功能高分子材料

功能高分子材料

【摘要】：功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，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。功能高分子材料是上世纪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、能源等领域后开发涌现出的新材料。近年来，功能高分子材料的年增长率一般都在10%以上，其中高分子分离膜和生物医用高分子的增长率高

【1】 达50%。

【关键词】：功能高分子材料，应用，前景

一、引言

高分子材料：以高分子化合物为基础的材料，高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。

高分子材料按应用分类

高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。

1.橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。

2.高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。

3.塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。

4.高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。

5.高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质，添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。

6.高分子基复合材料是以高分子化合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料。它综合了原有材料的性能特点，并可根据需要进行材料设计。高分子符合材料也称为高分子改性，改性分为分子改性和共混改性。

7.功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、磁性、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高

【2】 分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。

二、功能高分子材料

2-1 离子交换树脂【3】

离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶

性的高分子化合物。通常是球形颗粒物。

*应用领域

1.水处理

水处理领域离子交换树脂的需求量很大，约占离子交换树脂产量的90%，用于水中的各种阴阳离子的去除。目前，离子交换树脂的最大消耗量是用在火力发电厂的纯水处理上，其次是原子能、半导体、电子工业等。

2.食品工业

离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上。例如：高果糖浆的制造是由玉米中萃出淀粉后，再经水解反应，产生葡萄糖与果糖，而后经离子交换处理，可以生成高果糖浆。离子交换树脂在食品工业中的消耗量仅次于水处理。

3.制药行业

制药工业离子交换树脂对发展新一代的抗菌素及对原有抗菌素的质量改良具有重要作用。链霉素的开发成功即是突出的例子。近年还在中药提成等方面有所研究。

4.合成化学和石油化学工业

在有机合成中常用酸和碱作催化剂进行酯化、水解、酯交换、水合等反应。用离子交换树脂代替无机酸、碱，同样可进行上述反应，且优点更多。如树脂可反复使用，产品容易分离，反应器不会被腐蚀，不污染环境，反应容易控制等。 甲基叔丁基醚（MTBE）的制备，就是用大孔型离子交换树脂作催化剂，由异丁烯与甲醇反应而成，代替了原有的可对环境造成严重污染的四乙基铅。

5.环境保护

离子交换树脂已应用在许多非常受关注的环境保护问题上。目前，许多水溶液或非水溶液中含有有毒离子或非离子物质，这些可用树脂进行回收使用。如去除电镀废液中的金属离子，回收电影制片废液里的有用物质等。

6.湿法冶金及其他

离子交换树脂可以从贫铀矿里分离、浓缩、提纯铀及提取稀土元素和贵金属。

2-2 导电高分子材料【4】

一类具有导电功能（包括半导电性、金属导电性和超导电性）、电导率在10-6S／m以上的聚合物材料。高分子导电材 料具有密度小、易加工、耐腐蚀、可大面积成膜以及电导率可在十多个数量级的范围内进行调节等特点，不仅可作为多种金属材料和无机导电材料的代用品，而且已成为许多先进工业部门和尖端技术领域不可缺少的一类材料。

*导电高分子材料的应用:【5】

1.半导体特性的应用:

发光二极管:利用导电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电极接上电源时，半导体高分子将会开始发光。比传统的灯泡更节省能源而且产生较少的热，具体应用包括平面电视机屏幕、交通信息标志等。 太阳能电池:导电高分子可制成太阳电池，结构与发光二极管相近，但机制却相反，它是将光能转换成电能.优势在于廉价的制备成本，迅速的制备工艺，具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性。

2.导体特性的应用:

具有导体特性的高分子材料是理想的电磁屏蔽材料，可以应用在计算

机、电视机、起搏器等。电磁波遮蔽涂布能够吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料。防蚀涂料能够防腐蚀，可以用于火箭、船舶、石油管道等。

