功能高分子材料的性能及應(yīng)用

郝麗娜，李瑩瑩，李 俊

（齊齊哈爾工程學(xué)院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 功能高分子材料概述

功能高分子材料是20 世紀(jì)60 年代發(fā)展起來的新興領(lǐng)域，是一類由分子量相對比較大的長鏈分子組合而成的具有特殊功能的高分子及其復(fù)合材料，具有電、磁、光、力學(xué)等某一方面特殊的性能。目前的研究主要集中以下方面：光功能高分子、液晶高分子材料、電子功能高分子材料、醫(yī)用功能高分子材料、環(huán)境降解高分子材料、吸附分離功能材料等。現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的功能高分子材料主要為：光功能高分子材料，液晶高分子材料以及吸附分離功能高分子材料等。光功能高分子材料主要被應(yīng)用于太陽能的開發(fā)利用以及電子工業(yè)等方面。

與傳統(tǒng)材料進(jìn)行比較，功能高分子材料具有諸多優(yōu)勢和特點(diǎn)。功能高分子材料能全部有效體現(xiàn)出傳統(tǒng)高分子材料所具備的性能。功能高分子材料還能合理地體現(xiàn)出一些特殊功能的基團(tuán)所具的性能。

2 功能高分子材料國內(nèi)外研究

2018年10月，龍星宇等綜述了功能化有機(jī)高分子、離子印跡高分子材料的制備及其在金屬離子MSPE分離富集或去除方面的應(yīng)用，并說明未來的研究和發(fā)展方向[1]。

2019年4月，顧陸銘利用靜電紡絲纖維素膜作為中間層，表面涂覆聚乙二醇單甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、交聯(lián)劑三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）的混合漿液，前三者發(fā)生熱引發(fā)自由基共聚形成交聯(lián)聚合物，并與PVDF-HFP構(gòu)成互穿網(wǎng)絡(luò)型聚合物表面涂層，最終與纖維素膜形成3層復(fù)合膜，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的離子電導(dǎo)率和力學(xué)強(qiáng)度均得到明顯提升，在180℃仍具有良好的尺寸穩(wěn)定性。將復(fù)合膜組裝成半電池，電池測試結(jié)果表明，復(fù)合膜組裝的電池放電比容量可以達(dá)到137mA·h/g，且具有良好的倍率放電性能[2]。

2019年5月，劉志朋等綜述了超支化有機(jī)硅功能高分子的制備，總結(jié)了超支化有機(jī)硅功能高分子在催化劑載體、生物醫(yī)藥材料、耐熱材料、陶瓷前驅(qū)體以及光電材料方面的應(yīng)用，并對超支化有機(jī)硅功能高分子未來的發(fā)展作出了展望[3]。

2019年12月，趙越等以選擇透過性材料作為研究對象，闡明作用原理，綜述了離子交換膜、碳基高分子復(fù)合材料、金屬有機(jī)骨架材料高分子復(fù)合材料、多金屬氧酸鹽高分子復(fù)合材料、消毒功能高分子等多種類型的選擇透過性材料，并對其防護(hù)、消毒、透濕等性能進(jìn)行了介紹，提出了選擇透過性材料的研究發(fā)展方向[4]。

2020年3月，張芬銘從聚合物鍵合藥物方式的獨(dú)特分類視角，分別從共價(jià)鍵鍵合以及非共價(jià)鍵合的角度進(jìn)行歸納整理，同時(shí)對于外界刺激可斷裂型的功能高分子材料進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

2020年4月，Csarnovics István通過可逆加成斷裂和鏈轉(zhuǎn)移工藝制備帶有側(cè)基吲哚基團(tuán)的功能高分子材料并進(jìn)行表征，所得的功能高分子材料顯示出熱可逆性以及愈合特性。

