现代高分子材料综述(非常好!!)

现代高分子材料综述

材料学王晓梅学号：112408

摘要

高分子材料作为新时期的全新全能型材料，是现代人类发展的重要支柱，是发展高新科技的基础与先导，高分子材料的应用将会使人类支配改造自然的能力和社会生产力的发展带到一个新的水平，对人类的发展将会出现前所未有的促进。本文将从高分子材料的定义、主要种类、应用和以塑料为例介绍与人类生活息息相关的高分子材料的相关常识。本文综述了各类高分子材料的研究及发展，主要论述了导电高分子材料、功能高分子材料、工程高分子材料、复合高分子材料以及生物高分子材料等应用领域。

前言

高分子材料是由相对分子质量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分制成的物质。一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百，高分子化合物是通过小分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物。巨大的分子质量赋予这类有机高分子以崭新的物理、化学性质：可以压延成膜；可以纺制成纤维；可以挤铸或模压成各种形状的构件；可以产生强大的粘结能力；可以产生巨大的弹性形变；并具有质轻、绝缘、高强、耐热、耐腐蚀、自润滑等许多独特的性能。于是人们将它制成塑料、橡胶、纤维、复合材料、胶粘剂、涂料等一系列性能优异、丰富多彩的制品，使其成为当今工农业生产各部门、科学研究各领域、人类衣食住行各个环节不可缺少、无法替代的材料[1]。

由于高分子化学反应和合成方法对高分子化学学科发展的推动，促进了高分子合成材料的广泛应用。同时，随着高分子材料的发展，纳米技术与生物技术之间的界限变得越来越小，并与更多的传统分子科学与技术相结合。因此，我们相信，高分子技术的发展促使使各类高分子材料得到更加迅速的发展，推广和应用。

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1 高分子导电材料

与传统导电材料相比较,导电高分子材料具有许多独特的性能。导电高聚物可用作雷达吸波材料、电磁屏蔽材料、抗静电材料等。介绍了导电高分子材料的结构、种类及导电机理、合成方法、导电高分子材料的应用、研究现状及发展趋势。

1976 年美国宾夕法尼亚大学的化学家Mac Diarmid 领导的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔(Polyacetylene ,简称PA)具有类似金属的导电性以后,人们对共轭聚合物的结构和认识不断深入和提高,新型交叉学科——导电高分子领域诞生了。在随后的研究中科研工作者又逐步发现了聚吡咯、聚对苯撑、聚苯硫醚、聚噻吩、聚对苯撑乙烯撑、聚苯胺等导电高分子。导电高分子特殊的结构和优异的物理化学性能使它成为材料科学的研究热点,作为不可替代的新兴基础有机功能材料之一,导电高分子材料在能源、光电子器件、信息、传感器、分子导线和分子器件,以及电磁屏蔽、金属防腐和隐身技术上有着广泛、诱人的应用前景。到目前为止,导电高分子在分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、可溶性和加工性、导电机理、光、电、磁等物理性能及相关机理以及技术上的应用探索都已取得重要的研究进展。

1.1 导电高分子材料的构成

根据加入基体聚合物中导电成分的不同,复合型导电高分子材料可分为两类:填充复合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料。

填充复合型导电高分子材料一般是将抗静电剂及各种导电材料加入到基体聚合物中复合而成。抗静电剂多为极性或离子型表面活性剂;导电材料主要有碳系材料、金属系材料、金属氧化物系材料、各种导电金属盐类物质以及复合填料等。共混复合型导电高分子材料是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混,它们是抗静电材料和电磁屏蔽材料的主要用料,其用途十分广泛。

1.2 导电机理

高分子导电复合材料的导电机理比较复杂。自从导电高分子复合材料出现后，人们对其导电机理进行了广泛的研究，目前比较流行的有三个理论：一是宏观的渗流理论，即导电通道学说；二是微观量子力学的隧道效应理论；三是微观量子力学的场致发射效应理论。

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1.2.1 结构型导电聚合物导电机理

物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程。高分子聚合物导电必须具备两个条件: (1) 要能产生足够数量的载流子(电子、空穴或离子等);(2) 大分子链内和链间要能够形成导电通道。在离子型导电高分子材料中，聚醚、聚酯等的大分子链呈螺旋体空间结构,与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下,就能够在螺旋孔道内通过空位迁移(“自由体积模型”) ; 或被大分子“溶剂化”了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散(“动力学扩散理论”) 。

对于电子型导电高分子材料,作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系(至少是不饱和键体系) ,长链中的π键电子较为活泼,特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后,容易从轨道上逃逸出来形成自由电子。大分子链内与链间π电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下,便可传导电流。

1.2.2 复合型导电高分子材料

（1）填充型材料的导电机理

目前,关于复合型导电高分子材料导电机理研究报道的较多,人们从多方面进行了广泛深入的研究,建立了许多数学模型或物理模型。目前比较流行的有3 种理论: (1)是宏观渗流理论,即导电通路学说; (2)是微观量子力学隧道效应理论; (3)是微观量子力学场致发射效应理论。