3.电化学掺杂/去掺杂之可逆性的应用：

电变色组件：共轭高分子在电化学氧化还原时都会产生变色现象。电变色性在汽车防眩后视镜、光信息储存组件、太阳眼镜、军事用途护目镜、飞机驾驶舱遮篷及智能窗等可控制电变色性质的应用上具有极大的发展潜力。 可反复充放电电池：导电高分子电极与对应电极及电解质构成一个蓄有电能的电池，若加电场而掺杂充电，加负载而去掺杂放电，该充电/放电过程为可逆反应。具有价廉、能量密度高、循环寿命长、和低自身放电等优点。 气体检测器：检测的气体包括氧化性气体与还原性气体，氧化性气体在高分子薄膜内将导电高分子氧化，形成阴离子掺杂，增加导电度；还原性气体在高分子薄膜内则会将导电高分子还原，形成阳离子掺杂，降低导电度。因为其对电信号的变化非常敏感，因此可以用做检测器。

导电高分子材料具有半导体及导体双重特性，可低温加工、可大面积化、具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性等，所以制作成本低，组件特性优越，对未来电子及信息工业将产生巨大影响。同时导电高分子材料也面临着挑战，目前的导电高分子综合电学性能与铜相比还有差距，理论上还沿用无机半导体理论和掺杂概念；导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究也存在很多问题；加工性能和力学性能以及稳定性上也需要改进。相信在全体高分子工作者的共同努力下，导电高分子的各方面性能将达到更高的水平。

2-3 高分子功能膜【6】

1.反渗透膜

反渗透膜主要是不对称膜、复合膜和中空纤维膜。不对称膜的表面活性层上的微孔很小（约2nm），大孔支撑层为海绵状结构；复合膜由超薄膜和多孔支撑层等组成。超薄膜很薄，只有0.4mm，有利于降低流动阻力，提高透水速率；中空纤维反渗透膜的直径极小，壁厚与直径之比比较大，因而不需支持就能承受较高的外压。

反渗透膜的材料主要有醋酸纤维素、聚酰胺、聚苯并咪唑、磺化聚苯醚等。醋酸纤维素膜透水量大，脱盐率高，价格便宜，应用普遍。芳香聚酰胺膜具有优越的机械强度，化学性能稳定，耐压实，能在pH值4-10的范围内使用。聚苯并咪唑反渗透膜则能耐高温，吸水性好，适用于在较高温度下的作业。反渗透装置已成功地应用于海水脱盐，并达到饮用级的质量。海水淡化的原理是利用只允许溶剂透过，不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。用RO(Reverse Osmosis )进行海水淡化时，因其含盐量较高，除特殊高脱盐率膜以外，一般均须采用二级RO淡化。但是海水脱盐成本较高，目前主要用于特别缺水的中东产油国。

2.超滤膜

超滤膜是指具有从1-20nm细孔的多孔质膜，它几乎可以完全将含于溶液中的病毒、高分子胶体等微粒子截留分离。超滤膜的分离性能就是用它所截留物质的分子量大小来定义的。超滤膜分离技术主要用于分离溶液中的大分子、胶体微粒。通过膜的筛分作用将溶液中大于膜孔的大分子溶质截留，是溶质分子与小分子溶剂分离的膜过程 。

3.微滤膜

微滤膜是指孔径范围为0.01-10µm的多孔质分离膜，它可以把细菌、胶体以及气溶胶等微小粒子从流体中比较彻底地分离除去。流体中含有粒子的浓度不同，微滤膜的使用方式也不同。当浓度较低时，常常使用一次性滤膜；当浓度较高时，需要选择可以反复使用的膜。

4.气体分离膜

气体分离中常用的高分子膜，是非对称的或复合膜，其膜表层为致密高分子层，即非多孔高分子膜。这种膜材料需要具有优良的渗透性。

5.催化膜

在膜反应器中，利用膜的载体功能将催化剂固定在膜的表面或膜内来制备催化膜。有些膜材料本身就具有催化活性。在反应涉及加氢、脱氢、氧化以及与氧的生成有关的体系时，则常采用金属膜、固体电解质膜，这些膜具有选择性透过氢和氧的能力。 隔膜催化技术有效性的主要特征是生产率和选择率。生产率是由通过隔膜以及隔膜表面上反应物和生成物的分离率来决定的。

