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高分子材料的智能化设计与合成智能化材料是当今材料科学领域的研究热点之一，其中高分子材料的智能化设计与合成成为了重要研究方向。
本文将从高分子材料的智能化设计的需求、合成方法和应用领域等方面进行探讨。
一、智能化设计的需求随着科技的不断进步，人们对材料的功能和性能提出了更高的要求。
高分子材料作为一类重要的功能材料，具有较好的可塑性和可调性，因此在智能化设计方面具有广阔的应用前景。
智能高分子材料的需求主要体现在以下几个方面：1. 响应性能：智能材料能够对外界刺激作出适当的响应。
比如，温度敏感的高分子材料可以通过温度变化实现形状记忆效应，从而实现形状可控和可逆的功能。
2. 敏感性能：智能材料能够对微小的刺激做出快速而精确的响应。
例如，高分子材料的光敏性可以通过光辐射实现光驱动效应，实现智能响应和控制。
3. 可调性能：智能材料能够在一定范围内调节其功能和性能。
高分子材料具有可调性，可以通过化学修饰和功能化改变其性质，实现对材料特性的调控。
二、智能化材料的合成方法高分子材料的智能化设计与合成通常需要选择合适的方法来实现。
目前常用的合成方法主要包括：1. 化学合成法：通过聚合反应进行高分子材料的合成，可以通过调节反应条件和聚合物结构来实现智能化设计的目的。
例如，通过控制聚合反应的温度、催化剂和单体比例，可以合成具有形状记忆特性的高分子材料。
2. 物理法：利用物理性质和相互作用来实现智能化功能的设计。
例如，通过调节高分子材料的物理结构，如微观结构、分子排列和非共价键交联等，实现对材料性能的调控。
3. 多功能化改性法：通过在高分子材料中引入其他功能性组分，实现材料功能的多样性和智能众生。
比如，引入导电性、磁性或抗菌性等功能基团，赋予高分子材料新的性能和应用功能。
三、智能高分子材料的应用领域智能高分子材料由于其独特的功能和性能，被广泛应用于多个领域。
以下是一些智能高分子材料的应用领域的介绍：1. 生物医学领域：智能高分子材料在生物医学领域中具有重要的应用潜力。
高分子材料的功能化研究高分子材料是一种重要的材料，可以应用于各种领域，例如医疗、电子、建筑等。
在这些领域中，高分子材料的特性决定了它们的功能。
但是，高分子材料的功能可以进一步增强，例如强度、导电性、附着力等。
这就需要进行高分子材料的功能化研究，尤其是通过功能化来实现材料的个性化设计和特定功能的实现。
一、功能化的定义功能化是指在高分子材料中加入一些具有特定功能的成分。
这些成分可以改变材料的物理、化学、热学和光学性质，从而赋予材料新的功能和性能。
在高分子材料中实现功能化有许多方式，例如在聚合反应中加入具有特殊官能团的单体，或者在后期加入某种特殊化学物质。
二、高分子材料的功用高分子材料的超强性能和多重功能是它最大的优点。
例如，基于高分子的聚合物软管在医疗行业中成功应用，如输液管、气管等。
更进一步，在制造过程中将制造材料加入特定功能成分，使得高分子材料成为各种高新技术产品的基础和关键应用材料。
例如，通过为烘干机配备高分子材料的干燥衬里，将显着提高烘干机的效率。
另外，通过改变材料的物化性质和表面特性，可以使高分子材料在吸附、防腐、涂装、包装等方面发挥其独特的功能。
三、不同方式实现高分子材料的功能化i. 触媒-铝烷基分子间的协同作用实现高分子材料的增强触媒是一种特殊的物质，可以通过吸附或催化材料表面上的活性位点，实现高分子材料的功能化。
触媒可以激发烷基化反应，实现高分子材料在加热-压力作用下的分子重组。
这种方法可以增加高分子材料的分子量，从而提高其机械强度、热稳定性、耐化学性等性能。
ii. 通过表面改性实现高分子材料的性质调控高分子材料的表面特性决定了其与周围环境之间的相互作用。
因此，通过在表面上添加或去除一些特定的化学物质，可以使高分子材料的性质发生改变。
