智能高分子与高分子凝胶

2015/12/14第一部分大纲1.材料与智能材料2.智能高分子材料及研究内容3.智能高分子材料的应用与发展4.凝胶定义与制备方法5.智能高分子凝胶及分类6.智能高分子凝胶应用材料功能材料：侧重于其特有的功能感知材料：在外界环境或内部状态发生变化时能对之做出适当的反应并产生相应动作的材料驱动材料：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、化学辐射等信号的强度及变化具有感知能力的材料结构材料：侧重于机械强度机敏材料：同时具有感知与驱动功能的材料1.1材料功能材料用来制造各种传感器用来制成各种执行器智能材料通常不是一种单一的材料，而是一个材料系统，是一个由多种材料组元通过有机紧密复合或严格科学组装而构成的材料系统。智能材料是机敏材料和控制系统相结合的产物；或者说是敏感材料、驱动材料和控制材料的有机合成。就本质而言，智能材料就是一种智能机构，它是由传感器、执行器和控制器三部分组成。1.2智能材料1.3智能材料的发展1989年，日本高木俊宜教授将信息科学融于材料构性和功能，首先提出智能材料（intelligentmaterials）概念，是指对环境具有感知、可响应，并具有功能发现能力的新材料。美国R.E.Neunham教授提出灵巧材料(smartmaterials)概念，也称为机敏材料。他将机敏材料分为3类：被动灵巧材料，主动灵巧材料，很灵巧材料（智能材料）。智能材料概念1.4智能材料的概念与设计智能材料设计指导思想①材料的多功能复合；②材料的仿生设计。智能材料是可以感知外部刺激（传感功能），通过自我判断和自我结论（处理功能），实现自我指令功能（执行功能）的材料。1.5智能材料的特征①传感功能：能感知自身所处的环境与条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。②反馈功能：可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。③信息识别与积累功能：能识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。④响应功能：根据外界环境和内部条件变化!适时动态地做出相应的反应，并采取必要行动。⑤自诊断能力：能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。⑥自修复能力：能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制、来修补某些局部损伤或破坏。⑦自适应能力：对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。1.5智能材料的特征1.6智能材料的工作原理温度电场压力磁场湿度声位置光辐射速度化学辐射加速度生物环境感知机械响应液体运动电流流动物理性能功率擦控制化学行为响应生理行为环境反馈系统智能材料的感知功能和执行功能1.7智能材料分类分类方法智能材料种类按材料的种类分类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分类天然智能材料合成智能材料按材料的应用领域分类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分类半导体、压电体、电致流变体按电子结构和化学键分类金属、陶瓷、聚合物、复合材料2.1智能高分子材料概念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。智能高分子材料是智能材料的一个重要组成部分。它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，如自修复与自增殖能力、认识与鉴别能力、刺激响应与环境应变能力等。2.2智能高分子材料研究内容(1)记忆功能高分子材料包括应力记忆、形状记忆、体积记忆和色泽记忆等高分子材料。