功能高分子材料和智能高分子材料.共63页

哪些类型？
2、什么是形状记忆高分子材料？如何分类？举
例说明形状记忆高分子材料的应用。
3、什么是高分子凝胶？智能高分子凝胶的结构
有什么特点？
智能材料——对于外界环境的物理或化学刺 激，自身的某些物理、化学性质发生相应突变 的材料。 又称“机敏材料”。smart material
智能材料属于仿生材料。
智能金属材料 智能材料 智能无机非金属材料
智能高分子材料
智能高分子材料 intelligent polymer ——对于外界环境的物理或化学刺激，自身
的某些物理、化学性质发生相应突变的高分
子材料。
生物组织——天然高分子凝胶
如海参、肌肉组织
刺激响应性智能高分子凝胶——“软湿”材料
高分子凝胶 ——是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂
组成的体系。
可以溶胀，但不溶解。
水凝胶 绝大多数天然凝胶，许多合成凝胶
有机凝胶 化学凝胶
物理凝胶
智能型高分子凝胶的结构特点： ①三维高分子网络与溶剂组成的体系；
日本研制出形状记忆塑料——苯乙烯和丁二
烯共聚物。
当加热至60℃时，丁二烯部分开始软化，而
苯乙烯仍然保持坚硬，以此来保持形状记忆功
能。
热致形状记忆高分子的应用
——热收缩管
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、钢管线
路接合处的防腐工程、异径管的连接。
热致形状记忆高分子的应用
葡萄糖响应高分子凝胶配合物形成的
胰岛素释放微囊
原理：PVA凝胶与硼酸聚合物可以产生可逆的键合形
成配合物，当葡萄糖分子渗入后，PVA凝胶与硼酸聚
合物间的键合被葡萄糖所取代，大分子间的键合解离，

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美国麻省理工学院田中丰一教授早在1975年就发现，当 冷却聚丙烯酰胺凝胶时，凝胶可由透明逐渐变得混浊；加 热凝胶时，它又转为透明。这类可逆过程与聚合物网络的 体积相转变有关。他进一步将离子化的部分水解聚丙烯酰 胺凝胶置于水-丙酮溶液中，发现溶剂浓度或温度的微小变 化可使凝胶突然溶胀到原来尺寸的数倍或收缩成紧缩的物 质。田中丰一的这一发现开辟了一个新的研究领域——“灵 巧凝胶”或“智能凝胶”。
这类凝胶球的体积脉冲变化和心脏的 跳动颇为相似。用显微镜观察条状凝 胶(1 mm×1 mm×20 mm)可看到数十 微米尺度的振荡。历时约5 min的化学 振荡在凝胶内可诱发连续的化学波， 使凝胶长度方向上的颜色发生变化， 每次振荡形成的图案等速迁移6 mm。 人们期望将此系统用于微驱动元件、 微泵及与细胞循环或人生物律动同步 的系统。
该智能水凝胶以液状滴入眼后响应眼内的较高温度变得粘稠， 又由于具有对剪切的敏感性，当每次眨眼时又变成流体状，从 而在眼内完全铺展开，保持药物释放数小时。
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9.4.3.2仿分泌颗粒体释放 分泌细胞含有由聚阴离子网络组成的亚微颗粒体，在水合
氢离子和弱碱性阳离子存在时收缩。作为许多颗粒体结合内源 介体(如组胺、5-羟色胺和蛋白酶)的渗透内存载体，该网络被 埋于脂质膜中。细胞颗粒体响应外界生物化学信号时可分泌此 类物质。
胆甾醇印迹聚合物
葡萄糖敏感P(MMA-g-PEG)凝胶作用机理 15
9.3.2.3振荡反应响应
日本学者开发了响应内源刺激的凝胶。他们将典型 的振荡反应——பைடு நூலகம்elousov-Zhabotinsky(Bz)反应催化 剂钌以三(2，2’-双吡啶) 钌(Ru(bpy)3 )的乙烯基取代 衍生物形式引入到温敏性聚异-丙基丙烯酰胺 (PNIPAAm )凝胶中制备了自振荡凝胶。

