功能材料

一．概论

什么是功能材料？功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。常将这类材料称为:功能材料,特种材料,精细材料

材料的功能显示过程是指向材料输入某种能量，经过材料的传输或转换等过程，再作为输出而提供给外部的一种作用。功能材料按其功能的显示过程又可分为一次功能材料和二次功能材料。

什么是一次功能，二次功能？当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用，材料的这种功能称为一次功能。当向材料输入的能量和从材料输出能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。这种材料才是功能材料。

功能设计？就是赋予材料以一次功能或二次功能特性的科学方法。

功能设计（以高分子材料为例）主要途径（1）通过分子设计合成新功能。又称为化学方法（2）通过特殊加工赋予材料以功能特性,又称为物理方法。（3）通过两种或两种以上的具有不同功能或性能的材料进行复合获得新功能。（4）通过对材料进行各种表面处理以获得新功能。

功能高分子材料的制备方法总体上讲功能材料的制备主要有三种基本类型：一是功能小分子固定在骨架材料上；二是大分子材料的功能化；三是已有的功能高分子材料的功能扩展。

（1）功能性小分子材料的高分子化○1利用功能性可聚合单体聚合○2聚合物包埋小分子（2）高分子材料的功能化①功能化的物理方法功能化的物理方法主要是用小分子功

能化合物与聚合物等共混来实现的。②化学方法利用接枝反应在骨架结构中引入官能团，可以将许多产业化的品种进行功能化。

（3）多功能复合与功能扩大①多功能复合②同一分子中引入多种功能基③原有材料功能的拓展与扩大

二、导电高分子材料

高聚物导电特点：以电阻值为界限，在此界限以上为绝缘高分子材料，

，在其以下统称为导电高分子材料。

按照材料的结构与组成，导电高分子材料可以分为结构型导电高分子材料和复合型导电高分子材料两大类。结构型（或称本征型）导电高分子材料是高分子材料本身所“固有”的导电性，由聚合物结构提供载流子。复合型导电高分子材料，即是通常所见的导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂和导电性薄膜等。

复合型导电材料导电机理：

材料的电导率随浓度增加很少，而当导电填料的浓度达到一

定值时，电导率急剧上升，变化值可达十个数量级以上。超过

这一临界值后，电导率随浓度的变化又趋于缓慢（见图）。用

电镜观察材料的结果发现，当导电填料浓电导率与导电度较低

时，填料颗粒分散在聚填料用量的关系合物中，相互接触较少，

导电性较低。随着填料用量的增加，颗粒间接触的机会增多，电导率逐步上升。当填料浓度增加到某一临界值时，体系内的颗粒相互接触，形成无限网链，这个无限网链就像一个金属网贯穿于聚合物中，形成导电通道，电导率急剧上升，使聚合物变成了导体。再增加填料的用量，对聚合物的导电性就不会有多大贡献了，电导率趋于平缓。

复合型导电材料的导电机理有两种说法，即链锁式导电通路和隧道效应。

链锁式导电通路的机理认为，填料粒子必须在零点几纳米以内，这样就可产生电压差，使填料粒子的的距离靠近（如图），电子依靠链锁传递移动通过电流。聚合物中填料粒子的分散状态如图所示，其导电原理见图。从这个等价回路模型可以理解形成链锁必须有一定的填料用量，才能出现强的导电现象，因而支配高分子材料导电性的最主要因素是填料的用量。这是最经典的一种解释。

链锁式导电通路是建立在填料必须形成链锁的前提下提出来的。但是，用电子显微镜观察拉伸状态的橡胶并不存在炭黑链锁，却仍有导电现象，这就是隧道效应。当导电颗粒间不互相接触时，颗粒间存在聚合物隔离层，使导电颗粒中自由电子的定向运动受到阻碍。这种阻碍可以视为具有一定势能的势垒。由量子力学可知，对一种微观粒子来说，其能量小于势垒的能量时，它有被反弹的可能性，也有穿过势垒的可能性。微观粒子穿过势垒的现象称为贯穿效应，也称为隧道效应。

