功能高分子材料的性能及應(yīng)用

郝麗娜，李瑩瑩，李 俊

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 功能高分子材料概述

功能高分子材料是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來(lái)的新興領(lǐng)域，是一類(lèi)由分子量相對(duì)比較大的長(zhǎng)鏈分子組合而成的具有特殊功能的高分子及其復(fù)合材料，具有電、磁、光、力學(xué)等某一方面特殊的性能。目前的研究主要集中以下方面：光功能高分子、液晶高分子材料、電子功能高分子材料、醫(yī)用功能高分子材料、環(huán)境降解高分子材料、吸附分離功能材料等?，F(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的功能高分子材料主要為：光功能高分子材料，液晶高分子材料以及吸附分離功能高分子材料等。光功能高分子材料主要被應(yīng)用于太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用以及電子工業(yè)等方面。

與傳統(tǒng)材料進(jìn)行比較，功能高分子材料具有諸多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。功能高分子材料能全部有效體現(xiàn)出傳統(tǒng)高分子材料所具備的性能。功能高分子材料還能合理地體現(xiàn)出一些特殊功能的基團(tuán)所具的性能。

2 功能高分子材料國(guó)內(nèi)外研究

2018年10月，龍星宇等綜述了功能化有機(jī)高分子、離子印跡高分子材料的制備及其在金屬離子MSPE分離富集或去除方面的應(yīng)用，并說(shuō)明未來(lái)的研究和發(fā)展方向[1]。

2019年4月，顧陸銘利用靜電紡絲纖維素膜作為中間層，表面涂覆聚乙二醇單甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、交聯(lián)劑三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）的混合漿液，前三者發(fā)生熱引發(fā)自由基共聚形成交聯(lián)聚合物，并與PVDF-HFP構(gòu)成互穿網(wǎng)絡(luò)型聚合物表面涂層，最終與纖維素膜形成3層復(fù)合膜，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的離子電導(dǎo)率和力學(xué)強(qiáng)度均得到明顯提升，在180℃仍具有良好的尺寸穩(wěn)定性。將復(fù)合膜組裝成半電池，電池測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合膜組裝的電池放電比容量可以達(dá)到137mA·h/g，且具有良好的倍率放電性能[2]。

2019年5月，劉志朋等綜述了超支化有機(jī)硅功能高分子的制備，總結(jié)了超支化有機(jī)硅功能高分子在催化劑載體、生物醫(yī)藥材料、耐熱材料、陶瓷前驅(qū)體以及光電材料方面的應(yīng)用，并對(duì)超支化有機(jī)硅功能高分子未來(lái)的發(fā)展作出了展望[3]。

2019年12月，趙越等以選擇透過(guò)性材料作為研究對(duì)象，闡明作用原理，綜述了離子交換膜、碳基高分子復(fù)合材料、金屬有機(jī)骨架材料高分子復(fù)合材料、多金屬氧酸鹽高分子復(fù)合材料、消毒功能高分子等多種類(lèi)型的選擇透過(guò)性材料，并對(duì)其防護(hù)、消毒、透濕等性能進(jìn)行了介紹，提出了選擇透過(guò)性材料的研究發(fā)展方向[4]。

2020年3月，張芬銘從聚合物鍵合藥物方式的獨(dú)特分類(lèi)視角，分別從共價(jià)鍵鍵合以及非共價(jià)鍵合的角度進(jìn)行歸納整理，同時(shí)對(duì)于外界刺激可斷裂型的功能高分子材料進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

2020年4月，Csarnovics István通過(guò)可逆加成斷裂和鏈轉(zhuǎn)移工藝制備帶有側(cè)基吲哚基團(tuán)的功能高分子材料并進(jìn)行表征，所得的功能高分子材料顯示出熱可逆性以及愈合特性。