lg Tlg IIolc (7-4)
15.02.2021
材料
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其中，ε称为摩尔消光系数。它是吸收光的物 质的特征常数，也是光学的重要特征值，仅与化合 物的性质和光的波长有关。
一个概念： 发色团：在分子结构中能够吸收紫外和可见光的基团
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材料
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3 光化学定律 光化学第一定律（Gtotthus-Draper定律）： 只有被吸收的光才能有效地引起化学反应。
分子的活化有两种途径，一是分子中的电子受 光照后能级发生变化而活化，二是分子被另一光活 化的分子传递来的能量而活化，即分子间的能量传 递。下面我们讨论这两种光活化过程。
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材料
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5 分子的电子结构 按量子化学理论解释，分子轨道是由构成分子
的原子价壳层的原子轨道线性组合而成。换言之， 当两个原子结合形成一个分子时，参与成键的两个 电子并不是定域在自己的原子轨道上，而是跨越在 两个原子周围的整个轨道(分子轨道)上的。
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能
σ*
π*
量
π
π π*
n σ*
n π* n
σ
电子跃迁相对能量
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材料
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表7-3 n →π*和π →π*跃迁性质比较
性质 最大吸收波长
消光系数
取代基效应
吸收光谱图形 单线态寿命 三线态寿命
n →π* 270～350nm（长）
＜100 给电子基团使吸收波长向紫
是指在吸收了光能后，能在分子内或分子间产生
化学、物理变化的一类功能高分子材料。而且这
种变化发生后，材料将输出其特有的功能。从广

【解析】 本题是化学与生物的综合，要充 分利用题给信息,结合学过的知识进行思考, 问题会迎刃而解。 (1)根据反应前后元素化合价的变化可推知 氧化剂为乳酸，还原剂为铁。 (2)聚乳酸本身对人体无毒，在体内可以水解 成乳酸，最后降解成二氧化碳和水，通过人 体的呼吸和排泄系统而被自动排出体外，故
不需要二次开刀拆线，使其作为人体内部器 官的手术缝合线具有独一无二的优越性。 (3)淀粉通过植物的光合作用由二氧化碳和水 合成，再经微生物发酵生成乳酸。因乳酸的 生成来自天然，用乳酸合成的高分子材料又 可以最终降解成为二氧化碳和水，回归自然, 故利用乳酸合成高分子材料，利于环保。
【思路点拨】 解答本题要注意以下三点： (1)知道复合材料的定义及包含的物质。 (2)掌握复合材料的性能。 (3)塑料的分类及包含的物质种类。
【解析】 钢筋混凝土就是一种常见的复合 材料，故A错；聚氯乙烯是线型结构，具有 热塑性，故B错；锦纶丝属于合成纤维，燃 烧时不具有天然蛋白质的烧焦毛发的臭味， 且灰烬不易破碎，故C错。 【答案】 D
3.高吸水性树脂 (1)合成方法 ① 对 __淀__粉__、__纤__维__素___ 等 天 然 吸 水 材 料 进 行 改性，在它们的高分子链上再接上含_强__亲___ __水__性__原__子__团____的支链，以提高它们的吸水 能力。 ②以带有__强__亲__水__性__原__子__团__的化合物为单体, 均聚或两种单体共聚得到亲水性高聚物。
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(1)乳酸可以与精制铁粉制备一种药物，反应 式为：2CH3CH(OH)COOH＋Fe―→ [CH3CH(OH)COO]2Fe＋H2↑ 在该反应中，氧化剂是________，还原剂是 ________，产物乳酸亚铁可以治疗的疾病是 ________。

二.高分子催化剂
特点：温和的反应条件、高活性、高选择性 高分子效应：作为催化活性中心的金属原子在链上 的高分散或高浓缩效应、取代基提供的静电场、高 分子的高级结构、高活性取代基的存在。 分类： 分类： 天然高分子催化剂：酶 合成高分子催化剂：高分子酸碱催化剂、高分子金 属络合物催化剂、高分子相转移催化剂、高分子胶 体保护的金属簇催化剂。 半天然高分子催化剂：固定化酶
•逐步共聚合： 参加反应的两个或两个以上带有功能基的单体， 通过功能基的之间的相互作用而进行反应，析出 低分子物 2、强酸型阳离子交换树脂 •聚合型： 苯乙烯与二乙烯基苯：悬浮聚合、磺化 •缩合型： 硫酸磺化苯酚后，再与甲醛发生缩合反应
3、弱酸型阳离子交换树脂 •聚合型：丙烯酸酯单体与交联剂二乙烯基苯引发 聚合后，水解得到含羧基的弱酸型阳离子交换树脂。 •缩合型：羧基取代的苯酚与甲醛缩合可得到含羧 基的弱酸型阳离子交换树脂。 •其他方法：用高分子骨架通过简单的有机化学反 应来制备弱酸型阳离子交换树脂；如苯乙烯与二乙 烯基苯共聚物。
2、纤维素类 • 纤维素也可作为接枝共聚体的骨架高分子。 • 接枝单体：丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸。 • 纤维素类高吸水性树脂合成原理：自由基聚合 • 用途：高吸水性织物等 3、合成树脂类 1）聚丙烯酸类树脂 代表产品：丙烯酸甲酯与乙酸乙烯共聚后的皂化产物 • 特点：高吸水状态下有很高的强度、较好的耐热、耐 光性能、优良的保水性能。 2）其他合成树脂 聚丙烯腈系树脂、聚乙烯醇系树脂、据环氧乙烷系树脂
• 根据交换基团的种类、作用来分类： 强酸型阳离子交换树脂：-SO3H 弱酸型阳离子交换树脂: -COOH, -PO3H2, -OH, -SeO3H,-AsO3H2 强碱型阴离子交换树脂: ≡N+X-, ≡ P+X-, ≡ S+X弱碱型阴离子交换树脂:-CONH(CH2)3N(CH3)2, -CH2NCH3(C2H5OH)2 两性离子交换树脂:-SO3H+N+(CH3)3X-