结构型导电高分子材料分类：高分子电解质、共轭体系聚合物、电荷转移络合物和金属有机螯合物。

受阻共轭：受阻共轭是指共轭分子轨道上存在缺陷。当共轭链中存在庞大的侧基或强极性基团时，会引起共轭链的扭曲、π电子离域受到限制。π电子离域受阻程度越大，折叠等等，使分子链的导电性能越差。

不受阻共轭：无阻共轭是指共轭链分子轨道上不存在“缺陷”，整个共轭链的π电子离域不受阻碍。这类聚合物是较好的导电材料或半导体材料，如反式聚乙炔，热解聚丙烯腈等等。顺式聚乙炔的分子链发生扭曲，π电子离域受到限制，其电导率低于反式聚乙炔。

导电高分子的应用：导电高分子的应用，是利用了材料诸物性的变化。导电高分子的高电导

的应用范围很广，下面为常见的例子：（1）利用可以得到的高电导率作为导电材料应用；（2）利用掺杂后化学电位的变化作为蓄电池电极材料；（3）利用掺杂后光学性质的改变这一特性作光电材料；（4）作为半导体材料使用等。

三、具有化学功能的高分子材料

把光吸收时直接参与吸收的单元——发挥作用的原子团，称为光发色团。光发色团一方面是吸收光能的窗口，同时在多数情况下，也可以说是参与下一步光反应的光功能材料的核心部分，在这种场合，也称之为光感应基或感光基。

光化学反应4种形式:

高分子催化剂的优缺点高分子配位化合物催化剂的原理如下。①催化剂的基本作用原理，与一般均相配位化合物催化剂相同。与非均相催化剂相比，因为能在低温下反应，所以生成物的选择性高。②由于使用不溶性高分子配位体，可以使催化剂与反应生成物容易分离而回收。③根据高分子主链及侧链可以使催化剂中心金属及配位体具有立体的及协同作用来看，有可能得到在一般均相配位化合物催化剂情况下得不到的新功能（提高反应速度、反应的选择性及催化剂使用寿命）。

酶的固定化方法：（1）交联法。（2）包埋法（方格型、微囊型）；（3）载体结合法；

四、具有选择分离功能的高分子材料

离子交换树脂模型：

四个要点：1分子链形式存在2分子链交联3 分子

链带负电荷（或正点），离子为正电（或负电）4

呈球形

离子交换树脂的分类：根据解离程度的不同，它们

可以分为强酸性、弱酸性、强碱性和弱碱性离子交换树脂。

离子交换树脂的功能：离子交换、催化作用、吸附作用、）脱水作用、脱色作用

离子交换树脂的应用：水处理（水质的软化、水的脱盐和高纯水的制备等）、冶金工业（金属的分离、提纯和回收方面）、原子能工业（核燃料的分离、提纯、精制和回收等）、海洋资源利用（从许多海洋生物中提取碘、溴、镁等重要化工原料）、化学工业（无机、有机化合物的分离、提纯、浓缩和回收等）、食品工业（制糖、酿酒、烟草、乳品、饮料、调味品等食品加工中都有广泛的应用）、医药卫生、环境保护。

功能膜：按功能分为分离功能膜（包括气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜）、能量转化功能膜（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、机械能转化膜、电能转化膜、导电膜）、生物功能膜（包括探感膜、生物反应器、医用膜）等。

膜材料：包括广泛的天然和合成的高分子材料和无机材料。实用的高分子膜材料有：纤维素酯类、聚砜类、聚酰胺类及其他材料。

高吸水性树脂的基本特性：1、吸水性2、保水性3、吸水状态的高凝胶强度4、吸氨性

高吸水性树脂的应用：农业应用方面（○a土壤保水剂、改良剂○b植物幼苗移植用保水剂○c

提高种子发芽率○d果、蔬保鲜剂）、工业应用方面（○a涂料添加剂○b工业脱水剂○c建筑工程中的应用）、医用材料方面。

高分子絮凝剂：凡具有吸附架桥或表面吸附而导致分散相成絮团沉降的过程叫做絮凝作用，起絮凝作用的物质就是絮凝剂。

絮凝作用机理是：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，或是一粒可同时吸附两个高分子链，因而形成“架桥”的形式把胶粒起来而聚沉；也可能是大分子链中的极性基胶粒表面上进行无规则吸附而使胶粒聚沉。