1) 渗流理论:这种观点认为,当复合体系中导电填料用量增加到某一临界用量时,体系电阻率急剧下降,体系电阻率—导电填料用量曲线出现一个狭窄的突变区域,在此区域内导电填料的任何微小变化都会导致电阻率显著变化,这种现象称为渗滤现象,导电填料的临界用量通常称为渗滤值。

图1 高分子导电复合材料的体积电阻率与导电填料含量的关系

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2) 隧道效应理论:该理论认为复合体系在导电填料用量较低时,导电粒子间距较大,混合物微观结构中尚未形成导电网络通道,此时仍具有导电现象。这是因为此时高分子材料的导电性是由热振动电子在导电粒子之间的迁移造成的,导电电流是导电粒子间间隙宽度的指数函数。隧道效应现象几乎仅仅发生在距离很接近的导电粒子之间,间隙过大的导电粒子之间没有电流传导行为。

3) 场致发射效应理论:该理论认为,当复合体系中导电填料用量较低,导电粒子间距较大、导电粒子内部电场很强时,电子将有很大几率飞跃树脂界面势垒跃迁到相邻电子离子上,产生场致发射电流,形成导电网络。

图2 是高分子导电复合材料的等效电路模型

综上所述,导电通路机理、隧道效应机理和场致发射机理在复合材料中是同时存在的,但在不同条件下可以某一种或某两种为主。在临界体积以上材料以导电通路为主要传导方式,即以渗流理论表现为主导;若导电填料用量较低和外加电压较小时,孤立粒子或聚集体的间隙较大而无法参与导电,热振动受激电子发生跃迁,形成较大隧道电流;填料浓度较低、粒子间内部电场很强时,基体隔层相当于内部分布电容,场致发射机理更为显著。

（2）共混复合型导电机理

共混复合型导电高分子材料是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混，这类结构型导电高分子材料主要包括聚苯胺、聚乙炔、聚毗咤、聚对苯撑、聚噬吩、聚喳琳、聚对苯硫醚等共扼性高分子。这些高分子由于结构中含有共扼双键，二电子可以在分子链上自由运动，载流子迁移率很大，因而这类材料具有高电导率。从根本上讲，这类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料，但由于这类高分子一般分子刚性大、难溶难熔、成型困难、易氧化和稳定性差，无法直接单独应用，因而一般只是作为导电填料，与其它高分子基体进行

共混制成。所以起导电机理可以归结为构型新导电高分子类。

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1.3 电磁屏蔽效能分析

由于高分子导电复合材料具有成型加工和屏蔽一次完成的特点，从而可以大大缩短工艺过程，降低生产成本，便于大批量生产，提高产品的可靠性，因此是目前最有发展前途的新型电磁屏蔽材料。高分子导电复合材料的电磁屏蔽效能主要受导电填料、高分子基体以及制备工艺的影响。

1.3.1 导电填料的影响

电磁屏蔽用高分子导电复合材料的导电填料主要是一些导电性能优良的金属粉末、金属片或金属纤维，镀金属的碳纤维、石墨纤维、云母以及碳黑和石墨等非金属填料。仅从单一物质的导电性而言，使用金属粉末或金属片当然是既有效又经济的选择。当需要特别高的电导率时，最好选用银粉或金粉作导电填料。但由于银粉或金粉价格昂贵，仅限于某些特殊场合下使用。铜是优良的导电体，且价格适中，但它容易被氧化而降低导电性能。为了解决这一问题，通常采用抗氧化剂对铜粉进行表面处理，抗氧化剂包括有机胺、有机硅、有机钛、有机磷等化合物；或用较不活泼的金属包覆铜粉表面，如在铜粉上敷一层镍或在铜粉上镀银，或采用铜粉和镍、银混合使用，均可达到理想的屏蔽效能。铝片则具有密度小、颜色浅、价格低等优点，并具有较大的长径比，容易在高分子基体中形成导电网络，但是铝的导电性不太高。

导电填料的形态（尤其是长径比）对高分子导电复合材料的屏蔽效能有显著的影响。长径比越大，则导电性越好。此外，导电填料的表面形态以及在高分子基体中的分散状况也会影响复合材料的屏蔽效能。若采用多孔质、比表面大以及分散性好的导电填料，更容易获得较好的屏蔽效能。

在高分子导电复合材料中，当导电填料用量较少时，填料分散在高分子基体中互相接触很少，故导电性较差。随着导电填料用量的增加，填料之间相互接触的机会增多，使导电性逐渐提高。当导电填料达到“渗滤阈值”时，导电通路就会形成。有时为了达到一定的屏蔽效能，导电填料的填充量必须达到一定的要求，但将会导致复合材料力学性能的下降。

1.3.2 高分子基体的影响

高分子作为复合材料的连续相和粘结基体，其种类和结构对材料的屏蔽效能也有明显的影响。一般说来，以不同种类高分子材料为基体制成的复合材料，随着高分子材料表面张力的减小，其导电性能和电磁屏蔽效能相应提高；而对于同

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一种类高分子材料为基体的复合材料，其导电性能随高分子黏度的降低而升高。

