材料工程进展课程论文(智能高分子)

智能高分子材料的研究进展摘要:智能高分子材料又称机敏材料,也被称为刺激-响应型聚合物或环境敏感聚合物,是智能材料的一个重要的组成部分，已成为功能高分子研究的前沿领域。

本文对一些有代表性的智能高分子材料在各个领域的研究及应用进展作了简单的综述，并展望了其发展前景。

目前，具有各种智能的高分子材料在信息、电子、宇宙、海洋科学、生命科学等领域得到了应用。

智能高分子材料的开发与应用孕育着新一代的技术革命。

它将是21世纪使用的重要材料之一，并将促进新理论的产生和新产品的开发。

关键词：智能高分子；智能材料；复合材料；研究进展1.智能高分子材料概述智能高分子材料是指能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现指令和执行的新材料。

它在模仿生命系统中同时具有感知和驱动双重功能的材料，即不仅能够感知外界环境或内部状态所发生的变化，而且能够通过材料自身的或外界的某种反馈机制，实时地将材料的一种或多种性质改变，做出所期望的具有某种响应的材料，又称机敏材料。

其中环境刺激因素很多，如温度、PH值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光或紫外光、应力和识别等，对这些刺激产生有效响应的智能聚合物自身性质会随之发生变化。

由于它具有反馈功能，与仿生和信息密切相关，其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃，已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视[1]。

美国麻省理工学院的田中丰一教授1975年提出了“灵巧凝胶”或“智能凝胶”，迄今已过去20余年。

现在各先进国家的官、产、学对此高度刺激的响应材料的研究与开发甚为关注。

他们试图将生物体组织所具有的智能型刺激响应功能引入工业材料，利用智能材料节省能源并与环境协调。

目前，有些开发中的智能高分子材料的应用有待理论研究的深入和拓宽，进一步改善智能高分子材料对刺激的响应特性，如响应速率、力度及可靠性等。

智能高分子材料的发展日月异，有人预计21世纪可望向模糊高分子材料发展。

所谓模糊材料，其刺激响应性不限于一一对应，材料本身能判断，依次发挥其调节功能，像动物的脑那样能记忆和判断。

2.智能高分子材料的分类及应用迄今为止,人们已开发出许多种智能高分子材料。

下面重点介绍几种智能高分子材料。

2.1智能型凝胶凝胶或称水凝胶为亲水性但不溶于水的聚合物，它在水中可溶胀至一平衡体积仍能保持其形状。

简单地说，凝胶就是由溶剂和高分子网络所组成的复合体系，与生物组织类似。

智能型高分子凝胶发展的基础为P．J．F1ory的凝胶溶胀理论，交联结构使之不溶解而保持一定的形状；渗透压的存在使之溶胀而达到平衡体积。

参加溶胀的推动力同分子链与溶剂分子之间的相互作用、网络内分子链之间的相互作用以及凝胶内外离子浓度差所产生的渗透压有关[2]。

从体系的选择上看，国外大多采用合成聚合物或均聚物、接枝或嵌段共聚物、共混物、IPN、高分子微球等作为PH值、温度、电场、光及葡萄糖浓度的响应体系。

高分子凝胶的溶胀可用于化学阀、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。

2.2 高分子薄膜高分子薄膜在智能方面研究较多的是选择性渗透、选择性吸附和分离等。

高分子膜的智能化是通过膜的组成、结构和形态的变化来实现的。

将生物分子或复杂的生物系统与高分子膜杂化，既有利于延长生物材料的活性寿命，又能获得良好的选择性。

现在研究的智能高分子膜主要是起到“化学阀”的作用。

对智能高分子膜的研究主要集中在敏感性凝胶膜、敏感性接枝膜及液晶膜几方面。

用高分子凝胶做成的膜能实现可逆变形，也能承受一定的静压力。

目前报道的主要有PMAA/PEG、PV A/PAA等。

高分子接枝膜可通过两种方法实现:一是表面接枝，二是膜孔内接枝。

两种膜的作用机理基本相同。

膜的孔径变化是建立在溶质分子与接枝在膜上的高分子链相互作用基础之上的。

接枝链构型的变化改变了孔径的大小，接枝链像阀一样调节着膜的渗透性。

目前，具有化学阀功能的高分子膜应用范围还比较窄，尚有赖于新材料领域研究的进展[3]。

2.3 智能织物美国学者将聚乙二醇与各种纤维(如棉、聚醋或聚酞胺/聚氨醋)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，线团松弛过程吸热。

当环境温度降低时，氢键使系统变为有序，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。

其中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，湿态收缩率可达35%。

可用于传感/执行系统、微型马达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[4]。

当前，分子纳米技术与计算机、检测器、微米或纳米机器的结合，又使织物的智能化水平提高一大步。

自动清洁织物，自动修补织物等越发引起人们的注意。

2.4电流变流体材料电流变流体材料是由具有较高介电常数的分散颗粒与具有较低介电常数的绝缘液体油形成的一类悬浮液。

它的电流变性能由加到流体系统的外部电压来控制。

电流变流体材料主要用于制作各种力学零件，只需改变电压就可实现机械传动与控制，如无级变速器，控制阀门、刹车器、离合器；制作振动隔离系统，如发动机座、冲击阻尼器、避振减振装置。

用于研究胶体系统的传热和传质现象，开发双管热交换器和再生热交换器。

2.5形状记忆材料高分子聚合物形状记忆材料是日本学者在80年代初以形状记忆合金(SMA)为基础开发出来的新型弹性记忆材料，同样具有SMA可"感知"及"驱动"的特点。

