分子膜和智能高分子复合材料等的应用现状，并展望了其发展前景。关键词：高分子材料；智能材料；高分子凝胶；形状记忆高分子；智能高分子膜；智能高分子复合材料1.智能高分子的简单介绍与分类智能高分子材料又称智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚合物、环境敏感型聚合物，是一种能感觉周围环境变化，而且针对环境的变化能采取响应对策的高分子材料。外界环境刺激因素有：温度、压力、声波、离子、电场、溶剂和磁场等，对这些刺激因素产生有效响应的智能高分子自身性质，如相、形状、光学、力学、电场、表面积、反应速度和识别性能等随之变化。它是通过分子设计和有机合成的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能。如自修与自增功能,认识与鉴别功能，刺激与响应功能等。其研究涉及众多的基础理论研究，有很多的成果已在高科技、高附加值产业中得到了应，已成为高分子材料的重要发展方向之一。按材料的种类可分为金属类智能材料、非金属类智能材料、高分子类智能材料、智能复合材料；按材料的来源可分为天然智能高分子和合成智能高分子；按材料的应用领域可划分为建筑用智能材料、工业用智能材料、军用智能材料、医用智能材料、航天用智能材料；按材料的功能可划分为半导体、压电体、电致流变体。2.智能高分子的应用现状2.1智能高分子凝胶智能高分子凝胶是一种三维高分子网络和溶剂组成体系这类高分子凝胶材料可随环境的变化而产生可逆的、非连续的体积变化。高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料；循环提供的动力可用来设计“化学发动机”；网孔的可控性可以适用于药物释放体系。智能凝胶是由于其组成的聚合物主链或侧链上含有离子解离性、极性或疏水性基团，能够对外界环境溶剂组分、温度、pH值、电场、光、磁场等的变化能2产生可逆的、不连续(或连续)的体积变化，因此通过控制高分子凝胶网络的微观结构与形态，来影响其溶胀或伸缩性能，从而使凝胶对外界刺激做出响应，表现出智能的特性。智能水凝胶按照响应环境的不同可分为温度敏感水凝胶——随温度变化的凝胶、pH敏感水凝胶——随pH值变化的凝胶、盐敏凝胶——随盐浓度变化的凝胶、光敏感水凝胶——随光强度变化的凝胶；此外，还有压力敏感水凝胶、电场敏感水凝胶和复合敏感水凝胶等。由于智能凝胶在环境刺激下的独特响应性，在细胞培养基质、药物控释载体、组织工程、分子诊断等生物医学方面具有良好的应用前景，因此设计和合成具有刺激响应性的新型水凝胶将被不断开发用于生物医学和纳米技术领域。新型的智能水凝胶必需同时拥有符合要求的化学，力学和生物学功能。由合成聚合物与天然蛋白或多糖通过复合制作的生物杂化水凝胶以及有机/无机杂化水凝胶正是以其优良的力学和生物学功能而引起越来越多的关注。2.2形状记忆型高分子材料形状记忆聚合物(shapememorypolymers，SMP)作为一种新型而特殊的智能高分子材料，它能够感知外界环境变化的刺激(如温度光电磁溶剂等)并响应这种变化，对其状态参数(如形状位置应变等)进行调整，从而能回复到预先设定状态。形状记忆高分子材料是利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交联后具有记忆效应的原理而制造的一类新型智能高分子材料。形状记忆过程可简单表述为：初始形状的制品——二次形变——形变固定——形变回复。其性能的优劣，可用形状回复率、形变量等指标来评价。形状记忆功能主要来源于材料内部存在不完全相容的两相结构：固定相和可逆相固定相的作用是保持成型制品初始形状的记忆和回复，而可逆相则是随温度变化让其形状发生可逆的变化。由于形状记忆材料具有优异的性能，诸如形状记忆效应、高回复形变、良好的抗震性和适应性，以及易以线、颗粒或纤维的形式与其他材料结合形成复合材料等。因此，形状记忆材料的应用范围也越来越广，如在在医疗领域，形态记忆树脂可代替传统的石膏绷扎，具有生物降解性的形状记忆高分子材料可用作医用组合缝合器材、止血钳等。在航空领域，形状记忆高分子材料被用作机翼的振动3控制材料。在纺织中，服装在常温下形成的折皱可以通过升温来消除折痕，回复至原来的形状。甚至我们可以将响应温度设计在室温或人体温度范围内，从而可即刻消除形成的折皱。利用高分子材料的形状记忆智能可制备出热收缩管和热收缩膜等。虽然形状记忆型高分子有很多优点，但尚存在着许多不足之处，如形变回复小、耐热性差和回复精度不高等。因而，在形状记忆聚合物的分子设计和复合材料的研究等方面，还有待于进一步研究，在应用开发方面的工作还具有极大的潜力可挖。2.3智能织物将聚乙二醇与各种纤维（如棉、聚酯或聚酰胺聚氨酯）共混物结合，使其具有热适应性与可逆收缩性。所谓热适应性是赋予材料热记忆特性，温度升高时纤维吸热，温度降低时纤维放热，此热记忆特性源于结合在纤维上的相邻多元醇螺旋结构间的氢键相互作用。