高分子基体的结晶度越大，则导电性能越好。这可以理解为，导电填料主要分布在高分子基体的非晶区，所以当结晶相比例增大时，在填料用量相同的情况下，高分子非晶区中导电填料的含量就相对增大，导致形成导电通路的几率加大。

1.3.3 制备工艺的影响

高分子导电复合材料的导电性能和屏蔽效能很大程度上取决于导电填料与高分子基体的分散状况和导电结构的形成过程。为保证各组分充分混合，复合体系必须进行混炼，但混炼往往又会破坏导电填料的组织结构，从而影响导电性能。因此，选择合理的混炼工艺参数和混炼设备的技术参数对高分子导电复合材料具备良好的电磁屏蔽效能十分关键。影响高分子导电复合材料电磁屏蔽效能的因素是多种多样的。除上述因素外，复合体系中的各种助剂、成型加工模具、使用环境及使用时间等都会在一定程度上影响复合材料的屏蔽效能[3- 4]。

1.4导电高分子材料的应用

1.4.1雷达吸波材料

与传统材料相比优点:

电磁参量可控，通过改变导电聚合物的主链结构、掺杂度、对阴离子的尺寸、制备方法等来调节导电聚合物的电磁参量,以满足实际要求。表观密度低。导电聚合物的密度都在1.1～1.2g/2

cm。易加工成型。导电聚合物可被加工成粉末、薄膜、涂层等,为其应用提供了便利条件。

目前这类材料作为吸收雷达波的应用还未进入实施阶段。随着“模块合成”、“分子沉积法”、“扫描微探针电化学”等制备导电聚合物微管和纳米管的方法相继出现以及计算机模拟分子设计技术的日趋成熟,导电聚合物必将作为舰船和武器装备的吸波材料得到广泛的应用。

1.4.2 电磁屏蔽材料

导电塑料代替金属作为电子产品的外壳可以有效的起到电磁屏蔽作用,且质量轻、耐腐蚀。

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1.4.3 显示材料

电解合成的导电高分子材料可以进行电化学脱掺杂和再掺杂,发生还原可逆的电化学反应。电化学脱掺杂使导电型高分子材料变为绝缘体,氧化掺杂又使绝缘体变为导电体。并且高分子材料的导电性随脱掺杂与掺杂的程度不同而变化。通过控制电量,高分子材料的导电度可以在导电体、半导体、绝缘体之间任意变动,并且随着导电度的变化,高分子材料的光学特性也发生变化。利用这一特性,高分子材料可以用作显示材料。最大优点是容易得到多种色调,如在盐酸酸性水溶液中,聚苯胺的氧化体为绿色,还原体为淡黄色。

1.4.4 电导体

经过复合得到的导电硅橡胶与金属导体相比具有: (1)优良的加工性能,可批量生产; (2)柔软、耐腐蚀、低密度、高弹性; (3)可选择的电导率范围宽; (4)价格便宜等特点。因此,在各种发酵用容器加温、冰雪融化、防止盥洗室镜子和复印机的沾露及除湿等方面已得到广泛应用。同时它还具有保存中电阻变化小,混炼后电阻增加少,耐热、耐寒、耐气候、永久压缩形变特性等特点。现在它已经成为用量最大的导电橡胶。

1.4.5 导电液晶材料

液晶高聚物材料具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率以及良好的介电性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能。具有与π电子结构相关联的线性聚烯烃和芳杂环等的共轭聚合物通过分子改性可以获得导电液晶聚合物,并且这些材料具有可溶性和可加工性。

1.4.6 催化剂载体

利用杂多酸对导电高分子的氧化或掺杂作用可将具有催化活性的凯金型或道森型杂多酸催化剂固定在聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺的粉末,此时导电高分子可视为一种新的催化剂载体,能提高杂多酸的催化性能。

1.4.7 气体分离膜

现代气体分离技术中,膜分离技术由于能耗和成本比其他分离方法低,并且

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无环境污染,因而十分引人注目。已广泛应用于石油开采、化工、食品包装、保鲜、炼油厂、废气回收、工业燃烧炉节能以及环保等方面。

1.4.8 其他

导电聚合物还可以作为抗静电材料、二次电池的电极材料、太阳能电池材料、电致变色材料、自然温发热材料等,在此方面的研究已取得了很大程度的进展,

1.5 展望

高分子导电复合材料作为一种新兴的功能材料不仅具有非常重要的理论研究价值，同时也具有极为广阔的应用前景。研究高性能、具有特殊功能的新型复合材料是高分子导电复合材料进一步的发展方向。近年来，科研人员提出了“超级木材”的（SUPER-WOOD）新概念[5]，即采用有机、无机处理剂以及特殊的处理方法来处理木材。为此，利用破碎木材或边角料以及高分子材料作为复合材料基体生产出的新型高分子导电复合材料不仅具有以往高分子导电复合材料的一些特点和性能，而且做到了废物再利用，同时对大规模实现绿色环保以及拓宽功能材料种类和应用具有重要的现实意义。