例如，在高分子材料表面上加入亲水官能团，可以使其表面性质变得更亲水。
这样做可以提高高分子材料与水的接触角，从而使其更适合用于水性涂料、纺织品等领域。
iii. 使用功能化剂实现高分子材料的热稳定性改善有些高分子材料在高温下会分解，并释放出有害物质。
材料科学中的材料表面功能化研究材料科学是现代工业领域中的一个重要分支，涉及到材料的制备、加工、性能测试和应用研究等多个方面。
材料表面是材料和外部环境相互作用的重要界面，其表面性质会对材料的宏观性能产生直接影响。
因此，表面功能化研究是材料科学研究领域中一个重要的研究方向。
一、什么是表面功能化？表面功能化是指基于表面化学原理和材料科学基础知识，在材料表面上引入一定的功能元素或者修饰化学结构，使其具备一些特定的性质和功能。
例如，在金属表面上进行改性可以提高其耐腐蚀能力；在高分子材料表面引入羟基、羧基等官能基可改善其润湿性和生物兼容性等等。
表面功能化的实际应用方面包括但不限于生物医学领域、材料保护、环境污染控制、电子元器件等。
二、表面功能化研究领域的重要研究方向材料表面功能化研究领域涉及的问题较广，包括材料表面的结构、界面和性能等方面的问题。
其中，以下是一些比较重要的研究方向：1、超疏水性表面的设计和制备超疏水性表面具有类似莲叶或者昆虫翅膀表面的纳米结构，因此也被称为“莲花效应”或者“昆虫效应”，意味着其表面上的液滴会形成几乎完全的球形，且不易湿润。
这种表面结构具有很多应用前景，例如防污、自洁、防冰、防霉菌等。
2、环境响应型表面设计和制备环境响应型表面主要指的是材料表面对外部环境因素（例如湿度、温度、光辐射等）发生响应，并从而改变表面性质的一类表面。
例如，基于光敏材料制备的光控模拟器件中采用的就是基于UV-C光辐射下主链氧化反应机理导致表面异相聚集的环境响应型分子。
3、抗污表面设计和制备抗污表面指的是能够减少或者免疫表面附着的有机和无机污染物的表面，主要方式是通过表面功能化实现。
其中，基于使用抗菌功能的乙烯-乙酸乳液、氧化硅基材等材料表面达成抗污目标已经成为近年来比较热门的研究方向。
三、表面功能化的材料制备方法材料表面功能化的制备方法种类繁多，可分为物理方法、化学方法等多种方法。
具体的制备方法可以根据表面功能化的目标、材料特性、实验条件等多方面来选择。
材料表面的改性和功能设计技术随着科技的发展，材料表面的改性和功能设计技术越来越受到人们的关注。
材料表面的改性和功能设计技术通过改变材料表面的化学成分、形貌结构和物理性质，使材料表面具有更多的特殊功能和性能。
这些特殊功能和性能可以应用于医疗、环保、能源、智能材料和电子设备等领域，具有广泛的应用前景。
一、材料表面改性技术1.表面处理技术表面处理技术是改变材料表面特性的基本方法。
表面处理技术包括机械处理、化学处理、冲击处理、电化学处理、等离子体处理等多种方法。
这些方法可以改变材料表面的形貌结构、化学成分、表面能等特性。
例如，热处理可以改变材料表面的晶体结构和相变行为，提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。
激光处理可以改变材料表面的形貌结构，实现材料的微纳加工和表面的生物相容性调控。
2. 涂层技术涂层技术是一种将功能材料涂覆于材料表面的方法，以实现材料表面的特殊功能。
涂层技术可以分为化学涂层、物理涂层和生物涂层。
化学涂层通常采用溶胶-凝胶法、化学还原法、电沉积法等常规方法；物理涂层通常采用物理气相沉积、溅射沉积、离子束沉积等技术；生物涂层通常采用生物分子自组装、生物大分子修饰等方法。
利用涂层技术，可以实现表面的耐腐蚀、防摩擦、生物相容性、光学性能等特殊功能。
3. 表面修饰技术表面修饰技术是一种通过修饰材料表面的功能分子，实现表面特殊功能的方法。
表面修饰技术通常包括化学修饰、生物修饰、光电修饰等方法。