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材料
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能 量
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A
成键轨道

=
2
A
-

B
B

=
1
A
+

B
A A-B
B
（孤立原子）（分子） （孤立原子）
轨道能量和形状示意图
材料
( * ) 2
( ) 1
2 (* ) 1 ( )
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下面仅举甲醛分子的例子来说明各种化学键。 O
HC H
第七章 光敏高分子材料
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材料
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7.1 概述
光敏性高分子（photosensitive polymer,
light-sensitive polymer）又称感光性高分子，
是指在吸收了光能后，能在分子内或分子间产生
化学、物理变化的一类功能高分子材料。而且这
种变化发生后，材料将输出其特有的功能。从广
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材料
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感光性高分子作为功能高分子材料的一个重要分支， 自从1954年由美国柯达公司的Minsk等人开发的聚乙烯 醇肉桂酸酯成功应用于印刷制版以后，在理论研究和推 广应用方面都取得了很大的进展，应用领域已从电子、 印刷、精细化工等领域扩大到塑料、纤维、医疗、生化 和农业等方面。
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移动 宽
＞10-6s（长） 10-3s（短）
π →π* 180nm（短）
＞1000 给电子基团使吸收波长向红移
动 窄 10-7～10-9s（短） 10-1~10s（长）
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材料
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根据这些性质上的差别，可帮助我们推测化学 反应的机理。例如，甲醛分子的模式结构图为：

或小分子通过共价键、配位键或离子键结合到 高分子载体上形成的固体催化剂
• 作用是降低化学反应的活化能加快反应速度
• 主要有四类：
• （1）离子交换树脂
• 即高分子酸碱催化剂，在化学反应中取代小分 子酸碱进行应用 8
• （2）高分子金属催化剂 • 高分子负载催化剂：将具有催化作用的金属物质
以物理方式固定到高分子链上得到的高分子金属催 化剂
化学、高分子物理、生物化学、合成材料工艺
学、病理学、药理学、解剖学和临床医学等多
方面的知识，还涉及许多工程学问题，如各种
医疗器械的设计、制造等。上述学科的相互交 融、相互渗透，促使医用高分子材料的品种越 来越丰富，性能越来越完善，功能越来越齐全。
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• 对医用高分子材料的基本要求
医用高分子材料是一类特殊用途的材料。 它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、 体液等接触，有些还须长期植入体内。由于 医用高分子与人们的健康密切相关，因此对 进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严 格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起 来，一个具备了以下七个方面性能的材料， 可以考虑用作医用材料。
人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。否 则，即使各项性能都满足医用高分子的要求，却无 法加工成所需的形状，则仍然是无法应用的。 此外还要防止在医用高分子材料生产、加工工 程中引入对人体有害的物质。应严格控制原料的纯 度。加工助剂必须符合医用标准。生产环境应当具
有适宜的洁净级别，符合国家有关标准。
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医用高分子材料的分类
• 1）按照生物医学用途分类
• 硬组织相容性高分子材料 • 软组织相容性高分子材料
• 血液相容性高分子材料
• 高分子药物
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• 2）按照性能分类