导电材料出现以后,人们开发了一系列的具有优异性能的导电聚合物,对这类物质的导电行为有了进一步的了解。近年来,科研工作者又在高强度导电高分子、可加工导电高分子领域开展大量研究工作,并取得了很大的进展。

今后导电高分子的发展趋势为:

合成具有高导电率及在空气中长期稳定的导电聚合物,其中特别值得重视的是可加工的非电荷转移(单组分) 结构型导电聚合物的研究。

有机聚合物超导体的研究。

对有机材料电子性能的研究,另一重要目标是开发出具有无机材料不可代替的新一代功能材料。导电聚合物的研究使人们对有机固体的电子过程了解更加深入。

今后,人们将在此基础上向有机导电材料的各个领域开展新的研究,为在本世纪末或下世纪初实现更高密度的信息处理材料,更高效率的能量转换和传递材料而努力。

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2 功能高分子材料

近30年来，高分子化学与高分子材料工业发展迅猛，功能高分子材料也得到了蓬勃发展。所谓“功能”[6]是指这类高分子除了机械特性外，另有其他功能。例如:光、电、磁性能，对特定金属离子的选择螯合性, 以及生物活性等, 这些都与高分子材料中具有特殊结构的官能团密切相关。功能高分子的独特性使其在诸多领域得到了广泛应用并具有巨大的发展潜力，引起了人们的广泛关注。

功能高分子是高分子化学的一个重要领域，它是研究各种功能性高分子材料的分子设计和合成、结构和性能关系以及作为新材料的应用技术。它主要包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电、磁功能高分子材料、声功能高分子材料、高分子液晶、医用高分子材料几部分，这一领域的研究主要包括研究分子结构、组成与形成各种特殊功能的关系，也就是从宏观乃至深入到微观，以及从半定量深入到定量，从化学组成和结构原理来阐述特殊功能的规律性，从而探索和合成出新的功能性材料。

2.1. 功能高分子材料简介

功能高分子是20 世纪60 年代末迅速发展起来的新型高分子材料。功能高分子的内容丰富、品种繁多、发展迅速, 已成为新技术革命必不可少的关键材料, 必将对21 世纪人类社会生活产生巨大影响。

2.1.1 功能高分子材料的定义

对物质、能量和信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高分子材料, 通常也可简称为功能高分子, 有时也称为精细高分子或特种高分子(包括高性能高分子)[7]。

对功能高分子材料，目前尚未有明确的定义，一般认为是指除了具有一定的力学功能之外还具有特定功能（如导电性、光敏性、化学性和生物活性等）的高分子材料，所谓材料的功能，从根本上说，是指向材料输入某种能量，经过材料的传输转换等过程，再向外界输出的一种作用。材料的这种作用与材料分子中具有的特殊功能的基团和分子结构分不开的。

请注意，不可将功能高分子和功能高分子材料混为一谈，这两者是有明显区别的。功能高分子材料从组成和结构上可以分为结构型和复合型两大类。结构型功能高分子材料是指在高分子链中具有特定功能基团的高分子材料，这种材料所

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表现的特定功能是由高分子本身的因素决定的。构成结构型功能高分子材料中的高分子叫功能高分子，而复合型功能高分子材料，是指以普通高分子材料为基体或载体，与具有某些特定功能（如导电、导磁）的其它材料进行复合而制得的功能高分子材料，这种材料的特殊功能不是由高分子本身提供的。

2.1.2 功能高分子材料的分类

功能高分子材料分为两类: 一类是在原来高分子材料的基础上, 使其成为具有更高性能和功能的高分子材料, 另一类是具有新型功能的高分子[8]。

高分子材料按其使用性能可以分为结构高分子材料和功能高分子材料，结构高分子材料具有较高的比刚度和比强度，可以代替金属作为结构材料，如我们熟知的工程塑料和聚合物基复合材料。

功能高分子材料涉及范围广、品种繁多，还未有统一的分类方法，一般按其使用功能来分类，大致可以分为以下几类：

（1）化学功能高分子材料

主要包括离子交换树脂，高分子催化剂、高分子试剂、螯合树脂、高分子絮凝剂和高吸水性树脂等。

（2）光功能高分子材料

主要包括感光高分子材料、光导材料、光致变色材料、光电材料、光记录材料等。

（3）电、磁功能高分子材料

说要包括导电高分子材料、超导高分子材料、压电和热电高分子材料、高分子驻极体、磁功能高分子材料等。

（4）声功能高分子材料

主要包括吸音功能高分子材料，声电功能有高分子材料等。

（5）生物和医用高分子材料

主要包括人工器官材料、骨科和牙科材料、药物高分子材料、固定酶、传感器、医用粘合剂，可吸收的缝合材料及仿生高分子材料。

值得注意的是，有些功能高分子材料同时兼有多种功能，而且不同功能之间还可以相互转换并交叉，如光电功能的高分子材料可以说具有光功能，也可以说具有电功能，因此以上划分是相对的。

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功能高发子材料除按其功能分类外，还可按其来源分为天然功能高分子材料，半合成功能高分子材料和合成功能高分子材料三大类。