2020年4月，Prof.Satoshi Horike提出非晶態(tài)和功能性作為配位聚合物的新研究方向，金屬離子和有機(jī)橋聯(lián)配體的結(jié)合，以及液相/玻璃相轉(zhuǎn)化，提供了離子液體和其他離子軟材料制備的可能性。同步加速器的測量和計(jì)算方法有助于闡明液體/玻璃態(tài)的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)。提供了調(diào)整孔隙率，電導(dǎo)率，透明度和其他材料特性的機(jī)會。

2020年4月，耿悅等總結(jié)了各類高分子材料圖案化技術(shù)，歸納了高分子圖案化技術(shù)在光電器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對未來的發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇進(jìn)行了展望[5]。

3 功能高分子材料在工程中的應(yīng)用

3.1 光電功能高分子材料

光電功能高分子材料其在某一個相對固定的背景下，體現(xiàn)出各種光電性能。依據(jù)其功能，可以將其劃分為高分子駐極體、導(dǎo)電高分子材料以及高分子電活性材料等。依據(jù)其組成情況可以將其分成兩大類。一類屬于復(fù)合功能的材料，另一類屬于結(jié)構(gòu)型電功能材料。光電功能高分子材料目前主要被廣泛地應(yīng)用于電子器件以及特殊用途電池生產(chǎn)等方面。在特定的環(huán)境下，光電功能高分子材料可以表現(xiàn)出多種樣式的性質(zhì)，其在電子器件和敏感器件中也有廣泛的應(yīng)用。

光電高分子材料是以有機(jī)高分子材料為基體，加入一定數(shù)量的石墨、金屬粉、碳纖維、金屬纖維、金屬氧化物導(dǎo)電物質(zhì)等組合而成的復(fù)合型的具有導(dǎo)電性的高分子材料。該類材料兼具金屬的導(dǎo)電性和高分子材料的易加工特性。此外，光電功能高分子材料還具有電阻率可調(diào)范圍大、加工性好、工藝簡單、耐腐蝕、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。經(jīng)過相關(guān)科研人員及相關(guān)行業(yè)幾十年的不斷研究，該領(lǐng)域已經(jīng)獲得長足發(fā)展，功能高分子光電功能材料的種類不斷豐富，推動相關(guān)器件性能顯著提高。目前基本可滿足電子紙、微型處理器、柔性顯示、化學(xué)/生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，正推動著可印刷、柔性大面積電子學(xué)、可穿戴電子新時(shí)代的快速發(fā)展[6]。

3.2 高分子功能膜材料

高分子功能由于具有選擇性的透過能力，可以用作膜型材料。通常它還是具有可以將物質(zhì)進(jìn)行分離的特殊性功能的分離膜或者是功能膜。與其他材料相比，高分子功能膜材料由于在膜兩側(cè)的產(chǎn)物為透過產(chǎn)物和原產(chǎn)物兩種，有利于將選取的產(chǎn)物進(jìn)行收集。另外，在分離的過程中不會出現(xiàn)異常或者相變能消耗的情況。高分子功能膜具有識別物質(zhì)的和對物質(zhì)進(jìn)行分離兩大功能，它還具有對物質(zhì)和能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的功能。在工程應(yīng)用過程中，其隨著條件不同顯現(xiàn)出特性。

3.3 液晶高分子材料

由纖維和樹脂在分子水平進(jìn)行微觀復(fù)合組成的液晶高分子材料，其具有高強(qiáng)度、質(zhì)地好、數(shù)量大的優(yōu)勢，在生活中得以廣泛的應(yīng)用。液晶高分子材料包括：光學(xué)非線性高分子液晶、生物性高分子液晶、光導(dǎo)高分子液晶和高分子液晶膜等。由于它們的特殊性能將會有非常廣闊的重要應(yīng)用前景。

