智能高分子材料

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1、化学前沿课（论文）题 目 智能高分子材料 学 院 化学工程学院 专 业 应用化学 班级 072班 姓 名 单 自 龙 学号075131242 指导教师 帕丽达 2010年5月4日智能高分子材料摘要：介绍了智能材料、智能高分子材料原理。并从合成及加工制备技术、新产品开发及其应用诸方面讲述了智能高分子材料，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、智能高分子复合材料等开发的新成果，并展望了其发展前景。关键词：智能材料 智能高分子 智能 高分子材料前言：从人类发展的历史来看，每一种重要材料的发现和利用都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新水平，给社会生产力和人类生活带来巨大变

2、化。智能高分子材料的开发和应用是充满活力的新领域，是高分子材料科学的希望，其目标是创造理想的材料和人工合成“模拟生物”，实现第三次材料革命1。正文：一、智能高分子材料 “智能材料”这一概念是由日本的高木俊宜教授于1989年提出来的。所谓智能材料,就是具有自我感知能力,集累积传感、驱动和控制功能于一体的材料,也是具有感知功能即识别功能、信息处理功能以及执行功能的材料,具备感知、反馈、响应三大基本要素。它不但可以判断环境,而且可以顺应环境,通过感知周围环境的变化,适时做出相应措施,达到自适应的目的。智能材料可用图1作出描述。迄今为止,人们已开发出许多种智能高分子材料2。判断行动分析识别由于高分子材

3、料与具有传感、处理和执行功能的生物体有着极其相似的化学结构,较适合制造智能材料并组成系统,向生物体功能逼近,因此其研究和开发尤其受到关注10。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。二、智能高分子材料的应用1.智能高分子凝胶刺激响应性高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的凝胶。当受到环境刺激时这种凝胶就会随之响应,发生突变,呈现相转变行为。这种响应体现了凝胶的智能性。根据所受的刺激信号不同,可以将高分子凝胶分为不同类型的刺激响应性凝胶。智能高分子凝胶主要有p

4、H性凝胶,化学物质影响性凝胶,温敏性凝胶,光敏性凝胶,磁场响应性凝胶,影响内部刺激性凝胶。高分子凝胶是指三维高分子网络与溶剂组成的体系。其网络的交联结构使它不溶解而保持一定的形状;因凝胶结构中含有亲溶剂性基团，使它可被溶剂溶胀而达一平衡体积。这类高分子凝胶可随环境条件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”;网孔的可控性适于智能药物释放体系。高分子凝胶的刺激响应性包括物理刺激(如热、光、电场、磁场、力场、电子射线和X一射线)响应性和化学刺激(如pH值、各种化学物质和生物物质)响应性川。随着智能

5、高分子材料的深人研究，发展具有多重响应功能的“杂交型”智能高分子材料已成为这一领域的重要发展方向。例如，刘锋等合成的含不同梭基量的两个系列的pH值敏感及温度敏感水凝胶聚(N一异丙基丙烯酞胺一CO一丙烯酸(NA)及含聚二甲基硅氧烷的聚(N一异丙基丙烯酞胺一CO-丙烯酸(NSA)，可使吸附在水凝胶中的木瓜酶随生物体内环境变化自行完成药物的控制释放。据报道，紫外辐射法合成的甲基丙酞胺一N，N二甲氨基乙醋水凝胶具有较好的透明性和适当的弹性，在40和pH=3时亦有明显的温度和pH值敏感性;将叶绿酸(Chlorophyllin)共聚到PNI以M中，可得到具有光敏和温敏双重功能的水凝胶3，5 。.2.智能织

6、物美国学者将聚乙二醇与各种纤维(如棉、聚醋或聚酞胺/聚氨醋)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，线团松弛过程吸热。当环境温度降低时，氢键使系统变为有序，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。其中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，湿态收缩率可达35%。可用于传感/执行系统、微型马达及生物医用压力与压缩装置。如压力绷

7、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、微米或纳米机器的结合，又使织物的智能化水平提高一大步。自动清洁织物，自动修补织物等越发引起人们的注意3.形状记忆高分子材料高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定。在其内部存在着互相结合成网状的架桥，架桥的存在使高分子链间不发生滑动，其形状记忆程序如下图1。9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演化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:初始形状的制品一2次形变一形变固定一形变回复。把它加热到高于Tg使之变形后，再

8、冷却至室温，由于高分子链运动变形使之保持一定状态。再重断加热到介以上，残留的翘梭被解放出来，恢复到原来架桥出现时的形态。性能的优劣，可用形状回复率，形变量等指标来评价。医疗上，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作医用组合缝合器材、止血钳等。航空上，被用来作机翼的振动控制。利用高分子材料的形状记忆智能可制备出热收缩空管和热收缩膜等。近几年来，我国已先后开发出石油化工、通信光缆等领域所用热缩制品及天然气、市政工程供水及其它管道接头焊口和弯头密封与防腐的辐射交联聚乙烯热缩片。聚全氟乙丙烯(FEP)热收缩管是一种新型的热收缩材料，具有较强的机械强度，能长期在一260

9、一205范围内使用，并保持原有FEP树脂优异的电气性、耐化学腐蚀性，为形状记忆高分子材料增添了新成员。以对苯二甲酸二甲醋、间苯二甲酸、乙二醇为原料，采用间歇式聚合法可合成热收缩膜用共聚醋切片，采用双向拉幅机制制得的新型包装膜热收缩性双轴拉伸共聚酷膜，可用作精密电子元件及电缆包覆材料。目前，形状记忆聚氨酷、聚降冰片烯、苯乙烯的研究开发有着诱人的发展前景4。4.智能高分子薄膜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

