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一文带你了解功能高分子材料的分类、应用和发展前景
日期:2022-06-27 

功能高分子材料源于20世纪60年代末期,通过在高分 子上修饰反应基团,使其具有化学反应活性、催化活性、导电性及生物相容性等特殊功能。相较于传统高分子材料,功能高分子材料不仅具备理化特性,还因经修饰的特殊基团而具有其他特殊性能,备受瞩目。

当今研究的热点主要是功能高分子的性能与其结构的联系,通过不断研究开发功能高分子的新型结构及合成方法,筛选出具有更多功能的新兴功能高分子,拓宽功能高分子材料的应用领域。随着科技的进步,功能高分子材料领域正进行创新和发展以服务社会。

一、功能高分子材料的分类

功能高分子材料兼具传统高分子材料的性能和特殊修饰基团带来的特性,按功能特性可以分为具有反应型、光、 电、生物医用、环境降解、形状记忆、吸附分离、液晶、导热等功能的高分子材料,按照结构可以分为主链型、侧链型和接合型3种。

1.反应型功能高分子材料

反应型功能高分子材料通过将反应活性中心或催化性中心接枝到高分子链上,达到将小分子试剂或催化剂高分子化的目的,主要包括高分子催化剂和高分子试剂等。

2.光功能高分子材料

光功能高分子材料具有将光吸收、存储和转换的能力,主要包括光敏涂料、荧光剂、光转化材料、光致变色材料和光导材料等。

3.电功能高分子材料

电功能高分子材料主要依靠自身提供的导电载流子导电或者通过添加炭黑、金属粉、箔等实现导电,主要包括聚乙炔、线型聚苯以及各类导电塑料、橡胶、涂料和薄膜等。

4.生物医用功能高分子材料

生物医用功能高分子材料主要用于诊疗疾病,还可以充当生物体组织器官的替代品或者起到辅助作用的材料,主要应用于人工器官、药物释放、生物组织工程等领域。

5.环境降解功能高分子材料

环境降解功能高分子材料是指通过一定手段可以降解的高分子材料,被广泛应用于生物工程和医用降解高分子材料等学科领域。

6.形状记忆功能高分子材料

形状记忆功能高分子材料是指改变并固定形状后,通过改变外界条件(温度、pH、电场力等)能恢复初始形状的材料,主要有热感、电感、光感和化学感应型,被广泛应用于包装、建筑等行业。

7.吸附分离功能高分子材料

吸附分离功能高分子材料是具有吸附功能的高分子材料,主要有离子交换树脂和吸附树脂等。

8.液晶功能高分子材料

液晶功能高分子材料主要来自纤维基体和树脂基体的宏观复合,液晶高分子材料强度较高、热胀系数较小、电光学性质较好,主要用于制作液晶显示、复合材料,在电子工业有广泛的应用。

9.导热功能高分子材料

导热功能高分子材料是指具有良好导热性能的高分子材料,主要有高导热绝缘胶黏剂等。

二、功能高分子材料的应用

功能高分子材料由于功能较多,在生产生活中应用广泛。因此,功能高分子材料近年来逐渐朝着多功能化方向发展,电磁材料、导电材料、光热材料等相继出现。

反应型功能高分子材料主要应用于化学合成和化学反应,特点是具有高反应活性、高选择性和专一性。光功能高分子材料只有交联光和分解光的功能,在受到物理作用和化学作用的情况下,会表现出与光相同的特性,如光稳定剂、光敏涂料、荧光剂、光转化材料、光致变色材料和光导材料,主要应用于光导纤维、太阳能、集成电路和光电池等,在电子工业领域以及太阳能的开发利用等方面得到了广泛的应用。电功能高分子材料被广泛用于生产特殊用途的电池,例如电子器件以及敏感器件等。

生物医用功能高分子材料在生物体出现生理系统疾病时,可以对疾病起到诊断及治疗的作用,有效促进生物体功能的恢复,不仅能对局部组织和器官起到再生作用,还能减轻痛苦、延长病人寿命,提高病人的生活质量。

近年来,高分子材料的发展非常迅速,应用也日益广泛,但在自然环境中很难分解,造成了大量白色污染。因此,发展可降解高分子材料成为必然趋势。环境降解功能高分子材料在食品包装盒、医药领域的应用潜力巨大。

形状记忆功能高分子材料具有质量小、形变量大、成型容易等优点,被用于医疗、包装、建筑等领域。离子交换树脂作为代表,在化学工程、环境工程中是常用的吸附分离材料,高吸水性树脂还能吸收大量的水,可用作农业、园林、苗木移植用保水剂。

