功能高分子材料及其应用

功能高分子材料及其应用

杨小玲1015063005 研1001班

摘要：对功能高分子材料做了粗略的概括和分类,并对其主要品种反应型高分子、导电高分子材料、高分子染料、高分子功能膜材料、生物医用高分子材料、液晶高分子材料等分别做了论述。介绍了功能高分子材料的发展状况,展望了未来的功能高分子材料的发展趋势。

关键词：功能高分子；材料；化学发展现状；展望功能高分子

功能高分子材料是指那些既具有普通高分子特性，同时又表现出特殊物理化学性质的高分子材料，是重要的现代功能材料之一。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。而功能高分子材料又分为:化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电功能高分子材料、高分子液晶等。新型功能高分子材料因为其特殊的功能而受到人们广泛关注。

1、主要的功能高分子材料

功能高分子所涉及的学科甚广,内容丰富,根据其性质和功能主要可分成为如下几类:反应型高分子材料、光敏型高分子材料、电活性高分子材料、膜型高分子材料、吸附型高分子材料、高性能工程材料、高分子智能材料等。

1.1反应型高分子材料

反应型功能高分子材料是指具有化学活性，并且应用在化学反应过程中的功能高分子材料，包括高分子试剂和高分子催化剂两大类。高分子试剂是指小分子反应试剂经过高分子化，或者在某些聚合物骨架上引入反应活性基团，得到的具有化学试剂功能的高分子化合物。高分子催化剂是指通过聚合、接枝等方法将小分子催化剂高分子化，使具有催化活性的化学结构与高分子骨架相结合，得到的具有催化活性的高分子材料。

1.1.1 开发高分子试剂和高分子催化剂的目的

主要从以下几个角度考虑：①简化操作过程；②有利于贵重试剂和催化剂的回收和再生，利用高分子反应试剂和催化剂的可回收性和可再生性，可以将某些贵重的催化剂和反应试剂高分子化后在多相反应中使用，达到降低成本和减少环境污染的目的；③可以提高试剂的稳定性和安全性；④所谓的固相合成工艺可以提高化学反应的机械化和自动化程度；⑤提高化学反应的选择性；⑥可以提供在均相反应条件下难以达到的反应环境。

1.1.2 氧化还原型高分子反应试剂的制备方法

包括高分子氧化还原试剂在内的所有高分子试剂的制备基本可以分为两大类①从合成具有氧化还原活性的单体出发，首先制备含有氧化还原反应活性中心的结构、同时具有可聚性基团的活性单体，再利用聚合反应将单体制备成高分子反应试剂；②以某种商品聚合物为载体，利用特定高分子化学反应，将具有氧化

还原反应活性中心结构的小分子试剂接枝到聚合物骨架上，构成具有同样氧化还原反应活性的高分子反应试剂。

1.1.3 高分子催化剂的制备方法

小分子配位体的高分子化是制备高分子金属络合物的主要工作。如同高分子反应试剂的高分子化过程一样，高分子配位体的合成方法主要分为以下几类：①利用聚合物的接枝反应，将配位体直接键合到聚合物载体上，得到高分子化配位体；②首先合成含配位体单体（功能性单体），然后通过均聚或共聚反应得到高分子配位体。

1.2导电高分子材料

导电高分子材料科学是近年来发展较快的领域,自1977年第一个导电高分子聚乙炔(PAC)发现以来,对导电聚合物的合成、结构、导电机理、性能、应用等方面有许多新认识,现已发展成为一门相对独立的学科。从导电机理的角度看,导电高分子大致可分为2大类:一类是复合型导电高分子材料,它是指在普通的聚合物中加入各种导电性填料而制成的,这些导电性填料可以是银、镍、铝等金属的微细粉末、导电性碳黑、石墨及各种导电金属盐等。还有一类是结构型导电高分子材料,即依靠高分子本身产生的导电载流子导电,这类导电高分子材料一般经“掺杂”(P型掺杂或N型掺杂)后具有高的导电性能(电导率增加几个数量级),多为共轭型高聚物。

1.2.1 复合型导电高分子材料的结构

（1）分散复合结构：分散复合型导电高分子通常选用物理性能适宜的高分子材料作为基体材料（连续相），导电性粉末、纤维等材料采用化学或物理的方法均匀分散在基体材料中作为分散相构成高分子复合材料。（2）层状复合结构：在这种复合体中导电层独立存在并与同样独立存在的聚合物基体层复合。其中导电层可以是金属箔或金属网，两面覆盖聚合物基体材料。（3）表面复合结构：表面复合材料通常指一种物质附着在另外一种物质表面构成的。（4）梯度复合结构：指两种材料，如金属和高分子材料各自构成连续相，两个连续相之间有一个浓度渐变的过渡层，通常可以通过电解和电渗透共同作用来制备。