2020年4月，Prof.Satoshi Horike提出非晶態(tài)和功能性作為配位聚合物的新研究方向，金屬離子和有機(jī)橋聯(lián)配體的結(jié)合，以及液相/玻璃相轉(zhuǎn)化，提供了離子液體和其他離子軟材料制備的可能性。同步加速器的測(cè)量和計(jì)算方法有助于闡明液體/玻璃態(tài)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。提供了調(diào)整孔隙率，電導(dǎo)率，透明度和其他材料特性的機(jī)會(huì)。

2020年4月，耿悅等總結(jié)了各類(lèi)高分子材料圖案化技術(shù)，歸納了高分子圖案化技術(shù)在光電器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對(duì)未來(lái)的發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇進(jìn)行了展望[5]。

3 功能高分子材料在工程中的應(yīng)用

3.1 光電功能高分子材料

光電功能高分子材料其在某一個(gè)相對(duì)固定的背景下，體現(xiàn)出各種光電性能。依據(jù)其功能，可以將其劃分為高分子駐極體、導(dǎo)電高分子材料以及高分子電活性材料等。依據(jù)其組成情況可以將其分成兩大類(lèi)。一類(lèi)屬于復(fù)合功能的材料，另一類(lèi)屬于結(jié)構(gòu)型電功能材料。光電功能高分子材料目前主要被廣泛地應(yīng)用于電子器件以及特殊用途電池生產(chǎn)等方面。在特定的環(huán)境下，光電功能高分子材料可以表現(xiàn)出多種樣式的性質(zhì)，其在電子器件和敏感器件中也有廣泛的應(yīng)用。

光電高分子材料是以有機(jī)高分子材料為基體，加入一定數(shù)量的石墨、金屬粉、碳纖維、金屬纖維、金屬氧化物導(dǎo)電物質(zhì)等組合而成的復(fù)合型的具有導(dǎo)電性的高分子材料。該類(lèi)材料兼具金屬的導(dǎo)電性和高分子材料的易加工特性。此外，光電功能高分子材料還具有電阻率可調(diào)范圍大、加工性好、工藝簡(jiǎn)單、耐腐蝕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)相關(guān)科研人員及相關(guān)行業(yè)幾十年的不斷研究，該領(lǐng)域已經(jīng)獲得長(zhǎng)足發(fā)展，功能高分子光電功能材料的種類(lèi)不斷豐富，推動(dòng)相關(guān)器件性能顯著提高。目前基本可滿足電子紙、微型處理器、柔性顯示、化學(xué)/生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，正推動(dòng)著可印刷、柔性大面積電子學(xué)、可穿戴電子新時(shí)代的快速發(fā)展[6]。

3.2 高分子功能膜材料

高分子功能由于具有選擇性的透過(guò)能力，可以用作膜型材料。通常它還是具有可以將物質(zhì)進(jìn)行分離的特殊性功能的分離膜或者是功能膜。與其他材料相比，高分子功能膜材料由于在膜兩側(cè)的產(chǎn)物為透過(guò)產(chǎn)物和原產(chǎn)物兩種，有利于將選取的產(chǎn)物進(jìn)行收集。另外，在分離的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)異?；蛘呦嘧兡芟牡那闆r。高分子功能膜具有識(shí)別物質(zhì)的和對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離兩大功能，它還具有對(duì)物質(zhì)和能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的功能。在工程應(yīng)用過(guò)程中，其隨著條件不同顯現(xiàn)出特性。

3.3 液晶高分子材料

由纖維和樹(shù)脂在分子水平進(jìn)行微觀復(fù)合組成的液晶高分子材料，其具有高強(qiáng)度、質(zhì)地好、數(shù)量大的優(yōu)勢(shì)，在生活中得以廣泛的應(yīng)用。液晶高分子材料包括：光學(xué)非線性高分子液晶、生物性高分子液晶、光導(dǎo)高分子液晶和高分子液晶膜等。由于它們的特殊性能將會(huì)有非常廣闊的重要應(yīng)用前景。