化学修饰通常采用表面修饰剂、化学羧化剂等方法，将修饰分子固定于材料表面；生物修饰通常采用生物大分子修饰、生物分子自组装等方法，实现生物相容性和酶催化作用；光电修饰通常采用光敏化学修饰，实现光响应和光电转换等特殊功能。
二、材料表面功能设计技术1. 引入基态法基态法是一种通过引入基态分子，实现表面特殊功能的方法。
基态分子具有较稳定的化学结构，在表面吸附后可以发挥特殊作用。
例如，将活性基态分子引入材料表面，可以实现表面的生物活性、催化活性、光敏性等特殊功能。
材料工程中的表面功能化技术研究及应用随着现代工业的不断发展，材料工程作为一门综合性学科，得到了越来越多的关注和研究。
其中，表面功能化技术作为材料工程领域的一个重要分支，其研究与应用具有广泛的前景和重要的意义。
一、表面功能化技术表面功能化技术是指对材料表面进行改性，以赋予其特定的性能和功能的技术。
它可以改善材料的表面物理、化学、电学、磁学性质，并且还能增强其机械性能、防腐蚀性、耐磨性、抗疲劳性等。
在材料工程的实践中，表面功能化技术是实现材料化学、机械、能源等领域技术升级和产品创新的重要途径。
目前，表面功能化技术已广泛应用于各种材料，如金属、陶瓷、复合材料、高分子材料等。
二、表面功能化技术的研究方法表面功能化技术的研究方法包括物理方法、化学方法和生物方法三种。
其中，物理方法主要包括喷涂、物理气相沉积、离子注入、激光处理等；化学方法主要包括电镀、溶胀、溶胶-凝胶法、化学键合、离子交换等；生物方法主要包括分子印迹、酶催化、生物染色等。
三、表面功能化技术的应用领域1. 材料防腐蚀领域表面功能化技术可以制备出具有良好耐腐蚀性的金属涂层或复合材料，例如，采用化学方法制备的镀层，可以有效防止材料表面发生化学反应而导致腐蚀的问题。
2. 材料润滑领域表面功能化技术可以制备出具有良好润滑性的材料表面，例如，采用物理方法制备的表面镀层，可以有效降低摩擦系数，提高摩擦效率。
3. 材料传热领域表面功能化技术可以制备出具有良好传热性能的材料表面，例如，采用生物方法制备的生物附着层，可以有效提高材料表面的传热效率。
4. 材料感知领域表面功能化技术可以制备出具有良好感知性能的材料表面，例如，采用化学方法制备的敏感材料，可以实现对特定物质的检测和分析。
四、表面功能化技术的发展前景随着人们对高性能材料的需求不断提高，表面功能化技术在材料工程领域的发展前景越来越广阔。
未来，表面功能化技术将不断创新，通过不同的材料接口调控来精益求精，包括金属材料表面纳米结构设计、复合材料界面调控、高分子材料表面功能化等方面，在为材料工程领域打开更加广阔的研究空间的同时，为智能制造、数字经济等领域的发展也提供了有益的支持。
高分子材料的功能化设计及应用研究高分子材料作为一种重要的新材料，在不同领域都有着广泛的应用。
由于其天然的化学特性和结构搭配的灵活性，高分子材料的特殊性能可以得以充分发挥。
为了进一步提升其性能，将高分子材料进行功能化设计是必不可少的。
本文将详细探讨高分子材料的功能化设计及其应用研究。
一、高分子材料的功能化设计高分子材料的功能化设计是将高分子材料进行化学修饰，改变其结构，增加其性能和应用。
主要通过合成特定的单体或共聚物，实现对高分子材料的分子结构和物化性质的调控。
功能化设计可以将高分子材料的性能优化，同时实现更高的功能化。
1. 高分子材料的表面功能化设计表面功能化设计是通过化学反应或物理方法，将高分子材料表面改性。
目的是增强其界面黏附性、抗氧化性、化学稳定性和光学性能，并提高其应用范围。
例如，利用致密自组装单层样品（SAMs）改变高分子材料表面的亲水性和疏水性，从而调节其形状、粒径、分散度和通透性。
化学修饰可以通过共价结合、离子组装、金属离子交换、自组装和微生物反应等方法进行。
2. 高分子材料的功能化设计在制备复合材料方面的应用高分子材料常用于制备复合材料，其功能化设计对于其性能的提升具有非常重要的影响。
如利用共价键、酸碱交联、物理缩合等方法，结合纤维增强材料制备高性能增强复合材料。