主要应用于结构材料的不同半径的管道，容器的包装材料，纺织品材料和医用材料，研究最多的是形状记忆高分子材料。主要用于医用材料，包装材料织物材料，热收缩管等。(2)智能高分子凝胶包括光敏性、温敏性、电磁敏感性、压力敏感性和pH值敏感性等单一响应性高分子凝胶及温度、pH值敏感性；热、光敏感性；磁、热敏感性；pH值、离子刺激等双重或多重响应性高分子凝胶等。其潜在应用领域有细胞培养基质、环境工程、酶的活性控制、药物释放载体、组织工程、可视化光学传感材料、表面图案技术及吸附分离致癌物质等。(3)智能药物释放体系药物释放是在当药物所在环境发生变化时，体系能够做出相应的反应，以一定的形式释放药物的系统。主要用作智能药物释放体系；生物信息响应体系，如靶向药物释放体系及结合药物释放体系等；纳米药物释放体系等。(4)聚合物电流变流体聚合物电流变流体又称电场致流变体，是新型的智能材料。它由低介电常数的液体和高介电常数的悬浮颗粒等组成。利用其对电场的响应特性，可望用于优良的动力传输、振动控制、新一代机器人等领域。2.2智能高分子材料研究内容(5)智能高分子膜高分子膜的智能化是通过膜的组成，结构和形态来实现的，主要包括荷电型超滤膜、接枝型智能膜、互穿网络膜、聚电解质配合物膜、液晶膜、凝胶膜等。用作选择透过膜材、传感膜材、仿生膜材和人工肺等。(6)智能纺织品智能纺织品是传统的纺织服装技术与材料科学、结构机理、传感技术和先进的加工工艺、通讯技术、人工智能、生物技术的有机结合。主要产品有信息服装、数字服装、智能文胸、保健服装、灭蚊服装、情感服装、军用帐篷、还有自动清洁织物和自动修补织物等。2.2智能高分子材料研究内容(7)智能橡塑材料智能橡塑材料是指具有智能化的橡胶和塑料，主要用作热收缩管和自增强体系。智能化的橡胶制品有智能鞋、高吸水性树脂和智能防水材料、智能轮胎、智能安全气囊。智能化塑料制品报道最多的是智能塑料线。(8)生物材料的仿生化、智能化科技的发展使得生物医用材料得到了极大的发展，目前生物材料的仿生化、智能化成为其重要的发展方向。生命从本质上讲源于聚合物，而生物大分子的特征是它们通-断或至少高度非线性地响应环境刺激。生物大分子的非线性响应源于高度协同的相互作用。模拟生物大分子的协同相互作用，可赋予合成高分子材料智能性。2.2智能高分子材料研究内容2.3智能高分子材料的潜在用途3智能高分子材料的应用与发展日本松下公司制成的智能电冰箱装有各种传感器的微芯片，能识别、存储、记忆各种商品的电子标签和条形码提供的信息，如生产日期，保质期和数量等。美国科学家研制成功的一种智能手杖，能帮助盲人避开障碍物。手杖附有超音波感应器，可与使用者背的袋子内装的导航系统合作。袋子的肩带上会有一个喇叭，当路上出现障碍时它会警告使用者并告诉他该走哪里。而听障者则可戴上一个特别的手套，会对不同的手指发出振动，藉以提供方向指引。3智能高分子材料的应用与发展德国研制成功的智能手枪，手枪中内置了电子芯片，它需要跟一个手表搭配使用，而手表需要输入PIN密码才能启动。当带着密码的手表靠近手枪，枪柄上的灯变绿时，就可以开枪射击。如果枪支开堂，手柄的灯就一直为红。没有手表，手柄的上灯就不会变绿，手枪也就会“失效”。3智能高分子材料的应用与发展智能电话不用拨号，只需报出对方电话号码或姓名就能接通，以及能为使用不同语言的通话者担任“翻译”。3智能高分子材料的应用与发展日本推出Hitoe纳米纤维材质的智能服装。织物采用Toray开发的涂有传感材料的纳米纤维，通过黏在上面的贴片来检测穿着者的血压、心率，并且能无缝将数据传输到手机上。3智能高分子材料的应用与发展美国研制的新型智能防护衣，它在被划破之后，会自动发出报警信号，可以更好地保障在放射性、有毒环境中工作人员的安全。3智能高分子材料的应用与发展智能战衣编织进了光纤网络和导电聚合物网络，并有监察士兵身体状况的微型测量系统，在肚脐位置有拾音器，腰部有微型无线电收发芯片。当士兵受伤时，伤处的光纤和导电纤维被切断，显示出受伤部位，拾音器则分析受打击声音信号，判断是刀伤还是枪伤。