2.1.3功能高分子材料的功能设计原理与方法

所谓功能设计，就是赋予高分子材料特殊功能的方法，其主要途径是：

（1）通过分子设计合成功能高分子。这里包括高分子结构设计和官能团设计。为此目的，必须掌握高分子结构与功能性之间的关系。例如，在高分子结构中引入感光功能基团，就可以合成感光高分子，分子设计完成后，就是选择合适的合成方法。合成主要有两种途径，一是含有功能基的单体经过加聚或缩聚等反应制备，二是利用现有的高分子，通过高分子化学反应引入预期的功能基。

由功能基单体制备功能高分子的优点是功能基含量高，（每一个链节都含有功能基），功能基在分子链上分布均匀。但带功能基的单体合成比较困难，功能基和可聚合的基团都有活性，在合成过程中要注意保护，因此这些单体比较贵。利用高分子化学反应制取功能高分子。优点是高分子骨架是现成的，可选择的高分子固体多，价格低、来源广。但在进行高分子化学反应时，反应不可能百分之百完成，尤其在多步化学反应中，功能基含量低，在分子链上分布也不均匀。尽管如此，目前功能高分子大多还是通过高分子化学反应制备。

（2）通过特殊加工赋于高分子材料功能特性，如高分子材料通过薄膜化可制得各种分离膜，而这些分离膜可广泛应用于渗透、透析、超滤等分离工艺中，还有一些高分子材料通过纤维化可制光学纤维等。

（3）通过两种或两以上具有不同功能的材料进行复合，制成复合型功能材料，这是目前制备功能材料使用最广泛的方法，这种方法工艺简单、材料来源丰富、成本低。例在绝缘高分子材料中加入导电填料（碳黑、金属粉末或金属丝）可制得导电高分子材料。如果加入磁性填料（如铁氧体或稀土类磁粉）则可制成高分子磁性材料。

2.2. 功能高分子材料发展现状

2.2.1 具有光、电、磁功能的高分子材料

（1）光功能高分子材料

光功能高分子材料是指能够对光进行传输、吸收、贮存、转换的一类高分子材料。例如：感光树脂、光致变色材料、光导纤维、光学塑料等。其发展现状可

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以从以下三个方面来看:第一, 光导纤维目前以20%的年增长率迅速发展, 今后的发展重点是开发低光损耗、长距离光传输的光纤制品;第二, 光导高分子在光照时能引起电阻率的明显下降,已取代硒鼓, 成为复印机、激光打印中的关键材料;第三, 功能高分子在太阳能转换中的应用是当前国际上的研究热点, 研究方向包括光热转换、光化学转换和光电转换三个方面。

（2）电功能高分子材料

包括:导电、压电、超导材料, 可用于输电、电池、IC 电路、精密机器、武器制造等尖端技术领域[4]。

在高聚物中，载流子可以是电子、空穴，也可以是正负离子，一般说，大多数高聚物都存在离子电导，首先是那些带有强极性，原子或基团的化合物，由于本身解离，可以产生导电离子。此外，在合成、加工和使用过程中，进入高聚物材料中的催化剂、各种添加剂、填料及水分和其它杂质的解离，都可以提供导电离子，特别是在没有共轭双键的电导率很低的那些非极性高聚物中这些外来离子是导电的主要载流子，这些高聚物导电主要是离子电导。

许多具有大共轭双键的化合物，聚合物中的电荷转移络合物，聚合物的离子自由基络合物和金属有机络合物等则有很强的电子电导。

含有大共轭体系的聚合物导电，主要是π电子轨道互相交迭，使π电子具有类似于金属中自由电子的特征，可以在共轭体系内自由运动。

导电功能高分子材料可分为两大类: 一类是复合型导电材料, 另一类是分子结构本身具有导电的功能高分子。导电功能高分子材料在半导体材料、防静电材料、导电性材料、超导功能材料等许多领域中应用。目前研究较多的导电高分子有聚乙炔(PAC)、聚苯胺(PAN)、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚对苯撑(PPP)、聚苯基乙炔(PPV)等[9]。

压电功能高分子由发现聚偏氯乙烯具有压电性开始, 报道较多的是高分子—陶瓷复合体和聚偏氟乙烯压电膜, 这种功能高分子除具有优异的压电特性外, 还具有热释电效应, 可广泛地用于武器、电声、超声、诊断医疗传感器、无损测试、地震预报等诸多领域。

（3）磁功能高分子材料

相对于光、电功能而言, 磁功能高分子材料的研究开发要晚得多。可分为两类:一类是多自由基聚合物, 不成对电子贡献于聚合物的磁性; 另一类是有机化合物为配位体的过渡金属螯合型高分子化合物。前者属于有机抗磁体, 后者是将顺磁性过渡金属离子引入到高分子的主链或侧链, 通过金属离子与有机基团中不成对电子间长程有序自旋获得具有金属离子性的磁性材料。