1.2.2 复合型导电高分子材料的导电机理

目前比较流行的有两类理论：一是宏观的渗流理论；另一种是量子力学的隧道效应和场致发射效应学说。目前这两种理论都能够解释一些实验现象。（1）渗流理论（导电通道机理）的实践基础是复合型导电高分子材料其导电相的添加浓度必须达到一定数值后才表现出导体性质。因为导电分散相在连续相中形成导电通路必须需要一定浓度和分散度，只有在这个浓度以上时复合材料的导电能力会急剧升高，因此这个浓度也称为临界浓度。在此浓度以上，导电材料粒子作为分散相在连续相高分子材料中才能互相接触构成导电通路。（2）隧道导电理论，虽然导电通道理论能够解释部分实验现象，但是人们在实验中发现，在导电分散相的浓度还不足以形成网络的情况下，复合型导电高分子材料也具有一定导电性能，或者说在临界浓度时导电分散相颗粒浓度还不足以形成完整的导电通路。

1.2.3复合型导电高分子材料的导电性能的影响因素

从聚合物结构上讲,聚合物侧基的性质、体积和数量,主链的规整度、柔顺性、聚合度、结晶性等对体系导电性均有不同程度影响[1,2,3]。填充复合型导电高分子材料的导电性随基体聚合物表面张力减小而升高；基体聚合物聚合度越高,价带和导带间的能隙越小,导电性越高；聚合物结晶度越高,导电性越高；交联使体系导电性下降[2]。基体聚合物的热稳定性对复合材料的导电性能也有影响,一旦基体高分子链发生松弛现象,就会破坏复合材料内部的导电途径,导致导电性能明显下降[4] 。共混高聚物/ 炭黑复合材料比单一高聚物/ 炭黑复合材料有更高的导电性[5]。另外还有导电填料的影响，制备方法及制备工艺的影响，使用介质、使用时间和环境,以及加工模具、聚合时的条件(如:电极电位、聚合速度、聚合时溶剂的性质等[6] ) 等在一定程度上都会影响复合体系的导电性能。

1.2.4结构型导电高分子材料的类型[7-10]

几种典型的结构型导电高分子材料：聚乙炔(PA)是研究得最早、最系统，也是实测电导率最高的聚合物。迄今为止报道的PA 最高电导率为2×105 S/cm，接近于金属铜，但它的环境稳定性差，力学性能远不能跟铜比。

聚苯胺(PAn)发现较早，但是近年来才发现它的良好导电性。聚苯胺的结构多样、空气稳定性和耐热性好、电导率优良、原料价格低，易制成柔软坚韧的膜且价廉易得，又可进行溶液和熔融加工，再加上其独特的化学和电化学性能，已成为最有应用价值的导电高分子材料，电导率可达100～102 S/cm 数量级。

聚吡咯(PPy)由于吡咯很容易电化学聚合，形成致密薄膜，其电导率高达102 S/cm 数量级，仅次于聚乙炔和聚苯胺，稳定性却比聚乙炔好的多，但机械性能不理想。PPy 可以制成传感器，灵敏地检测空气中的挥发性有机气体；制成PPy 酶电极还可以检测尿糖和血糖的含量，用于相关疾病的诊断。

1.2.5 结构型导电高分子材料的应用

（1）聚合物二次电池；导电高分子具有可逆的电化学氧化还原性能，因而适宜做电极材料，制造可以反复充放电的二次电池。1991 年，日本桥石公司推出第一个商品化的聚合物二次电池，它的负极为锂铝合金，正极为聚苯胺，电解质是LiBF4 在有机溶剂中的溶液。

（2）抗静电；高分子材料表面的静电积累和火花放电是引起许多灾难性事故的重要原因，因而人们开发了许多抗静电技术，最常用的是添加抗静电剂。但都存在用量大、品质颜色深、易逃逸、抗静电性能难持久等缺点。使用无机添加剂，对高分子基体相容性差，常引起力学性能下降。结构型导电高分子的出现，特别是可溶于有机溶剂的聚苯胺和聚吡咯的出现，为“高分子抗静电剂”带来了希望。

（3）导电高分子电容器；导电高分子成型后，电导率可达到100～102S/cm 数量级，因而可替代传统的“电解电容器”中的液体或固体电解质，替代传统的“双电层电容器”中的电解质，制成相应导电高分子电容器。导电高分子电容器具有等效串联阻值小、高频特性好、全固体、体积小、耐冲击和耐高温性能好等优点，在现代电器，尤其是手携和高频电器中具有广泛用途。