智能化高分子的研究进展

智能化高分子的研究进展摘要：近年来，在新材料领域中正在兴起一门新的分支学科——智能高分子材料。

本文对一些智能高分子材料在各个领域的研究及应用做出综述性的阐述，并对该领域的发展做出一些展望。

关键字：智能高分子材料（Intelligent Polymer Materials）特征应用发展智能高分子材料智能高分子材料（Intelligent Polymer Materials）又称智能聚合物，机敏性聚合物，刺激相应型聚合物，环境敏感型聚合物。

智能高分子材料是一种能够通过对周围的环境变化的感觉，针对这个变化采取一定反应的高分子材料。

智能高分子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。

目前智能高分子材料主要研究，记忆功能高分子材料、智能高分子凝胶、智能药物释放系统、聚合物电流变流体、智能高分子膜、智能纺织品、智能橡塑材料、生物材料的仿生化、智能化等等。

表1智能材料的分类分类方法智能材料种类按材料的种类金属类智能材料非金属类智能材料高分子类智能材料智能复合材料按材料的来源天然智能材料合成智能材料建筑用智能材料工业用智能材料按材料的应用领域军用智能材料医用智能材料航天用智能材料按材料的功能半导体；压电体；电致流变体按电子结构和化学键金属；陶瓷；聚合物；复合材料20世纪80年代，人们提出智能材料的概念，20世纪90年代以来，美国、日本、意大利、英国等国家都在大力加强对智能材料的基础研究和应用研究。

智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料。

其概念设计可以从以下观点构思：(1)材料开发的历史——由结构材料、功能材料进而到智能材料；(2)人工智能在材料的水平反映——生物计算机的未来模式；(3)从材料设汁的立场制造智能材料；(4}软件功能引入材料；(5)人们对材料的期望；(6)能量传递；(7)材料具有时间轴，要求材料有寿命预告、自修复、自分解，甚至自学习、自增殖、自净化功能和可对应外部刺激时间轴积极自变的动态功能。

智能高分子材料在信息、电子、宇宙、海洋科学、生命科学等领域得到了大力的发展和应用。

记忆功能高分子材料形状记忆高分子材料（shape memory polymer，SMP）就是运用现代高分子物理学理论和高分子合成及改性技术，对通过高分子材料进行分子组合和改性获得的一类高分子材料。

例如：聚乙烯，聚酰胺等高分子材料进行分子设计及分子结构的调整，使他们在一定的条件下，被赋予一定的形状初始态（initial state）当外部的环境发生变化之后，他可以相应地改变形状并将其固定变形态（varrable morphology）。

如果环境以特定的方式和规律再次发生变化，它便可逆的恢复到初始态。

形状记忆过程可简单表达为：初始形状的制品→2次形变→形变固定→形变恢复。

根据实现记忆功能的条件的不同，可以将SMP分为以下四种。

（1）热致SMP。

（2）电致SMP。

（3）光致SMP。

（4）化学感应型SMP。

目前研究最多，并投入使用最多的是致热SMP，它可广泛用于医疗卫生，体育运动，建筑，包装，汽车等等领域。

例如：热收缩套管（高压电线，电缆的连接，端部密封；输气输油管道的防腐），容器外包及衬里，包装材料，建筑用紧固销钉，医用器材，纺织面料等等。

近年来以日本为首的国家大力发展该技术，该技术受到了广泛的关注，但是由于在开发和应用上仍存在不足，例如：价格较高，形状恢复精度低，力学强度和化学耐久性等不够理想，记忆功能的单项性，加工性较差。

在今后的研究工作中，应该充分运用分子设计技术及材料改性技术，努力提高材料的形状记忆性功能及综合性能，开发更多的品种。

智能高分子凝胶凝胶是一种不溶于溶剂，但在溶剂中溶胀并保持大量溶剂的聚合物，高分子凝胶是介于液体和固体之间，由长链分子交联聚合的三维网络和互穿的网络（IPN）并浸没与液体介质构成的物质。