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2.2.2 高分子分离膜

膜分离技术作为化工新技术之一, 用于分离那些难以分离、浓度低的物质, 是一种低能耗、低成本的单元操作, 可用于加工高纯产品, 在化工、医药、食品加工、气体分离和生物工程等方面获得了广泛的应用。主要有微滤膜、超滤膜、反渗透膜、气体分离膜、电渗透膜、渗透汽化膜和透析膜等。

2.2.3 生物医用功能材料

生物医用高分子主要分医用高分子、药用高分子和仿生高分子三大类。目前, 除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作, 有治疗保健作用的功能高分子也在开发之中。对生物医用高分子材料除了要求具有医疗功能外, 还要强调安全性, 即不仅要治病, 还要对人体健康无害。目前在血液相容性高分子、组织相容性高分子、生物降解吸收高分子、硬组织材料用高分子和生物复合高分子材料、医用高分子现场固化材料、医用粘合剂、固定化酶、高分子药物释放和送达体系等都有相应的研究, 并取得了初步成果[10]。

2.2.4 液晶高分子材料

液晶高分子通过熔融或溶解可以形成液晶态,分为3 种类型: 经成型加工而实现优良的分子排列结构的主链型; 将液晶基团规则地配置在侧链或末端, 通过电场或磁场作用而控制分子排列的侧链型;还有通过引入含有抑制成分的液晶化合物而具有不对称识别功能和强感光性的光学活性液晶。

2.2.5 化学功能高分子材料

(1)高分子絮凝剂

基本原理：为了加速悬浮离子的沉降，必须设法破坏粒子在体系中的稳定性，促使其碰撞，以达到增大其粒子因次的目的，这就是絮凝作用的基本原理。

高分子絮凝剂的絮凝机理：在稳定的胶体分散体系中，一个长链大分子可同时吸附两个或几个胶粒，或是一个胶粒可同时吸附两个高分子链。因而可以以架桥的形式把胶粒裹集起来而聚沉。也可能是大分子链中的极性基团在胶粒表面上进行无规则吸附而使胶体聚沉。

(2) 高吸水性树脂

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制备方法：淀粉和丙烯腈在引发剂存在下进行接枝共聚，聚合产物在强碱存在下加压水解，接枝的丙烯腈变成丙烯酰胺或丙烯酸盐，干燥后即获得产品。

机理：按自由基反应机理进行，引发剂采用使用最广泛的四价铈盐，硝酸铈胺溶于稀硝酸中，与淀粉形成络合物，后者分解时，四价铈离子还原成三价铈离子，而淀粉中，葡萄糖单元上羟基中的氢被氧化成H+，以致淀粉形成自由基，同

时伴随C

2与C

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键的断裂，淀粉自由基在丙烯腈单体存在下，随即引发单体接枝共

聚，形成接枝链。

(3)离子交换树脂

离子交换树脂是具有离子交换功能的一类高分子材料的总称，这类材料在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，这种化学基团是由两种带有相反电荷的离子组成，一种是以化学键和主链结合的固定离子，另一种是以离子键与固定离子结合的反离子，反离子可以离解成自由移动的离子，并在一定条件下可与周围的其它类型的离子进行交换，这种离子反应是可逆的，在一定条件下，这种交换上的离子可以解吸，从而使离子交换树脂再生，重复使用。

2.3. 功能高分子材料发展趋势

2.3.1 隐身材料

隐身技术是当今世界三大尖端军事技术之一。细微粉和超微粒子一般作为吸波材料的主要成分。用于制备包括吸收衰减层、激发变换层、反射层等多层细微粉或超微粉在内的微波吸收材料, 已获得良好的吸波效果。隐身纳米复合材料的研究已取得进展, 这种复合材料的特点是频带宽、功能多、质量轻、厚度小。另外, 铁氧体树脂复合材料、铁氧体基橡胶、碳纤维复合材料等都有良好的吸波作用。

2.3.2 先进复合高分子材料

当今材料技术的发展趋势一是从均质材料向复合材料发展, 二是由结构材料往功能材料、多功能材料并重的方向发展。这种发展趋势使得先进复合材料的迅速崛起与快速发展。先进复合高分子材料是指以一种材料为基体(如树脂、陶瓷、金属等), 加入另一种称之为增强(或增韧)材料的高聚物(如纤维等)复合成的高功能整体结构物[7] ,这种将多相物复合在一起, 充分发挥各相性能优势的结构特征赋予了高分子复合材料广阔的应用空间。目前高分子复合材料的发展和应

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用已进入世界科技和工业经济的各个领域, 重点集中在航空航天、基础设施、沿海油气田和汽车的应用,与此同时, 医用复合材料日益增长, 成为近年来不可忽视的快速发展领域[11, 12]。

2.3.3 生态可降解高分子材料

随着环保概念的提出, 环保意识的增强, 人们对生态可降解一词已不再陌生, 材料的生态可降解性能要求逐渐被提上日程, 生态可降解高分子材料的开发和应用也随之日益受到政府、企业和科研机构的重视。就目前来看, 开发的具有生态可降解性的高分子材料主要以国外产品为主, 国内这方面还远远不能满足需要, 尚处于国外产品的复制和仿制阶段。另外, 应用的生物可降解材料在生物相容性、理化性能、降解速率的控制及缓释性等方面仍存在诸多未解决的问题, 有待进一步研究。