2-4 高分子吸附剂

吸附性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，从外观形态上看，主要有微孔型、大孔型、米花型和大网状树脂几种。吸附树脂的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：温度因素，树脂周围的介质.吸水性高分子 高吸水性树脂的研究始于60年代，世界上最早开发的一种高吸水性树脂是淀粉-丙烯氰接枝共聚水解产物，即在淀粉上接枝丙烯腈然后水解而成。

通常情况下，纤维素类高吸水性树脂的吸水能力比淀粉类树脂低，但是吸水

速度快是其特点之一，在一些特殊情况下却是淀粉类树脂所不能取代的。 高吸水性树脂的结构特征：

a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键； b.树脂具有交联结构；

c.聚合物内部具有较高的离子浓度；

d.聚合物具有较高的分子量吸油性高分子 高吸油性树脂是一种新型的功能高分子材料,对于不同种类的油，少则可吸自重的几倍,多则近百倍,吸油量大、吸油速度快且保油能力强，在工业的废液处理以及环境保护方面具有广泛的用途。另外可作橡胶改性剂、油雾过滤材料、芳香剂和杀虫剂的基材、纸张添加剂等。

高吸油性树脂的结构特征：高分子之间形成一种三维的交联网状结构，材料内部具有一定微孔结构。由于分子内亲油基的链段和油分子的溶剂化作用，高吸油性树脂发生膨润。基于交联的存在，该树脂不溶于油中。由此可见,交联度和亲油性基团与高吸油性树脂的性能有密切关系。

2-5 高分子催化剂和高分子试剂

A variety of chemical reactions catalyzed by organisms in biological enzymes belonging to the polymer catalyst.It has the magic of the catalytic properties, reaction at normal temperature and atmosphere, high catalytic activity, almost no by-products.At present, people try to use artificial method to simulate the enzyme, the metal compound in a polymeric ligand, the development of high activity, high selectivity and high efficiency catalyst, this polymer catalyst called polymer metal

catalyst.Many researches show that, polymer metal catalyst on hydrogenation reaction, oxidation reaction, addition reaction of silicon with hydrogen, carbonylation reaction, isomerization, polymerization and has high catalytic activity and selectivity, and easily separated from the reaction material, recyclable reuse.【10】

三、高分子材料的发展前景及相关建议

1.改善高分子材料对资源的依赖

当代合成高分子材料主要依赖石油这种化石资源。石油的生成是一个浸长的地质过程，石油资源正日益减少而又无法及时再生，因此，有必要寻找可以替代石油的其他资源来作为合成高分子材料的原料来源。解决的途径可以是天然高分子的利用，也可以探索无机高分子材料的合成。结合基因工程的方法，促使植物产生出更多的可直接利用的天然高分子，或可供合成高分子材料需要的原料单体。无机高分子泛指主链原子是除碳以外的其他原子形成的长链分子。无机高分子的原料来源丰富且多样，已知约有四五十种无机元素可以形成长链分子。如地球上储量最丰富的硅元素，可以合成得到主链全部是硅原子且具有有机侧链的聚硅烷材料。这种聚硅烷既可用作结构材料又可用作功能材料，还可以制得氮化硅结构陶

【7】 瓷材料。

2.加强高分子材料与环境的协调

合成高分子材料的生产要尽可能实现绿色化学过程，高分子材料的应用耍体现绿色材料的概念。研究高分子材料的环境同化，强化环境友好的特征，实现高

分子材料的生物降解、无害焚烷或循环再生。增加高分子材料的循环和再生使用的价值和效率，减少对环境的污染乃至用高分子材料治理环境污染。探索化学合成、物理合成或仿生合成的新概念、新方法，利用植物或微生物比如生物催化剂或菌种，进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行台成，甚至利用日光、二氧化碳和水合成高分子材料等等。研究高分子材料与生态环境的相互影响，实现高分子材料与生态环境的和谐等。