在表面修饰材料方面，改性聚合物表面经常用于在二氧化硅或钛化物颗粒上成核，增强其亲附性及稳定性。
这些复合材料具有高强度、抗暴击能力和高温稳定性等优点，并被广泛应用于航空航天、船舶、汽车和电子等领域。
3. 高分子材料的功能化设计在制备智能材料方面的应用高分子材料的功能化设计可用于制备智能材料，也称为响应性材料。
这些材料通过特定的基团、反应器或配位体设计在外部刺激下进行响应并产生控制作用。
例如，利用聚合反应中结构缓和聚合物制备温敏性高分子材料，可实现对温度的响应，在生物医学领域有着广泛应用。
同时，通过水敏感、酸敏感、光敏感等响应来实现特定应用。
生物材料表面的设计与改性研究随着科技的不断发展，人们对于生物材料的研究也越来越深入，其中，生物材料表面的设计与改性研究是非常重要的一部分。
本文将从表面结构、功能化改性、生物响应性、应用实践等方面，对生物材料表面的设计与改性研究做一个简要介绍。
一、表面结构生物材料表面的结构与性质以及生物相容性之间存在着密切的关系。
通过表面微纳米结构的控制，可以对材料表面的表型进行处理，从而在生物界面上作用实现功能。
例如，将生物材料表面设计成锥形纳米结构，可以增加表面积，提高表面能，提高生物响应性；将生物材料表面设计成纳米孔结构，则可以增强材料的输运，提高材料的载荷能力，进而提高材料的生物适应性和机械表现力。
二、功能化改性生物材料表面的功能化改性是以实现特定功能为目标，通过化学方法将活性化合物或改性分子引入到材料表面的一种方法。
例如，骨膜样材料表面的改性，可以通过广谱抗菌剂的使用，使材料表面呈现出抗菌特性，防止手术中细菌感染；在尿素/腺嘌呤包被的基础上，将抗草酸化剂通过共价键模式引入到材料表面上，则可使材料表面具有抗酸性和耐腐蚀性；表面导轨等生物材料的表面化学改性，则可通过光化学方法实现，达到表面导向和电子传输作用。
这些都是表面改性的一些常见例子。
三、生物响应性生物材料表面的特性是指生物体在材料表面反应的某些特征，包括吸附、细胞粘附、细胞分布、分子转运等反应。
通过改变材料表面的化学性质，形成特定的化学环境，还可以影响材料表面的生物响应性。
例如，通过表面上的静电交互作用，可控制蛋白质和细胞的吸附和分布；通过共价键共轭态可控制细胞的活性，增加与细胞机体的联系，促进生物材料的修复。
四、应用实践生物材料表面的设计和改性对于生物医学实践具有重要意义。
在生物医学领域的应用，主要涉及组织工程、药物输送、医学诊断、治疗等方面。
例如，在骨组织工程方面，可以利用生物可降解聚合物、金属、钙磷骨和生物玻璃等材料来作为替代骨组织。
通过表面改性来调节其材料优势，从而提高其生物适应性和机械力学性能。
共轭有机高分子结构设计与功能调控共轭有机高分子是指由一系列共轭键连接在一起的有机分子。
这种结构具有特殊的电子结构和导电性质，因此在化学、材料科学和电子学等领域有着广泛的应用。
共轭有机高分子的结构设计主要包括以下几个方面：1. 选择合适的单体：共轭有机高分子通常由含有共轭键的单体构成。
选择具有合适的官能团和结构的单体是设计共轭有机高分子的关键。
例如，苯环、咪唑和噻吩等具有共轭结构的单体都可以用来构建共轭有机高分子。
2. 控制共轭长度：共轭有机高分子的导电性质与共轭链的长度有关。
通过控制单体的选择和聚合条件，可以调控共轭链的长度，从而实现对导电性能的调控。
一般来说，共轭链长度越长，导电性能越好。
3. 引入官能团：通过在共轭有机高分子的结构中引入不同的官能团，可以实现对其化学性质的调控。
不同的官能团可以引入不同的化学反应，从而实现高分子材料的功能化。
4. 交联和掺杂：通过掺杂和交联等方法，可以实现共轭有机高分子结构的调控和功能的改变。
掺杂可以导致载流子浓度的调控，从而影响导电性能；交联可以改变高分子的物理性质，如机械强度和热稳定性。