当温度到达特征温度时，材料从玻璃态转化到橡胶态，出现大的变形。

温度升高，材料变形容易；温度降低，硬化为持续可塑的新形状。

形状记忆过程可简单表达为：初始形状的制品一2次形变一形变固定一形变回复。

形状记忆高分子材料品种繁多，根据形状回复原理大致可分为4类：（1）热致形状记忆高分子材料：是在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。

广泛用于医疗卫生、体育运动、建筑、包装、汽车及科学实验等领域，如医用器械、泡沫塑料、座垫、光信息记录介质及报警器等。

（2）电致形状记忆高分子材料：是热致形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质（如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等）的复合材料。

该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高，致使形状回复，所以既具有导电性能，又具有良好的形状记忆功能，主要用于电子通讯及仪器仪表等领域，如电子集束管、电磁屏蔽材料等。

（3）光致形状记忆高分子材料：是将某些特定的光致变色基团（PCG）引入高分子主链和侧链中，当受到紫外光照射时，PCG发生光异构化反应，使分子链的状态发生显著变化，材料在宏观上表现为光致形变；光照停止时，PCG发生可逆的光异构化反应，分子链的状态回复，材料也回复原状。

该材料用作印刷材料、光记录材料、"光驱动分子阀"和药物缓释剂等。

（4）化学感应型形状记忆高分子材料：利用材料周围介质性质的变化来激发材料变形的形状回复。

常见的化学感应方式有pH值变化、平衡离子置换、螯合反应、相转变反应和氧化还原反应等，这类物质有部分皂化的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚丙烯酸混合物薄膜等。

该材料用于蛋白质或酶的分离膜“化学发动机”等特殊领域。

已经开发的形状记忆树脂主要有聚降冰片烯、反式1，4一聚异戊二烯、苯乙烯一丁二烯共聚物和聚氨酯等[5~7]。

2.6高分子复合材料智能高分子材料在工业、建筑、航空、医药领域的应用越来越广泛。

复合材料大都用做传感器元件：新的智能复合材料具有自愈合、自应变等功能。

美国航空公司研制的"智能飞机蒙皮"，它可以根据飞行员和机上电脑的指令改变外形，起到与飞机尾翼和襟翼相同的作用；在建筑领域采用的复合材料，可用于快速检测环境温度、湿度，取代温控线路和保护线路；利用热电效应和热记忆效应的高聚物薄膜可用智能多功能自动报警和智能红外摄像，取代复杂的检测线路；利用有光电效应的光导纤维制作光纤混凝土，当结构构件出现超允许宽度裂缝时，光路被切断而自动报警，可取代复杂的检测线路。

2.7光导电功能高分子光导电功能高分子是指高分子材料在无光照射时是绝缘体，而在有光照时其电导率可以增加几个数量级而变为导体，这种光控导体在实际应用中有非常重要的意义。

较早开发的无机半导体材料中硒和硫化锌一硫化镉的光导作用最显著，应用也最广泛，例如在复印机中，复印过程中光电导体在光的控制下收集和释放电荷，通过静电作用吸附带相反电荷的油墨。

另外，还可利用它作为信息的储存，如静电照相和光导热、塑片全息照相、液晶光阀、光导体和场致发光材料组成实时显示系统，电光调制器等。

2.8催化剂与载体的灵巧化一般均相催化剂在反应系统温度升高时活性增高，放热反应可能失控．Bergbreiter研究组将均相铑催化剂键合在聚乙二醇(聚氧化链烯)链上，温度上升时，此LCST聚合物溶解性降低，从溶液中沉淀，丧失活性。

当反应混合物冷却时，催化剂再溶解，又起催化作用。

2.9智能药物释放体系传统的低分子药物是以口服或注射等方式全身给药的，刚投入时，体内药物的浓度急剧增高，由于代谢作用浓度很快降低，所以必须大剂量反复的投药。

这样常常会引起许多副作用。

如果把低分子药物与高分子化合物结合起来，就可以将高毒的药物制成低毒的甚至无毒的制剂，可以使药物在指定的部位持续而稳定的发挥作用，或者减少药物的用量和给药次数，控制药物的吸收速度和排泄速度，维持体内所需要的浓度。

所以有关智能药物释放体系的研究非常活跃，特别是高分子抗癌药物的开发日渐增多。

如磁性微球制剂是国内外正在研究的一种新剂型。

这种制剂是将药物和磁性物质共同包埋于载体中，在外界磁场的作用下到达并固定在病变部位，使所含药物得以定位释放，集中在病变部位发挥作用，从而达到高效、速效和低毒的治疗效果，而磁性微球可定期安全地排出体外[8]。

2.10隐形材料随着军用探测技术的迅速发展,军事目标面临着各种雷达探测系统、红外探测系统以及光学观测系统日趋严重的威胁,导弹技术的发展使目标几乎处于“被发现即等于被命中摧毁”的程度,因此,提高军事目标的生存能力,降低被探测和发现的概率,对于现代战争来说,具有十分重要的意义。

相对于目标而言,背景是十分复杂并且不断变化的,所以使用一成不变的隐身技术手段很难真正达到良好的隐身效果, 20世纪80年代末,美国和日本科学家首先提出了智能材料的概念,智能材料是一种能从自身表层或内部获取关于环境条件及其变化信息,进行判断、处理和反应,以改变自身结构与功能并使其很好的与外界协调,具有自适应的材料系统,在武器装备隐身化和新军事变革的大背景下,智能隐身材料的研究得到了各国的高度重视[9]。