3.政府组织，应对国家需求

对于国家急需而又短缺的材料，例如碳纤维材料，在充分论证的基础上，要由政府组织采取国家行为进行一体化的研究、开发和产业化。为保证这类国家行为行之有效，－是可行性要有充分论证，二是要保护参与国家行为的人员的积极性。这类政府组织的工作，有许多在科学技术方面是硬骨头，个人决定是否参与的一个重要因素是考虑科学技术上的难度和可行性。在当今较注重个人绩效与个人利益挂钩的大环境下，保护参与者的积极性，显然是政府组织的国家攻关工作

【8】 要考虑的问题。

４.企业为主，提高高新技术含量

实现由材料大国到材料强国的跨越，提高传统材料产业的技术含量至关重要。如我国通用聚烯烃材料的专用牌号的质量问题亟待改进，虽有各种形式的研究开发活动得到了若干改进技术，但只有通过企业的工业化验证才能发挥作用，只有尽可能多的企业采用，这些技术才能形成生产力。这就需要企业集团进行组织协调和所有相关企业自觉参与。

5.百花齐放，开辟新型材料产业

新兴的信息产业和生物技术相关产业的发展，需要新型材料予以支撑。先进高分子结构材料、光电高分子材料、高分子光通讯材料、生物高分子材料和高分子材料智能系统等新型材料的研发，需要不同领域的知识交叉，需要不同行业的技术交流，因而是最可能由新人形成的断新产业。不拘一格的用人、宽松平等的学术氛围、公平公正的产业政策等，是新型材料的百花齐放的关键。

当代材料领域的科技研究和产业开发具有以下特点：传统材料（钢铁、陶瓷和有机高分子）之间的界限变得越来越模糊而融合变得更明显，如无机高分子材料和有机／无机杂化材料的应用等；通用材料与功能材料之间的相互渗透越来越明显，更多的通用材料会同时具有某些功能特性，而功能材料也会显现通用性；材料中原子和分子组合配置的精确设计和精确制备，以及纳米尺度上其结构、性质的观察和测量变得更重要，如化学制备智能材料、生命材料和单分子薄膜器件等；材料的传统研究方法与当代信息社会提供的新技术的结合变得更为必要，如计算

【9】材料科学等。这些特点表明一个材料发展的新时代已经到来。

[1]百度百科--功能高分子材料

[2]百度百科--高分子材料

[3]百度百科--离子交换树脂

[4]百度百科--导电高分子材料

[5]中国化学化工论坛--导电高分子材料

[6]互动百科--高分子功能膜、高分子吸附剂

[7]徐僖;高分子材料科学研究动向及发展展望;第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集;2001年

[8]董丽杰,熊传溪,张惠玲等;高分子材料产业的可持续发展;武汉理工大学学报;2001年08期.

[9]韩志超;董侠;高分子材料研究新进展;当代石油石化;2006年05期

[10] Baidu Encyclopedia-- Polymer catalyst and polymer reagent

Functional polymer materials

Name：wangchengyu Class：guokong101 Number：5801410022

[Abstract]: functional polymer material generally refers to have a transfer, conversion or storage substance, energy and information function of polymer and its composite materials, or specifically referred to in the original based on mechanics performance, also has the chemical reactivity, photosensitivity, conductivity, catalysis, biocompatibility, medicine, dissociative, rational choice energy conversion, magnetic functional polymer and its composites.Functional polymer materials is to go up century 60 time development rises burgeoning field, polymer material is infiltrated into the electronic, biological, energy and other areas after the emergence of new materials development.In recent years, the annual growth rate of functional polymer materials is generally more than 10%, wherein the polymer separation membrane and biological medical polymer growth rate reached 50%.

[Key words]： functional polymer materials, application, prospect of functional polymer materials