对于共轭有机高分子的功能调控，主要有以下几个方面：1. 导电性能调控：通过控制共轭链的长度、单体的选择和结构的调控，可以实现共轭有机高分子的导电性能的调控。
这对于电子器件的设计和开发具有重要意义。
2. 光学性能调控：共轭有机高分子具有良好的光学性能，可以用于制备光电器件。
通过控制共轭链的长度和结构，可以调控共轭有机高分子的吸收光谱和发光性能，从而实现对其光学性能的调控。
3. 催化性能调控：通过引入不同的官能团和掺杂剂，可以实现对共轭有机高分子的催化性能的调控。
这对于合成有机小分子的催化反应具有重要意义。
4. 环境敏感性调控：通过引入响应性官能团，如温度敏感性、pH敏感性和光敏感性等，可以实现对共轭有机高分子结构的环境敏感性的调控。
这对于制备智能响应性材料具有重要意义。
总之，共轭有机高分子的结构设计与功能调控是一个复杂且有挑战性的问题，需要综合考虑材料的化学性质、物理性质和功能需求等方面。
高分子材料的结构设计和性能调控引言高分子材料在现代科技中发挥着重要的作用，广泛应用于各个领域，包括医疗、航空航天、能源等。
与传统材料相比，高分子材料具有重量轻、机械强度高、耐腐蚀等优点，但也面临着熔融性低、易变形等挑战。
为了克服这些缺点，高分子材料的结构设计和性能调控成为研究的重点。
一. 结构设计的重要性高分子材料的性能与其结构密切相关。
通过合理设计高分子材料的结构，可以实现对其性能的调控。
例如，在医疗领域，高分子材料的生物相容性是一个重要的考虑因素。
通过调整高分子材料的结构，可以使其与人体组织相容性更好，减少致病的风险。
此外，高分子材料的机械性能、热稳定性等也可以通过结构设计进行调控。
二. 结构设计的方法1. 拓扑结构设计高分子材料的拓扑结构对其性能具有重要影响。
例如，线性高分子和交联高分子的力学性能存在显著差异。
通过合理选择和调控高分子材料的拓扑结构，可以实现对其力学性能的调控。
此外，纳米级结构的引入也是一种常见的方法，通过纳米级结构的精确调控，可以实现高分子材料的新颖性能。
2. 共价键和非共价键的调控高分子材料的结构由共价键和非共价键组成。
通过调控这两种键的连接方式和数量，可以实现对高分子材料性能的调控。
共价键的调控可以通过聚合反应的选择和条件控制来实现，例如选择不同的单体、引入不同的反应条件等。
非共价键的调控可以通过外界刺激（如温度、pH值等）来实现，引入特定的相互作用（如氢键、离子相互作用等）来实现。
三. 性能调控的方法1. 添加剂的引入通过引入添加剂，可以对高分子材料的性能进行调控。
例如，在高分子材料中引入增塑剂可以提高其柔韧性；引入抗氧化剂可以提高其热稳定性。
添加剂的引入可以通过简单的混炼和共混等方法实现。
2. 环境条件的调控高分子材料的性能往往受到环境条件的影响。
通过调控环境条件，可以实现对高分子材料性能的调控。
例如，通过调控温度、湿度等参数，可以实现对高分子材料的热稳定性、吸湿性等性能的调控。
聚合物涂层材料的设计及应用随着现代科技的不断发展，人们对材料的要求越来越高，特别是在高科技产业领域。
在这些领域，不仅需要材料的高强度、高硬度等物理属性，还需要具有抗腐蚀、防水、防火等功能。
这时，聚合物涂层材料就成了不可或缺的材料之一。
在本文中，我们将探讨聚合物涂层材料的设计及应用。
聚合物涂层材料简介聚合物涂层材料是一种涂料材料，成分为高分子聚合物，其基本原理是通过一定的化学反应将聚合物涂层液均匀地涂在被涂物表面上，然后通过恰当的处理方式使其快速固化形成坚硬的保护层。
它的主要特点是耐酸碱、耐腐蚀、耐磨损，并具有较高的附着力和较好的耐候性能。
聚合物涂层材料的设计聚合物涂层材料的设计需要考虑许多因素，最重要的是其所应用场合和要求。
在设计聚合物涂层材料时，需要从以下几个方面考虑。
材料的种类目前，常见的聚合物涂层材料主要有环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯等。
环氧树脂具有很好的附着力和耐腐蚀性能，还具有较好的机械强度和耐磨损性能。
