浅谈智能高分子材料现状与前景

浅谈智能高分子材料现状与前景

班级：料085

姓名：季承玺

学号：089024463

选课时间：周三7-8节，周五5-6节

浅谈智能高分子材料现状与前景

料085 季承玺 089024463

选课时间：周三7-8节，周五5-6节

摘要：功能与智能高分子材料是近代发展较快的交叉学科。它不仅在轻工、化工、纺织、石油化工、国防科技、医疗保健中应用相当广泛，而且在生物科学、信息科学、材料科学以及新能源等高新技术领域也有广泛的应用前景。

关键字：智能高分子，应用，材料，前景

引言：材料的智能性是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识地调节、修饰和修复。智能高分子材料的品种多,范围广,智能凝胶、智能膜、智能纤维和智能粘合剂等均属于智能高分子材料的范畴。由于高分子材料与具有传感、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。

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。

一、智能高分子材料概念

“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]。

由于高分子材料与具有传感、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、应用举例

1、刺激应答性高分子凝胶

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pH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] 。

2、具有形状记忆功能的高分子材料

形状记忆高分子就是在一定条件下被赋予一定智能高分子材料的形状(起始态),当外部条件发生变化时,它可相应地改变形状,并将其固定(变形态) 。如果外部环境发生变化，智能高分子材料能够对环境刺激产生应答,其中环境刺激因素有温度、p H 值、离子、电场、溶剂、反以待定的方式和规律再一次发生变化,它便可逆地应物、光或紫外线、应力、识别和磁场等,对这些刺激恢复至起始态。至此,完成记忆起始态固定变形态恢复起始态的循环。

产生有效响应的智能高分子材料和自身性质如相、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。把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高分子链运动变形使之保持一定状态。再重新加热到Tg 以上温度,残留的翘棱被释放出来,恢复到原来架桥出现时的状态。[8]

此外,由于高分子材料的这种形状记忆智能,可制成热收缩管、容器外包及衬里等,也可用于医用器材和航空设备上。将形状记忆高分子材料加热软化成管状,趁热向其内部插入直径比该管内径大的棒状物,得到的制品为热收缩管,使用时将此管套在需要包覆或连接的物体上。用加热器将膨胀的管加热到初始状态,紧紧包覆在被包物体上。热收缩管主要用于仪器内线路集合、线路终端的绝缘保护,通讯电缆的接头防水以及钢管线路接合处的防腐工程。在医用器材上,应用形状记忆树脂来固定创伤部位可以代替传统的石膏绷扎。还可使用具有生物降解性的形状记忆高分子材料作医用组合缝合器材、血管阻塞防止器、止血钳等。在航空上,被用作机翼的振动控制。[7]

3、智能织物[v]

将聚乙二醇与各种纤维（如棉、聚酯或聚酰胺聚氨酯）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，系统趋于无序状态，线团弛豫过程吸热。当环境温度降低时，氢键使系统变为有序状态，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，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，湿态收缩率达到可用于传感执行系统、微型发动机及生物医用压力与压缩装置，如压力绷带，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。[6，2]

当前，分子纳米技术与计算机、检测器、微米或纳米化机器的结合，又使织物的智能化水平得到了进一步提高。自动清洁织物和自动修补的织物等更加引起人们的关注。

三、总结

目前，我国智能高分子材料的研究与开发存在着不足，与世界先进水平相比尚有相当大的差距，影响了我国信息、航天、航空、能源、建筑材料、航海、船舶、军事等诸多部门的发展，有时甚至成为制约某些部门发展的关键因素。国外智能高分子材料正处于研究开发阶段，各发达国家都对其相当重视。我们可以看到，世纪智能高分子材料会被更加广泛的应用，从而引导材料学的发展方向。

四、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,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