温度升高时，氢键解离，系统趋于无序状态，线团弛豫过程吸热。当环境温度降低时，氢键使系统变为有序状态，线团被压缩而放热。这种热适应织物可用于服装和保温系统，包括体温调节和烧伤治疗的生物医学制品及农作物防冻系统等领域。此类织物的另一功能是可逆收缩，即湿时收缩，干时恢复至原始尺寸，湿态收缩率达到可用于传感/执行系统、微型发动机及生物医用压力与压缩装置，如压力绷带，它在血液中收缩，在伤口上所产生的压力有止血作用，绷带干燥时压力消除。当前，分子纳米技术与计算机、检测器、微米或纳米化机器的结合，又使织物的智能化水平得到了进一步提高。自动清洁织物和自动修补的织物等更加引起人们的关注。2.4智能高分子膜与传统高分子膜相比，受生物膜启发的环境刺激响应型智能高分子膜具有环境响应的选择性和“开/关”特性。因此，环境刺激响应型智能膜在化学物质/药物的控制释放、物质分离、水处理、组织工程、化学传感器等领域有着潜在的应用价值。高分子薄膜在智能方面研究较多的是选择性渗透、选择性吸附和分离等。高4分子膜的智能化是通过膜的组成、结构和形态的变化来实现的。现在研究的智能高分子膜主要是起到“化学阀”的作用。对智能高分子膜的研究主要集中在敏感性凝胶膜、敏感性接枝膜及液晶膜方面。用高分子凝胶制成的膜能实现可逆变形，也能承受一定关的静压力。按照智能高分子膜的结构，智能高分子膜可以分为智能高分子凝胶膜和智能高分子开关膜两种。智能高分子凝胶膜是由智能高分子交联而成的均质凝胶膜，它在外界环境刺激的作用下会整体溶胀或收缩，从而改变其渗透特性和选择透过性。智能高分子开关膜则是将智能高分子与非刺激响应型基材膜结合而成，智能高分子作为智能开关调节膜孔大小，从而实现渗透特性和选择透过性的变化。智能高分子凝胶膜完全由交联的智能高分子凝胶组成，强度低，多见于智能微囊膜。而智能高分子开关膜能够结合基材膜的机械强度等方面的优异性能和智能高分子的环境刺激响应性能，研究最为广泛。智能膜的类型多种多样。目前，已有关于温度响应型智能膜、pH响应型智能膜、离子强度响应型智能膜、光响应型智能膜、电场响应型智能膜、磁场响应型智能膜、特定化学物质或离子响应型智能膜、多重刺激响应型智能膜的报道。其中，在众多的智能膜中温度响应型和pH响应型智能膜的研究最为广泛。2.5智能高分子复合材料智能高分子材料在工业、建筑、航空、医药领域的应用越来越广泛。复合材料大都用作传感器元件。新的智能复合材料具有自愈合、自应变等功能。在航空领域，美国一研究所正在研制用复合材料制成的贴在机冀上的“智能皮”，以取代起飞、转向、降落所必需的尾翼和各种襟翼。这些“智能皮”可以根据飞行员和飞机电脑的指令改变外形，起到与飞机尾翼和襟翼相同的作用。在建筑领域，利用复合材料的自诊断、自调节、自修复功能，可用于快速检测环境温度、湿度，取代温控线路和保护线路。用具有电致变色效应和光记忆效应的氧化物薄膜制备自动调光窗口材料，既可减轻空调负荷又可节约能源，在智能建筑物窗玻璃领域得到了广泛应用。用有热电效应和热记忆效应的高聚物薄膜进行智能多功能自动报警和智能红外摄像，取代了复杂的检测线路。用有光电效应的光导纤维制作光纤混凝土制件，当结构构件出现超过允许宽度裂缝时，光路被切断而自动报警，可取代复杂的检测线路。5其中，稀土因其电子结构的特殊性而具有光、电、磁等特性，这些特性是人们制备稀土/高分子特种复合材料技术和应用的强大驱动力。稀土/高分子复合材料在X射线屏蔽应用中可有效弥补铅的弱吸收区；具有高稀土含量的复合高分子屏蔽材料具有强的热中子吸收能力；含稀土的共聚物具有强顺磁性；稀土配合物有促进橡胶硫化和抗热氧老化的特性。3.发展展望目前，我国智能高分子材料的研究与开发存在着不足，与世界先进水平相比尚有相当大的差距，影响了我国信息、航天、航空、能源、建筑材料、航海、船舶、军事等诸多部门的发展，有时甚至成为制约某些部门发展的关键因素。国外智能高分子材料正处于研究开发阶段，各发达国家都对其相当重视。因此，21世纪智能高分子材料会被更加广泛的应用，从而引导材料学的发展方向。参考文献[1].李青山,张钦仓,谢磊.智能高分子材料的研究进展[J].合成橡胶工业,2003,26(5):265-267.[2].辛晓晶.智能高分子材料的应用现状及研究进展[J].甘肃石油和化工,2006,2:6-9.[3].刘莉,张微微.智能高分子与高分子凝胶[J].化学工程师,2003,95(3):26-28[4].肖春生,田华雨.智能性生物医用高分子研究进展[J].中国科学,2008,38(10):867-880[5].李兴建,王亚茹.形状记忆高分子材料的网络结构化设计和性能研究[J].化学进展,2013,25(10):1726-1738[6].胡金莲,杨卓鸿.形状记忆高分子材料的研究及应用[J].印染,2004,3:44-46[7].谢锐,刘壮.智能高分子开关膜的制备方法研究进展[J].中国工程科学,2014,16(12):94-100[8].刘力.稀土/高分子复合材料的研究进展[J].功能材料信息,2013,10(5):26-34