五．高分子试剂及固相合成

高分子化学试剂与低分子化学试剂相比有以下优点：

1操作过程简单2稳定性和安全性好3对微环境进行控制4提供邻位效应

六．高分子液晶

近晶型液晶在结构上最接近固体晶相结构，分子排列成层，层内分子长轴互相平行，但分子重心在层内无序，分子长轴与层面垂直或倾斜排列，分子可在层内前后、左右滑动，

但不能在上下层间移动。由于分子运动相当缓慢，近晶型中间相非常粘滞，，是二维有序的排列，在粘度性质上仍然存在着各向异性。

向列型液晶结构中分子相互间沿着长轴方向保持平行，但其重心位置是无序的，不能构成层片。因此向列型液晶是一维有序的排列，分子可以上下左右前后滑动，特别是沿着长轴方向相对运动而不影响晶相结构，具有更大的运动性。

胆甾型液晶是向列型液晶的一种特殊形式。其分子基本是扁平型的，依靠端基的相互作用彼此平行排列成层状结构，在每一个平面层内分子长轴平行排列和向列型液晶相像，层与层之间分子长轴逐渐偏转，形成螺旋状。

高分子液晶的研究方法：X射线衍射、核磁共振和介电松弛谱图以及热台偏光显微镜法、示差扫描量热计法、相容性判别法。

（按照成型条件）热致型主链高分子液晶：热致型主链高分子液晶的主要代表是聚酯液晶。溶致型主链液晶主要有芳香族聚酰胺、聚酰胺胺肼、聚苯并噻唑、纤维素等，其分子具有典型的刚性主链结构。

高分子液晶应用：1在显示材料方面的应用2作为信息贮存介质3作为高性能工程材料的应用4作为分离材料

高分子液晶的发展前景：高分子液晶在其相区间温度时的粘度较低而且高度取向，利用这一点，可以制备高强度、高模量的纤维。将具有刚性棒状结构的高分子液晶材料分散在无规线团结构的柔性高分子材料中，即可获得增强的高分子复合材料。侧链型高分子液晶在本质上属于分子级的复合。这种在分子级水平上的复合材料又称为“自增强材料”。侧链型液晶高分子液晶具有较高的玻璃化转变温度，利用这一特性，可使它在室温下保存信息。胆甾型液晶层片具有扭转的结构，对入射光具有偏振作用，可用来作精密温度指示材料和痕量化学药品指示剂。

七．生物医用药用功能材料

生物相容性是指材料在特定的生理环境中引起的宿主反应和产生有效作用的综合能力，它主要包括血液相容性以及组织相容性。

血液相容性主要是指生物医用药用功能材料与血液接触时，不引起凝血及血小板粘着凝聚，不产生破坏血液中有形成分的溶血现象，即溶血和凝血。

组织相容性是指活体与材料接触时，材料不发生钙沉积附着，组织不发生排异反应。

天然激素、酶制剂、阿胶、葡萄糖等等

药理活性高分子材料合成人造血浆以及人造血液、抗癌高分子药物、用于心血管药物微胶囊：使得低分子药物能够缓慢地释放，

与此同时，这些表面包埋用材料在体内缓慢分解，产物被排出体外。

高分子药物送达体系是指将药物活性物质与天然或合成高分子载体结合或复和投

施后，在不降低原来药效并抑制原药物副作用的前提下，以适当的浓度导向集中到患病的部位，并持续一定的时间，以充分发挥原来药物疗效的体系。

药物释放体系大体可以分为时间控制和部位控制两种类型。

将部位控制释放功能和时间控制释放功能结合起来，使得药物在指定部位、指定时间、以指定的剂量释放的体系，这一体系称之为智能型药物释放体系。

八．功能复合材料

梯度功能材料（functionally gradient materials，简称FGM）是一种特制的、集各种单一组元（如金属、陶瓷、纤维、聚合物等）的最佳优点来获得某种特殊性能的，具有一维、二维或三维梯度变化的新材料。材料内部不存在明显的界面，从而得到功能相应与

组成和结构的变化缓慢的匀质材料。