丙烯酸树脂具有良好的透明性和韧性，可以广泛应用于汽车、建筑玻璃等领域。
聚氨酯具有较好的耐紫外线性能，经过适当改性可以用作耐磨涂料。
物料的制备聚合物涂层材料的制备主要有两种方法：一种是采用乳液聚合法，即将单体或预聚合体分散在水中，经过加入加载剂、表面活性剂等处理后，通过引发剂和辅助剂的作用下聚合成稳定的乳液。
另一种方法是有机溶剂聚合法，即在有机溶剂中使聚合物产生聚合反应，生成涂层材料。
涂层的成膜性能聚合物涂层成膜性能是指涂层材料在表面上形成连续的、致密的保护层的能力。
这种性能与涂层材料的成分、结构、配方、应用方法和工艺等因素密切相关。
同时，在涂料材料设计中应考虑到涂层的成膜性能，尽可能使涂层成膜均匀、完整、致密，以确保涂层在使用过程中持久、稳定。
聚合物涂层材料的应用聚合物涂层材料广泛应用于汽车、飞机、建筑、机械、电子设备、轨道交通等领域。
现在我们来看几个具体的应用案例。
汽车行业聚合物涂层材料在汽车行业应用广泛。
第23卷第3期高分子材料科学与工程Vol.23,No.3 2007年5月POLYMER MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING May2007高分子表面的功能化设计Ξ张 浩,叶 鹏,王新平(教育部先进纺织材料与制备技术重点实验室,浙江理工大学化学系,浙江杭州310018)摘要:综述了近年来通过控制聚合物功能化端基在表面的离析来设计和制备具有特定化学结构高分子表面的研究进展情况。
关键词:端基功能化;高分子链结构;表面离析;表面设计中图分类号:O631.1+1 文献标识码:A 文章编号:100027555(2007)0320030204 高分子材料表面与界面性质在新材料的开发及应用等许多方面显示出越来越重要的作用[1,2]。
如何精确调控高分子材料表面的微结构以实现对其表面的功能化设计,已成为高分子科学的一个研究热点。
1916年,Langmuir[3]预测高分子材料的表面性质由其最表面几个分子层性质决定,并在此后得到了实验的证实。
Mach等[4]发现在分子尺度的表面层内,分子结构上的一个原子被替换后,表面能就会发生非常显著的变化。
这些研究表明,通过控制材料表面层基团的性质和数量,就可以实现对高分子表面结构和性能的功能化设计。
通过环境诱导聚合物功能化端基在表面的离析,已成为控制高分子表面结构和性质的一种重要手段[5]。
其优点在于可以根据需要设计不同的功能化端基,从而获得相应的表面性质。
此外,由于端基相对含量很低,在表面改性的同时不会对材料的本体性质造成明显的影响[5,6]。
1 聚合物功能化端基的表面离析端基功能化聚合物是一种结构最为简单的非均相高分子,由一条均相(或两相嵌段)的分子链和其两端(或一端)的功能基团组成。
在这里功能基团可以简单地定义为赋予材料表面特定性质的化学基团或链段。
由于端基功能化聚合物具有非均相结构,可以通过环境极性来诱导相应极性的功能化端基向表面离析。
聚合物功能化端基在表面的离析现象最初是在一系列分子模拟研究中发现的[7,8]。
随后的实验证实了低表面能(疏水)基团,如氟碳基团和低聚二甲基硅氧烷链段(-PDMS)等向低表面能环境方向的离析。
Affrossman等[9]在氩气和真空环境下,用静态二次离子质谱(SSIMS)和X射线光电子能谱(XPS)证实了全氟己烷端基PS的端基在表面的离析。
Zhao W等[10]使用中子反射(NR)研究发现氘代端基PS的端基会向真空与硅界面离析。
和频能谱(SFG)作为一种灵敏度高,信号高度表面专一(表面单分子层)的分析手段,近年来在高分子材料的表面研究中发展迅速[11,12]。
Chen Z等[12]运用SFG研究聚乙烯醇(PEG)不同端基的表面离析现象,发现在空气环境下,甲氧基端基PEG表面有明显的甲氧基信号峰;而端基为羟基时,其表面与末端基功能化PEG的表面信号基本一致,未发现羟基信号峰。
