功能高分子材料发展现状及展望-杨北平

功能高分子材料发展现状及展望*杨北平，陈利强，朱明霞(黑河学院物理化学系，黑龙江黑河164300)摘要:介绍了几种新型的功能高分子材料的发展及应用领域等，包括:光功能高分子材料、电功能高分子材料、反应型功能高分子材料、吸附分离功能高分子材料、生物医用功能高分子材料、液晶高分子材料等。并展望了功能高分子材料未来发展方向的热点，最后论及新型功能高分子材料的战略地位。关键词:功能高分子;材料;发展ResearchandProspectonNewFunctionalPolymersMaterials*YANGBei－ping，CHENLi－qiang，ZHUMing－xia(DepartmentofPhysicsandChemistry，HeiheCollege，HeilongjiangHeihe164300，China)Abstract:Thedevelopmentandapplicationsofseveralnewfunctionalpolymermaterialswereintroduced，includingopticalfunctionalpolymer，electricalfunctionalpolymer，reactivefunctionalpolymer，adsorptionandseparationoffunc-tionspolymer，biomedicalfunctionalpolymer，liquidcrystalpolymer，etc．Thehotspotsindevelopmentoffunctionalpol-ymermaterialwereprospected．Finally，thestrategicpositionofnewfunctionalpolymermaterialswasaddressed．Keywords:functionalpolymer;material;development*基金项目:黑龙江省高等教育学会“十一五”规划课题(No:115C－821)。作者简介:杨北平(1960－)，女，副教授，主要从事高分子材料教学与研究。E－mail:[e-mail]功能高分子材料是20世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后涌现出的新材料。该类材料一般指在原有力学性能基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料［1］。由于其具有轻、强、耐腐蚀、原料丰富、种类繁多、制备简便、易于分子设计等特点，其研究和发展十分迅速。目前的研究主要集中以下方面:光功能材料、电功能材料、反应型功能材料、吸附分离功能材料、生物医用功能材料、液晶材料、功能膜材料、环境敏感材料、智能材料等。1功能高分子材料发展现状1．1光功能高分子材料光功能高分子材料是指能够对光吸收、储存、转化的一类高分子材料。其在材料领域中占有十分重要的地位，目前，这一类材料主要包括各种光稳定剂、感光材料、非线性光学材料、光学用塑料、光转换系统材料、光导材料和光致变色材料等［2］。光功能高分子材料今后的发展方向主要集中在以下三个方面:(1)现代社会是信息社会，光导纤维是目前主要的通信器材，并且发展迅速。因此，今后应重点开发低光损耗，长距离光传输的高分子光纤制品;(2)光导高分子在光照时能够导致其电阻率明显下降，可以利用其该特性来制备复印机、激光打印机中的关键部件，节约硒材料;(3)功能高分子材料在太阳能转换中的研究，其研究方向包括:光电转换、光热转化及光化学转化等方面。目前在大面积可控高分子太阳能电池已取得突破，其在未来将取代现在的硅太阳能电池。1．2电功能高分子材料导电功能高分子材料可分为结构型导电高分子和复合型导电高分子类。其主要应用在发光二极管、抗静电、导电性应用、电磁屏蔽与隐身等领域中［3］。聚乙炔、聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯基乙炔等是目前研究较多的导电高分子材料。