智能高分子凝胶是一类受外界环境，例如，温度，pH，盐浓度，光，电场，化学物质等，刺激之后，其自身的性质就会发生明显的改变的交联聚合物。

表2 凝胶的分类分类方法凝胶种类凝胶来源天然凝胶合成凝胶凝胶网络中不同液体水凝胶有机凝胶凝胶交联方式化学凝胶物理凝胶相应刺激信号温敏凝胶光敏凝胶高分子凝胶具有刺激应答的智能，从而启发人们利用凝胶体积溶胀和收缩循环及提供的动力，设计出高效率的使化学能直接转换为机械功的“化学发动机”。

因为凝胶体积的变化是不连续的和可以预测的，所以凝胶可以作为记忆元件和开关的新型材料。

利用凝胶多压力的变化，设计出使颜色变化的显示功能，利用凝胶网络孔眼可以预先控制的特性，可改进化学层析和电泳分离技术，也可作为工业过滤用新材料，在医学和仿生学上也有应用，如眼球中人造的玻璃体和角膜，作为移植于人体内药物释放的载体等。

目前限制智能凝胶广泛应用的问题在于他对于外界刺激的响应时间太长。

近来，提出了两种新的智能型水凝胶合成模型，基因工程法和联合构件设计方法，有可能成为设计快速响应智能型凝胶的合理途径。

智能纺织品智能纺织品源于智能材料，他完全不同于传统的纺织品。

这也将是纺织工业的未来。

智能纺织品是指对环境条件或环境因素的刺激有感知和能做出响应的纺织品。

在热、光、电、湿、机械和化学物质等因素的作用下，它们能通过颜色、震动、电性能、能量储藏等变化，对外界的刺激作出相应。

智能纺织品可以从其感知状态分为三类。

（1）被动智能型纺织品；（2）主动智能型纺织品；（3）非常智能型纺织品；智能纺织品的应用领域十分广阔，尤其是在军事领域应用潜力更是巨大，例如，超级战衣等，该衣物质轻，不臃肿，并具防化学，生物试剂和核危害，能经受恶劣的环境，防电磁波探测等等。

在民用方面也有巨大的发展潜力。

如多功能运动衣，医用安全服等等。

智能纺织物近年来发展很快，他在增加服装的功能性、舒适性、提高人们的生活质量、改善劳动条件，满足某些特殊行业的需要等方面，正在发挥越来越重要的作用。

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。

高分子复合材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时光路被切断而自动报警，可取代复杂的检测线路。

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。

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。

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。

高分子薄膜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。

研究较多的是选择性渗透、选择性吸收和分离等。

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。

LB膜是与生物膜的脂质双层结构非常相似的有序分子组合体系。

官能化高分子LB膜可获得非线性光学特性、光学记忆、光电交换、选择性传质和传感等功能，日本东芝基础研究所已成功地研制了人工视网膜，模拟鼻嗅觉功能的觉LB膜正在研究之中。

展望智能高分子材料的研究开发已经取得了一定的进展，但其稳定性及加工制备技术仍有待提高。

聚合物合成方法的改进，结构修饰与分子设计成为寻求高性能智能高分子材料首先要决的问题。

在分子水平上研究高分子的光、电、磁等行为，揭示分子结构和光、电、磁的特性关系将导致新一代的智能高分子材料的出现。

有人预计，2l世纪它将向模糊高分子材料发展。

智能高分子材料的研究是一个多学科交叉的研究领域，对其研究开发需要多学科协同进行。

我们期待着这一领域的全面发展。

参考文献1 陈莉主编智能高分子材料北京：化学工业出版社，20052 梁敏，李柏峰，李青山，陈鹏，韩方涌，王艳玲. 化工时刊，2002，(5)：16~193 滕进丽山东省农业管理干部学院学报2006,22(5):164~1714 杨亲民电气时代1999，(12):4~65 P. Colombo, F. Sonvico, G. Colombo and R.Bettini Pharmaceutical Research V ol.26, No. 3, March 2009。