与疏水基团不同,亲水基团在低表面能环境下会回缩到本体中,聚合物表面主要由表面能较低的高分子链段占据[13]。
利用高表面能环境(如玻璃、水蒸汽等),可以诱导高表面能的基团(-OH、-NH2、-COOH)向聚合物表面离Ξ收稿日期:2006208211;修订日期:2006212220 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20474058)和浙江省自然科学重点基金资助项目(Z503201) 联系人:王新平,主要从事高分子表面和功能性分离膜研究, E2mail:wxinping@析。
端基为二甲基胺的苯乙烯2异戊二烯二嵌段共聚物在潮湿环境下的水接触角要远低于在空气环境下的水接触角,XPS 数据表明这是由于在潮湿环境下高表面能的二甲基胺基团离析到表面的缘故[14]。
对于端基为亲水基团的PS ,发现其空气面的接触角基本没有变化,而玻璃面的接触角显著下降,证实了利用玻璃板诱导可以使PS 的端羟基或端羧基在表面离析[15,16]。
2 分子链结构与功能基团表面离析的关系理想的表面功能化设计是利用环境极性的变化诱导聚合物功能化端基的表面离析,制备具有特定结构和性质的表面。
但研究表明,环境的极性并不是决定聚合物功能化端基在表面离析的唯一因素,聚合物分子链结构也有着重要的影响。
获得分子链结构2表面性质的关系,从中找出规律,是材料表面功能化设计的一个关键问题。
与复杂的非均相分子链结构(如嵌段、接枝及无规共聚)聚合物不同,端基功能化聚合物的分子链结构简单,因此在理论分析和计算机模拟过程中,其功能单元与重复单元是连续的,熵变与焓变不需要被分开考虑[17]。
Koberstein 等[18]采用晶格模型研究聚合物分子链结构对功能基团表面离析的影响,发现“Pushme 2Pul 2lyou ”结构的端基功能化聚合物(分子链两端分别带有高表面能和低表面能基团)有利于功能基团的离析。
低表面能环境下,分子链上的低表面能端基向表面离析,同时另一端的高表面能基团向本体回缩,从而有利于低表面能基团的表面离析。
研究发现功能基团在分子链上的位置对其表面离析有着显著的影响。
Hirao 等[19]合成了一系列氟碳基团位置不同的PS ,发现分子量和氟碳基团数目相同时,氟碳基团位于分子链端比其位于分子链上的离析效果要好。
这是因为氟碳基团位于端基时,离析对分子链的构象影响很小;而位于分子链上时,离析会使分子链的构象熵减少,阻碍其离析。
但当氟碳基团较多且排列紧密时,其在两种分子链上的表面离析效果基本相同。
Fig .1 Schematic diagram of two types of chain -end -functionalized polystyrenes with adefinite number of -C 8F 17groups that are dendritically distributed (D type )and linearly aligned in a double line (L type ) 聚合物功能化端基自身的数量和立体构型也会影响其表面离析。
全氟辛烷端基PS 表面的氟 碳比(F C )与端基的数量成线性关系,当端基达到一定数量时,F C 比趋于饱和,不再随着端基而增加[19]。
Fig .1所示为枝状(D 型)和双排线形(L 型)两类-C 8F 17端基的PS [20]。
分子量相同时,表面的F C 比随着端基而增加,最终达到饱和。
但L 型的增加速度大于D 型,表面的F C 比更易于达到饱和。
这是由于表面的-C 8F 17是以垂直状紧密排列的,与D 型相比,线性结构的L 型易于进行这种密集排列,所以较少的端基就能使其表面达到饱和。
聚合物的分子量和分子链的柔顺性对功能化端基在表面的离析也有很大的影响。