采用该类材料制作电功能器件较无机材料制作具有分子结构可以设计(种类繁多)、可以加工成任意形状(可弯曲、大面积)等优势［4］。1．3反应型功能高分子生物酶催化生物体内多种化学反应，在常温、常压下该类高分子催化剂具有魔法般的催化性且活性极高，几乎不产生副产物。因此，人们试图将具有反应活性或催化活性的功能基通过适当方法引入高分子骨架上，开发高活性和选择性的高分子模拟酶催化剂。目前，活性功能基的引入有三种基本方法:①含功能基单体的聚合;②对聚合物载体进行功能化改性;③通过含功能基单体的聚合引入某种功能基，再通过化学改性将之转化为另一种功能基［5］。已有研究表明:高分子金属催化剂对加氢反应、氧化反应、硅氢加成反应、羰基化反应、异构化反应、聚合反应等都具有很好的催化性。高分子催化剂具有很高的催化活性和选择性、稳定性和安全性、易与反应物分离、可回收重复使用、后处理较简单等优越性。目前强酸型阳离子交换树脂催化剂、高分子负载·71·2011年39卷第6期广州化工Lewis酸催化剂、强碱型阴离子交换树脂催化剂、高分子相转移催化剂及高分子超强酸催化剂等是研究比较多的高分子催化剂。1．4吸附分离功能高分子吸附分离功能高分子材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用的高分子材料。其吸附性不仅受到结构和形态等内在因素的影响，还与使用环境关系密切:如温度因素和周围介质等。主要利用该类材料对液体或气体中的某些分子具有选择性的吸附，从而实现复杂物质体系的分离与各种成分的富集与纯化及检测。按照吸附机理可以分为:化学吸附和物理吸附高分子。化学吸附功能高分子包括离子交换树脂，其主要应用在:①清除离子;②离子交换;③酸，碱催化反应等方面;螯合树脂，其可通过选择性螯合作用而实现对各种金属离子的浓缩和富集，因此，其广泛地应用于分析检测，污染治理，环境保护和工业生产等领域［6］。物理吸附功能高分子根据其极性大小可分为非极性、中极性和强极性三类。该类功能高分子的吸附性主要靠范德华力、氢键、和偶极作用进行。主要应用于:水的脱盐精制、药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。1．5生物医用功能高分子生物医用功能高分子材料主要以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命材料。其被广泛地用来取代和/或恢复那些受创伤或退化的组织或器官的功能，从而提高病人的生活质量［7］。主要包括医用高分子材料(以修复、替代为主)、药用高分子材料(以药理疗效为主)。由于其与人体的组织和器官接触，因此，医用高分子材料必须满足如下的基本要求［8］:①在化学上是惰性的，不会因为与体液接触而发生反应;②对人体组织不会引起炎症或异物反应;③不会致癌;④具有良好的血液相容性，不会在材料表面凝血;⑤长期植入体内，不会减小机械强度;⑥能经受必要的清洁消毒措施而不产生变形;⑦易于加工成需要的复杂形状。医用功能高分子材料现已取得了许多卓越的成就。如:心血管植入物、整形和重建植入物、矫形外科假体、眼睛系统、牙齿植入物、体外循环装置、导管、药物释放控制器及普外科等都离不开其身影［9］。1．6液晶高分子材料某些液晶分子可连接成大分子，或者通过官能团的化学反应连接到高分子骨架上，并在熔融或溶解条件下仍保持液晶的特征，就形成高分子液晶。与小分子液晶相比，其具有下列特殊性:①热稳定性大幅度提高;②热致性高分子液晶有较大的相区间温度;③粘度大、流动行为与—般溶液显著不同［10］。目前，高分子液晶研究主要几种于以下几方面:①铁电性高分子液晶;②树枝状高分子液晶;③液晶LB膜;④分子间氢键作用液晶;⑤交联型高分子液晶［11］。人工合成的高分子液晶问世至今仅70年左右，因此是一类非常“年轻”的材料，应用尚处在不断开发之中。因此，高分子液晶的将来发展应侧重以下几方面:①制造具有高强度、高模量的纤维材料;②分子复合材料;③高分子液晶显示材料;④精密温度指示材料和痕量化学药品指示剂;⑤信息贮存介质。1．