2.3.4 智能高分子材料

智能材料系统和结构是近年国际上最具活跃的研究热点之一, 一经出现便引起各领域专家学者的极大兴趣和关注。智能材料系统的核心组成部分是智能材料(intelligent material), 智能材料是对外界变化具有稳定的、可设计的响应功能的材料, 可定义为“能够感知环境变化(传感或发现功能), 通过自我判断和自我结论(思考或处理的功能), 实现自我指令和自我执行(执行的功能)的新型材料”[13]。智能材料可选用热固性树脂或热塑性树脂, 传感器、制动器必须选用那些具有某些奇特性能, 又能随外界条件的改变而变化的功能材料, 主要有非金属材料和一些电磁、光学塑料, 如压电纤维、压电陶瓷、光导纤维等, 它将在航天、航空等方面得到广泛应用。

2.3.5抗菌高分子材料

抗菌高分子材料有抗菌塑料、抗菌纤维等材料，可抑制和杀死附着的细菌、真菌、霉菌等微生物，广泛应用于食品包装、家电制造、居室、卫生洁具、日用品、办公用品、公共设施、服装、工业滤材等领域。

2005年我国抗菌剂的产量约500t，进口100t，出口50t，表观消费量为550t。国内抗菌塑料产销量约6万t，抗菌制品产值达540亿元。目前我国抗菌材料的产业化取得了很大进展，中科院理化所研发出独特的抗菌母粒应用技术，经北京崇高纳米科技有限公司深度开发和产业化后，已达到国际先进水平。预计未来几年，

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我国抗菌塑料制品的需求发展空间是目前产销量的10倍。

2.3.6阻燃高分子材料

将复合阻燃剂与塑料进行共混改性可以获得阻燃塑料。阻燃塑料主要用于家电、电子、通讯等领域，其中电子电气行业有15%以上的塑料件要求使用阻燃塑料。

目前世界阻燃技术主要是以添加溴类阻燃剂为主，十溴二苯醚是最主要的品种。这种阻燃剂含溴量高，分解温度高于350℃，与各种高聚物的分解温度相匹配，添加量小，阻燃效果好。

2.3.7导电和抗静电高分子材料

导电和抗静电高分子材料包括导电塑料、导电橡胶、导电薄膜、导电纤维、导电涂料和导电粘合剂等。目前我国导电和抗静电高分子材料的研发主要集中在复合型材料上。

抗静电剂的发展趋势是耐久耐热、功能性强、适用面广和品种系列化。美国是目前生产抗静电剂最多的国家，有200多个产品牌号，消费量达到1万t以上。

2.4 展望

功能高分子材料是未来材料科学与工程技术领域的重要发展方向, 现代多学科交叉的特点促进了新型功能高分子材料的研究与发展, 也孕育了新一代的功能高分子材料。由于高分子材料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诸多方面, 进行单一或多种结构的综合利用, 因此最大程度地满足了其他高技术要求材料技术为他们提供的更多、更好的功能。随着纳米技术研究的深入, 在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复合与加工生产成为可能, 材料的功能将会进一步得到扩展, 呈现前所未有的创新。可以预言, 新一代功能高分子材料的春天已经来临, 纳米材料必将成为新世纪材料发展的主流, 也必将对新世纪的高新技术如电子、生物技术、生命科学的研究产生极为深远的影响。

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3 高分子工程材料

3.1 工程塑料

塑料是在玻璃态使用的、具有可塑性的高分子材料。它是以树脂为主要组分，加入各种添加剂，可塑制成的型的材料。其主要组成和分类如下：

树脂：树脂是塑料的主要组分。它胶粘着塑料中的其它一切组成部分，并使其具有成型性能。树脂的种类、性质以及它在塑料中占有的比例大小，对塑性的性能起着决定性的作用。

添加剂：按加入目的及作用的不同，有填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂等。

按树脂特性分：

（1）依树脂受热时的行为分为热塑性塑料和热固性塑料。

依树脂合成反应的特点分为聚合塑料和缩合塑料按塑料的应用范围分通用塑料、工程塑料、特种塑料。

（2）塑料制品的成型与加工

成型方法：注射成型法、压制成型、浇铸成型、抗压成型、吹塑成型、真空成型等加工：机械加工、塑料的连接、塑料制品的表面处理。

（3）性能特点：

相对密度小；耐蚀性能好；电绝缘性能好；减摩、耐磨性能好；有消音吸震性；刚性差；乃热性低；膨胀系数大、热导率小；蠕变温度低；有老化现象；在某些溶剂中会发生溶胀或应力开裂。