这些信息传到救护中心后，医护人员向智能内衣发出询问信号，内衣利用光纤网络测量流出血液的光谱，探知血中含氧量，诊断是否心脏或动脉出血，通过压力传感器，还可判明伤员是否出血，这样，当救护人员接到伤员时，无需再详细检查，便可直接有目的地展开抢救。3智能高分子材料的应用与发展美国科学家将对眼睛友好的透明材料同微电子结合在一起，研制出了一种新式智能隐形眼镜，该眼镜可监测罹患糖尿病的佩戴者血糖浓度。3智能高分子材料的应用与发展新加坡研究人员发明一款智能玻璃窗，它是将一种透明导电薄膜夹在两层玻璃之间，通电后导电薄膜发挥作用。阳光强时呈蓝色，20%光线通过，95%的热辐射被反射回去；光线弱时，100%光线通过。用这种玻璃制作的窗户在白天可以转变成蓝色，减少透光程度，在晚上则可以恢复透明状态。3智能高分子材料的应用与发展智能材料将使飞机形状大为改观，未来飞机将会有“自动适应”的翼面。这种智能外壳将使机翼能在飞行中自动改变形状。这种“自动适应”的智能翼面将改变传统机翼一成不变、缺乏灵活的结构，使未来的飞机向能够进行各种机动灵活动作的理想目标迈进。这种靠智能材料全副武装的飞机将更像鸟类，能灵活自如地在蓝天上自动飞翔。3智能高分子材料的应用与发展4.1凝胶从高分子化学的角度：体型缩聚反应进行到一定程度，反应体系的粘度突然增加，并且出现具有弹性的凝胶，这种现象称作凝胶化，此时，体系中包含两部分，一部分是凝胶，是巨型网络结构，不溶于一切溶剂；另一部分是溶胶，其分子量较小，被笼罩在凝胶的网络结构中。从物理化学的角度：凝胶是一种特殊的分散体系，其中胶体颗粒或高聚物分子互相联结，形成网状结构，在网状结构的空隙中充满了液体（在干凝胶中的分散介质也可以是气体）。凝胶是由三维网络结构的高分子和充塞在高分子链段间隙中的介质构成，介质可以是气体，但一般情况下为液体，因此可以将凝胶看作是高分子三维网络包含了液体（溶剂）的膨润体。海参有一个特性：如果有谁用手去碰一下它柔软的身体，它就会一下变得象木头一样坚硬，但如果将它在手中紧捏一会，它就会慢慢地溶变成滑溜溜的液体从你手中逃走。4.2凝胶的性质（1）触变性：物理凝胶受外力作用，网状结构被破坏而变成流体，外部作用停止后，又恢复成半固体凝胶结构，这种凝胶与溶胶相互转化的过程，称为触变性。（2）溶胀性：指凝胶吸收流体后自身体积明显增大的现象，是弹性凝胶的重要特性。（3）脱水收缩性：溶胀的凝胶在低蒸气压下保存，流体缓慢地自动从凝胶中分离出来的现象。（4）透过性：凝胶与流体性质相似，可以作为扩散介质。4.3凝胶的分类根据交联方式的不同凝胶可以分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶通过氢键、库仑力、配位键以及物理缠结形成网络结构。化学凝胶通过共价键形成交联。根据来源可分为天然凝胶和合成凝胶两大类。天然凝胶由生物体制备，例如琼脂、魔芋、肌肉、蛋白质；合成凝胶是通过人工合成的交联的高分子，例如隐形眼镜、高吸水性树脂、芳香剂等。根据凝胶尺寸可分为微凝胶和宏观凝胶。依据介质是液体还是气体可分为凝胶和干凝胶（气凝胶），液体又分为水和有机溶剂两类。以水为介质的凝胶称作水凝胶，以有机溶剂为介质的凝胶称作有机凝胶。4.4凝胶的制备方法AdvancedDrugDeliveryReviews64(2012)18–234.4.1化学凝胶的制备方法-聚合同时交联法聚合法项目热聚合催化聚合光聚合辐照聚合等离子体引发聚合电解聚合单体交联剂各种乙烯基化合物各种乙烯基化合物聚合物对光不稳定时不能用聚合物对辐射不稳定时不能用只限于几种特异的乙烯基化合物各种乙烯基化合物添加剂可加引发剂氧化还原引发剂可加光敏剂不需要不需要电解盐聚合温度常温～100℃-10℃～常温低温低温常温常温调节反应的方法选择引发剂改变温度选择引发剂改变温度选择光敏剂，改变光强度改变辐射计量改变照射时间和温度改变电解或电流量装置及操作简单简单特殊的光源，操作复杂特殊的辐射源，操作复杂放电电源，处理时间短电解电源操作简单凝胶的性质不均匀～均匀均匀均匀均匀均匀、高吸水性，吸附金属性不均匀，膜状4.4.2化学凝胶的制备方法-先聚合后交联法高分子链化学结构和相应交联剂直链高分子可进行反应的官能