從應(yīng)用領(lǐng)域分析，液晶高分子材料已成為電子電氣行業(yè)中需求量最大且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。平均年增長遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于通訊業(yè)、工業(yè)界及運(yùn)輸業(yè)。其應(yīng)用主要用于光纜結(jié)構(gòu)件、機(jī)械手、復(fù)合材料、功能件、泵/閥門組件、接插件、開關(guān)、繼電器、模塑印刷電路板等，顯著推動了液晶高分子技術(shù)及其他高新技術(shù)的發(fā)展。

3.4 醫(yī)用功能高分子材料

某些特殊功能高分子材料，在生物體出現(xiàn)生理系統(tǒng)疾病時(shí)，可以對疾病起到診斷及治療的作用，達(dá)到有效促進(jìn)生物體功能的恢復(fù)作用。這類醫(yī)用功能高分子材料也可以應(yīng)用于生物體的再生損傷組織或者器官，達(dá)到最大限度緩解生物體病情及延長生命的作用。所以，醫(yī)用功能高分子材料被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域中。

醫(yī)用高分子材料已經(jīng)成為新興材料工業(yè)中發(fā)展最快的品種之一，目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的醫(yī)用高分子材料達(dá)到90個品種以上，具有1 800多種制品，醫(yī)用塑料的年銷售額在31億美元以上。預(yù)計(jì)未來15a內(nèi)，包括生物醫(yī)用高分子材料在內(nèi)的醫(yī)用功能高分子材料將成為21世紀(jì)世界醫(yī)療器械的支柱產(chǎn)業(yè)。但是，與國外相比，國內(nèi)關(guān)于醫(yī)用功能高分子材料的研究工作及生產(chǎn)規(guī)模，均具有相當(dāng)?shù)牟罹啵饕憩F(xiàn)在：研究速度慢，出成果周期較長，生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)水平較低，產(chǎn)品更新快，導(dǎo)致研究速度跟不上產(chǎn)品更新速度；材料品種有限，導(dǎo)致制品規(guī)格不全，不能形成系列化成果；檢測手段滯后，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差，可降解性差。

4 功能高分子材料發(fā)展趨勢

近年來，我國對功能高分子材料的研究逐步深入，使得功能高分子材料促進(jìn)了其他行業(yè)的發(fā)展，也給我們的生活帶來了更多的便利。在國家政策的指引下，國家對新材料產(chǎn)業(yè)尤為重視，作為新材料中的功能高分子材料的發(fā)展，必將迎來快速的發(fā)展。功能高分子材料的發(fā)展趨勢可概括為：高性能化、高功能化、智能化和綠色化。

高性能化：功能高分子材料的重要發(fā)展趨勢為增強(qiáng)高分子材料的物理性質(zhì)，如提高耐高溫性、耐腐蝕性、抗老化性等。這對于功能高分子材料在機(jī)械、交通、汽車、航天、電子信息技術(shù)和家用電器等行業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。

高功能化：增強(qiáng)高分子材料的原有功能，擴(kuò)展其在更多方向的應(yīng)用。

智能化：利用高分子材料具有的存儲、傳遞、處理信息的功能，這是功能高分子材料研究的重要方向，一旦取得突破，將帶來高分子智能材料領(lǐng)域和人工智能的飛躍式發(fā)展。

綠色化：改善部分高分子材料具有毒副作用，難以降解的特點(diǎn)，研究環(huán)境友好的，綠色化的功能高分子材料，促進(jìn)社會和諧發(fā)展。

5 結(jié)束語

功能高分子材料優(yōu)異的性能可帶來各個領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步，甚至質(zhì)的飛躍，在各行業(yè)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)收益和社會效益，并促使新產(chǎn)品的出現(xiàn)。功能高分子材料具有較強(qiáng)的力學(xué)性能及其他優(yōu)勢和特點(diǎn)，在現(xiàn)代化工業(yè)發(fā)展方面可以大范圍的推廣和應(yīng)用，在機(jī)械加工、電子、航空航天、船舶制造和兵器工業(yè)等行業(yè)也有廣泛應(yīng)用前景。