氟烷端基PS 表面基团的取向与其分子量有关系:分子量较大时,端基在表面呈水平排列;分子量较小时,端基以一定倾角排列于表面[21]。
这是由于分子量较大时,功能基团平行排列于表面使其13 第3期张 浩等:高分子表面的功能化设计密度上升,从而更有效地降低界面能;分子量较小时则无法紧密排列,因为功能基团的取向使分子链的构象熵迅速降低,是一种热力学上不稳定的状态。
对于PEO和PDMS,由于其分子链较为柔顺,在端基的表面离析过程中,构象熵变很小,分子量的影响并不明显[22,23]。
3 聚合物表面的功能化设计针对特定的需要设计端基功能化结构的聚合物,可以使聚合物表面带有特定的功能基团,从而获得所期望的表面性质。
聚交酯是一种优良的生物材料,但易于水解,氟碳基团端基化处理后使其水接触角显著提高,同时抗水解能力也得到很大改善[24]。
表面的超薄膜涂层技术在许多领域有广泛的运用,但通常薄膜处于亚稳态,当材料使用温度达到其玻璃化温度以上时,薄膜会出现去润湿现象[25,26]。
将氟碳端基PS加入到PS中可以降低其表面能,从而延长PS在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面发生去润湿效应的时间[27]。
有时需要材料表面具有亲水的特性,通过在分子链两端接上亲水基团,可以改善其表面的亲水能力。
王新平等[16]利用端羧基、端羟基以及未端基化PS分别制备了表面带有-COOH、-OH及苯基的PS渗透汽化分离膜,研究膜表面基团种类对乙醇 水混合物分离的影响,结果表明分离因子依次为:-COOH> -OH>苯基。
在PS PDMS二嵌段共聚物分子链的PDMS端上分别接上硅烷基和羟基,可以制备一种对表面有识别作用的智能粘接剂[28]。
当端基为硅烷基时,聚合物表面与PMMA接触不发生粘接,而与PDMS表面有一定的作用;当端基为羟基时,聚合物表面与PMMA有较强的相互作用,而与PDMS没有粘接作用。
对于无法用环境极性诱导的功能基团, Cho[29]提出一种新颖的端基结构——“表面传送器”,可将功能化端基由本体传送到表面。
把亲水基团接于二嵌段共聚物的疏水链段末端,在空气环境下疏水链段会带动亲水基团离析到近表面。
在亲水环境下时,这些亲水基团就会离析到表面,从而赋予表面特殊的性质。
要实现对材料表面的功能化设计,仅控制材料表面功能基团的种类是不够的,因为表面功能基团的数量也会在很大程度上影响到表面的性质[16,30]。
目前在端基功能化聚合物的研究中已发展了一些方法来控制表面基团的数量。
其中采用较多的方法是将一定量的低分子量端基功能化聚合物加入到相应未端基化的聚合物中,以调控高分子表面离析基团的数量。
将低分子量的-COOH端基PS加入到PS,利用玻璃板的诱导可以控制其玻璃面-COOH的含量[16]。
将低分子量的氟硅烷端基PS以不同比例加入未端基化的PS,浓度较低时,表面的F C比与低分子量的氟硅烷端基PS浓度成线性关系;而在较高浓度下这种增加趋势减缓,最后在一定浓度下达到定值[30]。
另一方面,控制环境的极性也是调控材料表面离析基团数量的一种重要手段。
Kajiyama 等[21]将氟碳端基PS膜分别置于100℃水蒸汽、100℃沸水和真空环境中24h,分析这三种膜近表面层的F C比,结果为:真空>水蒸汽>沸水。
这种差别是由于环境极性的不同,导致氟碳基团在表面离析的数量不同。
4 结语可以预见,随着端基功能化聚合物链结构与表面性质关系研究的逐步深入,高分子链结构2表面性质间的关系将逐渐实现定量化。
同时高分子科学的数学化以及计算机技术在计算化学中的普遍应用,也将进一步使构建一种可以精确描述高分子链结构2表面性质相互关系的模型成为可能。
这种模型的建立将有助于对高分子表面设计进行理论上的指导,实现真正意义上的对高分子表面性质的可控与优化,从而赋予高分子材料更多人们所期望的功能。
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