10、膜及液晶膜几方面。用高分子凝胶做成的膜能实现可逆变形，也能承受一定的静压力。目前报道的主要有PMAA/PEG、PVA/PAA等。高分子接枝膜可通过两种方法实现:一是表面接枝，二是膜孔内接枝。两种膜的作用机理基本相同。膜的孔径变化是建立在溶质分子与接枝在膜上的高分子链相互作用基础之上的。接枝链构型的变化改变了孔径的大小，接枝链像阀一样调节着膜的渗透性。目前这方面的报道有将聚丙烯酞胺接枝到聚偏氟乙烯上，PEG接枝到PMAA上等。液晶聚合的(LCP)能显示液晶特性。研究表明，热致支链液晶聚合物(scLcPs)p一乙酞氨基苯酮(p一AAP)在交流电及。条件下具备化学阀特性。目前，具有化学阀功能的高分子

11、膜应用范围还比较窄，尚有赖于新材料领域研究的进展6。5.电流变流体材料。电流变流体材料是由具有较高介电常数的分散颗粒与具有较低介电常数的绝缘液体油形成的一类悬浮液。它的电流变性能由加到流体系统的外部电压来控制。电流变流体材料主要用于制作各种力学零件，只需改变电压就可实现机械传动与控制，如无级变速器，控制阀门、刹车器、离合器；制作振动隔离系统，如发动机座、冲击阻尼器、避振减振装置。用于研究胶体系统的传热和传质现象，开发双管热交换器和再生热交换器7。6.智能药物释放体系。传统的低分子药物是以口服或注射等方式全身给药的，刚投入时，体内药物的浓度急剧增高，由于代谢作用浓度很快降低，所以必须大剂量反复的

12、投药。这样常常会引起许多副作用。如果把低分子药物与高分子化合物结合起来，就可以将高毒的药物制成低毒的甚至无毒的制剂，可以使药物在指定的部位持续而稳定的发挥作用，或者减少药物的用量和给药次数，控制药物的吸收速度和排泄速度，维持体内所需要的浓度。所以有关智能药物释放体系的研究非常活跃，特别是高分子抗癌药物的开发日渐增多。如磁性微球制剂是国内外正在研究的一种新剂型。这种制剂是将药物和磁性物质共同包埋于载体中，在外界磁场的作用下到达并固定在病变部位，使所含药物得以定位释放，集中在病变部位发挥作用，从而达到高效、速效和低毒的治疗效果，而磁性微球可定期安全地排出体外。7.隐形材料的应有用随着军用探测技术的

13、迅速发展,军事目标面临着各种雷达探测系统、红外探测系统以及光学观测系统日趋严重的威胁,导弹技术的发展使目标几乎处于“被发现即等于被命中摧毁”的程度,因此,提高军事目标的生存能力,降低被探测和发现的概率,对于现代战争来说,具有十分重要的意义。相对于目标而言,背景是十分复杂并且不断变化的,所以使用一成不变的隐身技术手段很难真正达到良好的隐身效果, 20世纪80年代末,美国和日本科学家首先提出了智能材料的概念,智能材料是一种能从自身表层或内部获取关于环境条件及其变化信息,进行判断、处理和反应,以改变自身结构与功能并使其很好的与外界协调,具有自适应的材料系统,在武器装备隐身化和新军事变革的大背景下,智

14、能隐身材料的研究得到了各国的高度重视8 。智能隐身材料是伴随着智能材料的发展和装备隐身需求而发展起来的一种功能材料,它是一种对外界信号具有感知功能、信息处理功能、自动调节自身电磁特性功能、自我指令并对信号作出最佳响应功能的材料/系统。区别于传统的外加式隐身和内在式雷达波隐身思路设计,为隐身材料的发展和设计提供了崭新的思路,是隐身技术发展的必然趋势,高分子聚合物材料以其可在微观体系即分子水平上对材料进行设计、通过化学键、氢键等组装而成具有多种智能特性而成为智能隐身领域的一个重要发展方向。前景：高分子材料由于在结构上的复杂性和多样性,可以在分子结构(包括支链结构)、聚集态结构、共混、复合、界面和表

15、面甚至外观结构等方面进行或单一或多种结构的利用,以达到材料的某种智能化。智能材料的发展是建立在人类需要的基础上的,因此它必将朝着对人们活动起分担作用的社会活动对应型方向发展。材料特殊的结构决定了它的智能价值。目前对结构的设计和控制还局限于一次结构。所以,聚合物的高次结构以及与之相关的分子间的相互作用必将成为今后智能高分子研究的重要课题。参考文献：1. 陈莉.智能高分子材料.化学工业出版社.2005年1月2. 刘巧宾,龚春所.智能高分子材料.杭洲化工.2007年37期3. 滕进丽.智能高分子材料的发展.山东省农业管理干部学院学报.2006年第22卷第5期 4. 梁敏,李柏峰,李青山,陈鹏韩,方涌

16、,王艳玲.智能高分子材料的研究进展.化工时刊.2002年第5期 5. 辛晓晶.智能高分子材料的应用现状及研究进展.甘肃石油和化工.2006年第2期 2006年5月 6. 李青山,张钦仓,谢磊,李柏峰.智能高分子材料的研究进展.合成橡胶工业.2003年9月15日7. 尹剑波,向礼琴.智能高分子材料研究现状及应用.化工新型材料.第12期27卷 1999年8. 于海涛,庄,焱,庄海燕. 高分子材料在智能隐身技术中的应用. 材料开发与应用第24卷第1期.2009年9. 田桂秋,李青山,李美善. 智能高分子材料新进展. 化工时刊13卷第2期.1999年10. 沈新元. 智能高分子材料. 现代化工第24卷第3期. 2004年