特种高分子材料
有机氟材料，耐热性高分子，各 种功能高分子
＞1000 100～1000
20～80
1 1～2 2～4
1～20
10～100
* 价格比以通用高分子为1计。 精选课件ppt
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2. 科学技术发展的需求
80～90年代，科学技术有了迅速发展。能 源、信息、电子和生命科学等领域的发展，对 高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材 料具有迄今还不曾有过的高性能和高功能，甚 至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材 料。
特种高分子材料：带有特殊物理、力学、 化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征 都大大超出了原有通用高分子材料的范畴。
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从实用的角度看，对功能材料来说，人们 着眼于它们所具有的独特的功能；而对高性 能材料，人们关心的是它与通用材料在性能 上的差异。
特种高分子和功能高分子是目前高 分子学科中发展最快、研究最活跃的 新领域。
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1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的
聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯
一报道的超导性有机高分子。
20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分
子分离膜等技术得到快速发展。
1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性
太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年
发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯
新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、 活性自由基聚合、等离子聚合等等；
新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共
聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合
物、含C60聚合物等等。
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基本概念

A. 丙烯酸钠是高吸水性树脂的主要成分 B. 高吸水性树脂成品是线型结构 C. 二氧化碳和环氧丙烷在催化剂作用下可生成一种可降解的塑料 D. 高分子制成的“人造金属”能够导电导热，所以有金属光泽
随堂练习
2. 下列关于功能高分子材料，说法不正确的是( C )
A. 生物高分子材料、隐身材料、液晶高分子材料等属于功能高分子材料 B. 高分子分离膜可用于海水淡化、分离工业废水、浓缩天然果汁等 C. 高分子药物和有机玻璃都属于功能高分子材料 D. 纤维素难溶于水的主要原因是其链间有多个氢键
聚丙烯纤维很难降解，根据其结构特点，你建议寻找哪类高分子材料替代 聚丙烯？ 聚丙烯纤维特点：无毒、疏水性的线型高分子材料； 可以用聚酯类线型性高分子材料代替，实现可降解；且聚乳酸比普通聚酯类相 比，既能降解，又可再生！
微生物降解材料 聚乳酸
聚乳酸是一种可生物降解的高分子材料，其结构简式如图，主要用于制造 可降解纤维、可降解塑料和医用材料。以淀粉为原料，先水解为葡萄糖，再在 乳酸菌的作用下将葡萄糖转变为乳酸，乳酸在催化剂作用下可聚合成聚乳酸。 聚乳酸材料废弃后，先水解成乳酸，乳酸在微生物和氧气的作用下可生成CO2 和H2O。请用化学方程式表示上述过程。
第五章 第二节 高分子材料
一、通用高分子材料 二、功能高分子材料
第五章 第二节 第二课时 功能高分子材料
一、高吸水性树脂 二、微生物降解材料
三、高分子分离膜
生活答疑
疫情期间曾“一罩难求”，有不法分子用纸张(天然纤维素)代替口罩材料， 你知道如何用简单的方法鉴别真假吗？
纤维素(多糖)
聚丙烯
➢ 加水鉴别吸水性：纸张有亲水基，能吸水；聚丙烯无亲水基，不吸水； ➢ 燃烧法鉴别：纸张燃烧后灰烬易碾碎；合成纤维燃烧时刺鼻呛味，燃烧后

23、一切节省归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
功能高分子材料光敏高分子材料
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克

导电高分子的特性： 既有普通聚合物的机械性能，又有金属
材料的导电性。 如导电橡胶既有普通橡胶的弹性，导电高分子（普通高分子混入导电填料）
结构型导电高分子
是指具有共轭π键，其本身或经过“掺杂”后具
有导电性的一类高分子材料。
Chapter8 Polymer
功 能 : 指从外部向材料输入信号时，材料 内部发生质和量的变化而产生输出的特性。
如，输入光---输出电性能，即光电功能；
1、力学功能 （1）强化功能材料 如超高强材料、高结晶材料。 （2）弹性功能材料。
2、化学功能 （1）分离功能材料 如分离膜、离子交换 树脂等； （2）反应功能材料 如高分子催化剂、高 分子试剂等； （3）生物功能材料 如固定化酶、生物反 应器等。
（4）含甲亚胺结构 （5）聚联吡啶型（无色--绿色）
（6）含茚二酮结构
光致变色高分子的应用
窗玻璃、窗帘：调节室内光线； 护目镜：防止阳光、激光、电焊闪光伤害 军事上：伪装隐蔽、密写信息等。
六、医 用 高 分 子 材 料
1、高分子人造器官： 内脏器官—人造心脏、人造肾脏； 体外器官—人造骨骼、人造血管； 外部器官—假肢。
离子交换树脂的功能： 能与溶液中的阳离子或阴离子进行交换。
离子交换树脂的结构特征： 1、交联的聚合物， 2、功能基可离子化。
如：苯乙烯系强酸性阳离子交换树脂
CH2 CH CH2 CH CH2 CH
SO3 Na
CH CH2
SO3 Na
1、在水处理中的应用 （1）水的软化 （2）水的脱盐 （3）废水处理
光照时发生氢原子转移的互变异构，使得结构发生了变化。 这种变化使得光化学反应前后物质对可见光不同光波的选择 性吸收有所改变，从而使材料发生变色现象。