（4）常见工程塑料

1）常见热塑性塑料:聚酰胺、聚甲醛（POM）、聚砜（PSF）、聚碳酸酯（PC）、ABS塑料等；

2）常见热固塑性塑料（经过固化处理）酚醛塑料、环氧塑料（EP）等

（5）应用：

可以作为：一般构件、普通传动零件、摩擦零件、耐蚀零件、电器零件。

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3.2 橡胶与合成纤维

3.2.1 橡胶

1）组成：橡胶是以高分子化合物为基础的、具有显著高弹性的材料。以生胶为原料加入适量的配合剂而形成的高分子弹性体。

2）性能特点：橡胶最显著的性能特点是具有高弹性，其主要表现为在较小的外力作用下就能产生很大的变形，切当外力去除后又能很快恢复到近似原来的状态；高弹性的另一个表现为其宏观弹性变形量可高达100%~1000%。同时橡胶具有优良的伸缩性和可贵的积储能量的能力，良好的耐磨性、绝缘性、隔音性和阻尼性，一定的强度和硬度。橡胶成为常用的弹性材料、密封材料、减震防震材料、传动材料、绝缘材料。

3）分类：按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类；按应用范围又可分为通用橡胶与特种橡胶两类。天然橡胶是橡树上流出的乳胶加工而制成的；合成橡胶是通过人工合成制得的，具有与天然橡胶相近性能的一类高分子材料。通用橡胶是指用于制造轮胎、工业用品、日常用品的量大面广的橡胶，特种橡胶是指用于制造在特殊条件（高温、低温、酸、碱、油、辐射等）下使用的零部件的橡胶。

4）常用的橡胶材料：

（1）天然橡胶：是从天然植物中采集出来的一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物。它具有较高的弹性、较好的力学性能、良好的电绝缘性及耐碱性，是异类综合性能较好的橡胶。缺点是耐油、耐溶胶较差，耐臭氧老化性差，不耐高温及浓强酸。主要用语制造轮胎、胶带、胶管等。

（2）通用合成橡胶：

（a）苯橡胶：是由丁二烯和苯乙烯共聚而成的。其耐磨性、耐热性、耐油、抗老化性均比天然橡胶好，并能以任意比例与天然橡胶混用，价格低廉。主要用于制造汽车轮胎、胶带、胶管等。

(b)顺丁橡胶：是由丁二烯聚合而成。其弹性、耐磨性、耐热性、耐寒性均优于天然橡胶，是制造轮胎的优良材料。主要用于制作轮胎、胶带、弹簧、减震器、电绝缘制品等。

(c)氯丁橡胶：是由氯丁二烯聚合而成。它不仅具有可与天然橡胶比拟的高弹性、高绝缘性、较高强度和高耐碱性，而且具有天然橡胶和一般通用橡胶所没

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有的优良性能。它应用广泛，既可作通用橡胶，又可作特种橡胶。由于其耐燃烧，故可用于制桌矿井的运输带、胶管、电缆；也可作告诉三角带及各种垫圈等。

(d)乙丙橡胶：是由乙烯与丙烯共聚而成。具有结构稳定、抗老化能力强，绝缘性、耐热性、耐寒性好，在酸、碱中耐蚀性好等优点。主要用于制作轮胎、蒸汽胶管，耐热运输带、高压电线管套等。

（3）特种合成橡胶：

(a)丁腈橡胶：是由丁二烯与丙烯腈聚合而成。其耐油性好、耐热、耐燃烧、耐磨、耐碱、耐有机溶剂、抗老化。主要用于制作耐油制品，如油箱、贮油槽、输油管等。

（b）硅橡胶：是由二甲基硅氧烷与其它有机硅单体共聚而成。具有高耐热性和耐寒性，在—100~350摄氏度范围内保持良好弹性，抗老化能力强、绝缘性好。主要用于飞机和宇航中的密封件、薄膜、胶管和耐高温的电线和电缆等。

(c)氟橡胶：是以碳原子为主链，含有氟原子的聚合物。其化学稳定性高、耐蚀性能居各类橡胶之首，耐热性好，最高使用温度为300摄氏度。主要用于国防和高技术中的密封件，如火箭、导弹的密封圈及化工设备中的衬里等。

3.2.2 合成纤维

1）定义：凡能保持长度比本身直径大100倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称纤维。

2）分类：可分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又可分为人造纤维和合成纤维。人造纤维是用自然界的纤维加工而成，如叫“人造丝”、“人造棉”的粘胶纤维和硝化纤维、醋酸纤维等合成纤维是以石油、煤、天然气为原料制成的。

3）合成纤维的品种：

（1）涤纶：又叫的确良，具有高强度、耐磨、耐蚀，易洗快干等优点，是很好的衣料纤维。

（2）尼龙：在我国又称棉纶，其强度大、耐磨性好、弹性好，主要缺点是耐光性差。

（3）腈纶：在国外叫奥纶、开米司纶，它柔软、轻盈、保暖，有人造羊毛之称。

（4）维纶：维纶的原料易得，成本低，性能与棉花相似且强度高；缺点是弹性较差，织物易皱。

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（5）丙纶：是后期之秀，发展快，纤维以轻、牢、耐磨著称；缺点是可染性差，且晒易老化。

（6）氯纶：难燃、保暖、耐晒、耐磨，弹性也好，由于染色性差，热收缩大，限制了它的应用。

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