從應(yīng)用領(lǐng)域分析，液晶高分子材料已成為電子電氣行業(yè)中需求量最大且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。平均年增長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于通訊業(yè)、工業(yè)界及運(yùn)輸業(yè)。其應(yīng)用主要用于光纜結(jié)構(gòu)件、機(jī)械手、復(fù)合材料、功能件、泵/閥門(mén)組件、接插件、開(kāi)關(guān)、繼電器、模塑印刷電路板等，顯著推動(dòng)了液晶高分子技術(shù)及其他高新技術(shù)的發(fā)展。

3.4 醫(yī)用功能高分子材料

某些特殊功能高分子材料，在生物體出現(xiàn)生理系統(tǒng)疾病時(shí)，可以對(duì)疾病起到診斷及治療的作用，達(dá)到有效促進(jìn)生物體功能的恢復(fù)作用。這類(lèi)醫(yī)用功能高分子材料也可以應(yīng)用于生物體的再生損傷組織或者器官，達(dá)到最大限度緩解生物體病情及延長(zhǎng)生命的作用。所以，醫(yī)用功能高分子材料被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中。

醫(yī)用高分子材料已經(jīng)成為新興材料工業(yè)中發(fā)展最快的品種之一，目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的醫(yī)用高分子材料達(dá)到90個(gè)品種以上，具有1 800多種制品，醫(yī)用塑料的年銷(xiāo)售額在31億美元以上。預(yù)計(jì)未來(lái)15a內(nèi)，包括生物醫(yī)用高分子材料在內(nèi)的醫(yī)用功能高分子材料將成為21世紀(jì)世界醫(yī)療器械的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)關(guān)于醫(yī)用功能高分子材料的研究工作及生產(chǎn)規(guī)模，均具有相當(dāng)?shù)牟罹?，主要表現(xiàn)在：研究速度慢，出成果周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品更新快，導(dǎo)致研究速度跟不上產(chǎn)品更新速度；材料品種有限，導(dǎo)致制品規(guī)格不全，不能形成系列化成果；檢測(cè)手段滯后，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差，可降解性差。

4 功能高分子材料發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)功能高分子材料的研究逐步深入，使得功能高分子材料促進(jìn)了其他行業(yè)的發(fā)展，也給我們的生活帶來(lái)了更多的便利。在國(guó)家政策的指引下，國(guó)家對(duì)新材料產(chǎn)業(yè)尤為重視，作為新材料中的功能高分子材料的發(fā)展，必將迎來(lái)快速的發(fā)展。功能高分子材料的發(fā)展趨勢(shì)可概括為：高性能化、高功能化、智能化和綠色化。

高性能化：功能高分子材料的重要發(fā)展趨勢(shì)為增強(qiáng)高分子材料的物理性質(zhì)，如提高耐高溫性、耐腐蝕性、抗老化性等。這對(duì)于功能高分子材料在機(jī)械、交通、汽車(chē)、航天、電子信息技術(shù)和家用電器等行業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。

高功能化：增強(qiáng)高分子材料的原有功能，擴(kuò)展其在更多方向的應(yīng)用。

智能化：利用高分子材料具有的存儲(chǔ)、傳遞、處理信息的功能，這是功能高分子材料研究的重要方向，一旦取得突破，將帶來(lái)高分子智能材料領(lǐng)域和人工智能的飛躍式發(fā)展。

綠色化：改善部分高分子材料具有毒副作用，難以降解的特點(diǎn)，研究環(huán)境友好的，綠色化的功能高分子材料，促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展。

5 結(jié)束語(yǔ)

功能高分子材料優(yōu)異的性能可帶來(lái)各個(gè)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，甚至質(zhì)的飛躍，在各行業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)收益和社會(huì)效益，并促使新產(chǎn)品的出現(xiàn)。功能高分子材料具有較強(qiáng)的力學(xué)性能及其他優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，在現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展方面可以大范圍的推廣和應(yīng)用，在機(jī)械加工、電子、航空航天、船舶制造和兵器工業(yè)等行業(yè)也有廣泛應(yīng)用前景。