2. 分类 功能高分子材料
新型骨架结构高分子材料
高分子分离膜
液晶高分子
特殊功能高分子材料导电高分子
医用高分子 高吸水性树脂
3. 高吸水性树脂
高吸水性树脂合成均① 在 的 ②聚它 支 对 以或带 们 链 淀两有的 ， 粉种高 以 、 强单分 提 纤 亲体子 高 维 水共链 它 素 性聚上 们 等 原得再 的 天 子到接 吸 然 团亲上 水 吸的水含 能 水化性力 材合强高料物亲聚进为水物行单性改体原．纤维分为天然纤维和化学纤维，化学纤维又分为人造纤 维和合成纤维。 2．人们将能源、信息工程和材料视为影响社会经济发展和 进步的三大支柱产业，材料是能源和信息发展的基础。 3．人们在探求某种新型高分子材料时，总要研究分子结构 与功能之间的关系。设计出具有特殊功能的高分子以及合成它 的路线和方法。
[判一判] 1.新型高分子材料和传统高分子材料有本质的区 别。 ( )
2．高吸水性树脂中含有亲水性原子团。 ( ) 3．将高吸水性树脂的线型结构连接成体型结构，是为了增 加其吸水性。 ( ) 4．玻璃钢是由高分子树脂和玻璃纤维经过复合工艺而制成 的，故属于复合材料。 ( )
答案：1.× 两者在组成元素、合成反应、结构上无本质 区别，只是在功能和性能上前者更优异。
知识点二 复合材料 1.含义 指_将__几__种__不__同__的__材__料__组合在一起制成的一种新型材料。其 中一种材料作为__基__体__，其他材料作为增__强__材__料__。高分子、金 属、陶瓷等都可作为基体，目前发展最快的是碳纤维作增强 剂。
2．性能 具有__强__度__高__、__质__量__轻__、__耐__高__温__、__耐__腐__蚀____等优异性能， 弥补了单一材料在性能上的缺陷。 3．应用 宇宙航空工业、汽车工业、机械工业、体育用品、人类健 康等方面。

功能高分子化学在高分子化学中地位、相当于精细化工在
化工领域地位，因此有人称功能高分子为精细高分子，指 其产品的产量小、产值高、制造工艺复杂、性能独特。
独特的“功能”
功能高分子化学之所以能成为国内外材料科学的重要研究
热点之一，最主要的原因在于他们具有独特的“功能”，可
以用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能使其成为 具有全新性质的功能材料。
1.5.2 通过物理方法制备功能高分子
聚合物的这种功能化方法可以用于当聚合物或者功能性小 分子缺乏反应活性，不能或者不易采用化学方法进行功能化， 或者被引入的功能性物质对化学反应过于敏感，不能承受化 学反应条件的情况下对其进行功能化。
比如，某些酶的固化，某些金属和金属氧化物的固化等。与 化学法相比，通过与聚合物共混制备功能高分子的主要缺点 是共混物不够稳定，在使用条件下（如溶胀、成膜等）功能 聚合物容易由于功能性小分子的流失而逐步失去活性。
1.3 功能高分子发展的背景
1935年发明了离子交换树脂； 1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认 为高分子材料只能是绝缘体的观念； 20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光 交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重 大突破，特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上 得到广泛应用...... 1966年little提出超导高分子模型，随后在1975年发现了 聚氮化硫的超导性，1993年俄罗斯科学家报道了在经过长 期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体；
（3）功能性小分子通过聚合包埋与高分子材料结合
a）在聚合反应之前，向单体溶液中加入小分子 功能化合物，在聚合过程中小分子被生成的聚合物 所包埋，用这种方法得到的功能高分子材料，聚合 物骨架与小分子功能化合物之间没有化学键连接， 固化作用通过聚合物的包络作用来完成。