得益于电器行业的迅猛发展,液晶功能高分子材料近年来发展势头迅猛,远超通信业、工业及运输业,主要用于制作光缆结构件、机械手、复合材料、功能件、泵/阀门组件、 接插件、继电器、模塑印刷电路板等,显著促进了液晶功能高分子材料及其他高新科技的发展。导热功能高分子材料应用广泛,在航空航天、日化领域均有涉及。

在生物医用中,功能高分子材料(如反应型、生物医用 和环境降解型功能高分子材料)的应用较为广泛,包括人工器官、药物释放、生物组织工程等领域。生物相容性较好的功能高分子材料在器官移植领域贡献突出,如我国自主研发的高分子材料髋关节,排异反应小、相容性好,病患受益显著。生物医用中较为常见的还有医用塑料等,在医疗器械中作为原材料占比超过15%。

在化学工业的生产中,离子交换树脂、大孔吸附树脂等 有机活性材料和其他特殊功能的高分子材料早已被广泛应用,高分子酶将现阶段人们普遍使用的高温、低压反应转化为常温、低压的反应,为我国的化学工业发展带来一次质的飞跃。高效率的高分子分离膜给化工制造打下了良好的基础。功能高分子材料还可以通过制备相关传感装置优化工业的自动化控制,表明化学工业领域是功能高分子材料充分 应用的重要场所之一。

在电子工业领域,功能高分子材料在集成电路制造和有机电子器件制作中均有应用。例如光敏抗蚀剂与光敏胶可用于集成电路的制造,随着社会的发展,对其性能提出了更高的要求。其中,感光树脂能起到很好的抗腐蚀作用,用化学腐蚀法去除和保留半导体氧化层功效显著。

在信息领域,信息储存介质可以用液晶高分子材料制作,现阶段研究的主要内容是以热熔型侧键液晶聚合物为材料制作信息存储介质。相较于光盘存储,其可靠性高、质地坚硬,可作为重要数据的长久存储方式。同时,高分子液晶在电子工业领域也有广泛应用。

三、功能高分子材料的发展前景

随着社会的发展和科技的进步,功能高分子材料的研究不断深入。国内外都开始对新型有机功能高分子材料展开深入的开发和研究,不仅给人们的生活带来了一定便利, 还推动了社会的发展。

目前,我国高分子材料相关研究内容主要体现为材料的安全性、对组织和血液的相容性、生物学性能,提高了力学、机械、物理等性能。功能高分子材料不局限于此,朝着绿色化、智能化、多功能化和高性能化方向发展。

(1)功能高分子材料的绿色化。高分子材料由于自身特性,很难被自然界降解,造成的污染日益严重,这也严重制约了高分子材料的发展。功能高分子材料的绿色化使其能被自然界降解或者通过其他方式降解,有助于社会和谐发展、保护绿水青山、建设环境友好型社会。

(2)功能高分子材料的智能化。21世纪是信息的世纪,也是智能的世纪,智能化已经成为研究的热点,利用功能高分子材料存储、传递、处理信息的功能,是功能高分子材料研究的重要方向,一旦取得突破,将带来高分子智能材料领域和人工智能领域的飞跃式发展。

(3)功能高分子材料的多功能化。功能高分子材料增强了高分子材料的原有功能,实现更多方向的应用是多功能化的目的,同时有利于拓宽功能高分子材料的发展空间。随着科技的发展,兼有数种功能的高分子材料一定会被研发出来。

(4)功能高分子材料的高性能化。功能高分子材料的特性在于理化性质,增强理化特性是功能高分子材料的重要发展方向之一。例如对其进行耐腐蚀、耐高温、抗老化等方面的研究,在航空航天、电子工业、汽车交通、家电等领域具有重要意义。

除上述4个方面外,在应用传统材料的基础上,有学者开发出具有特殊功能的高分子材料,如具有隐身功能的高分子材料、具有生物相容性的高分子材料等,不仅具有科学意义,还具有战略意义。还有学者研发了智能高分子水凝胶,被广泛应用于传感器、驱动器、药物载体和生物催化等领域。

四、结语
功能高分子材料种类繁多、应用广泛、前景广阔。随着社会的不断发展,功能高分子材料不断进步,应用领域也从材料领域拓展到化工、电子、航天、 交通、医学、信息等领域。功能高分子材料优异的性能可带来各个领域的技术进步,甚至实现质的飞跃,在各行业产生巨大的经济效益和社会效益,推动新产品面市。

功能高分子材料的发展将推动我国科学技术的发展,在激烈的竞争中,为中国科技带来新的发展机遇。我国对功能高分子材料的研究起步晚,但是随着综合国力的提升、科技的进步,在此领域也取得了不少成果,但是不应固步自封,而要对各类高分子材料进行改进和完善,加大投入力度,促进我国各领域稳定持续发展。

功能高分子科学的发展是必然的,应顺应形势,认识到发展的必然性,适应客观需求,在此基础上做好科学的规划,促进我国功能高分子材料领域的发展。