7其他特色的功能高分子材料所谓“功能”是指这类高分子除了具有以上介绍的特性外，另有其他功能，例如，在温和条件下薄膜的选择透气性、透液性和透离子性，其功能性还有环境敏感性、记忆性、仿生性、隐身性、磁性和生物活性等，这些特性都与其具有特殊结构的官能团密切相关。功能高分子的独特性使其在诸多领域得到了广泛应用，并具有巨大的发展潜力，引起了人们广泛注意。近些年来，人们开始开发适用于生物、制药、军事及智能等领域的新型功能高分子，其中隐身技术、智能凝胶和固定化酶是较为突出。2功能高分子材料发展趋势2．1先进复合高分子材料当今材料技术的发展趋势:一是从均质材料向复合材料发展;二是由结构材料往功能和多功能材料并重的方向发展。该发展趋势造就了先进复合材料的迅速发展。先进复合高分子材料是指以一种材料为基体(如树脂、陶瓷、金属等)，加入另一种称之为增强(或增韧)料的高聚物(如纤维等)，这种将多相物复合在一起，充分发挥各相性能优势的结构特征赋予了高分子复合材料广阔的应用空间［12］。今后高分子复合材料的发展和应用重点集中在航空航天、医疗卫生、家居生活、沿海油气田和汽车制造等领域。2．2生物降解及环境友好高分子材料随着人们对环境问题认识日益加深，生态可降解已不再陌生，与此同时世界各国对材料的生态可降解性的要求也提上日程。在这种背景下，生态可降解的高分子材料的开发和应用也越来越受到各国政府、科研机构和企业的重视。目前，具有生态可降解性的高分子材料主要是发达国家产品，国内处于对国外产品的复制及仿制阶段。因此，开发具有自主知识产权的生物降解及环境友好高分子材料对于国内的相应企业和科研机构是当务之急。研究表明高分子的生物降解过程主要是其在各种生物酶作用下的水解反应、有时是先水解再进一步氧化或先氧化再水解，即易水解的高分子往往具有生物降解性［13］。即今后可降解高分子材料研究几种在在生物相容性、理化性能、降解速率的控制及缓释性等方面。2．3隐身材料隐身技术是当今世界各国追求的尖端军事技术之一。以前吸波材料的主要成分是细微粉和超微粒子，实践证明吸收衰减层、激发变换层、反射层等多层细微粉或超微粉在内的微波吸收材料，已取得良好的吸波效果［14］。但是该类材料的制备工艺复杂，且存在一定的缺陷。因此，人们把目光转移到了隐身纳米高分子复合材料的研究，并已取得相应的进展。今后研究的方向应该使该类高分子频带更宽、功能更多、质量更轻、厚度更小。2．4智能高分子材料智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和自我结论，实现自我指令和自我执行的新型材料［15］。该类材料集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性。可以利用该类材料容易感知判断环境并实现环境响应的特性来制造传感器、制动器及仿生器等。因此，其将在医疗、环境监测、航空航天及制造业等方面得到广泛应用。3开发功能高分子材料的重要意义功能高分子材料其独特的功能和不可替代的特性已带来各个领域技术进步，甚至质的飞跃，且在各行业已产生相当高的经济和社会效益，并导致许多新产品的出现。因此，在各发达国家投入大量的人力财力对功能高分子材料进行研究开发，且进展迅速时，我国也应加大对功能高分子材料的研究开发支持力度，(下转第59页)·81·广州化工2011年39卷第6期角;扩链前的PLA1的接触角小于扩链后产物的接触角，而且随着扩链产物分子量的增加，接触角也逐渐增加。这是由于赖氨酸含有羧基功能基团，亲水性好，寡聚体分子链中引入了赖氨酸，其亲水性明显好于由1，4－丁二醇引发制备的PLA－B;由于扩链后产物分子量增加，虽然引入了亲水性的赖氨酸，但由于赖氨酸含量太低，赖氨酸分子链太短，所以扩链后产物分子量越大，聚乳酸的接触角越大，亲水性有所降低。图4聚乳酸的静态接触角Fig．4StaticcontactanglesofPLA3结论(1)以含有羧基功能团的赖氨酸引发丙交酯开环聚合，制备了双端羟基聚乳酸寡聚体HO－PLA－Lys－PLA－OH，在聚乳酸分子链中引入了亲水性的赖氨酸。(2)以HDI为扩链剂，对HO－PLA