智能高分子材料ppt课件
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智能高分子材料
智能高分子材料智能高分子材料指的是具有特殊响应能力和功能的高分子材料。
智能高分子材料在外界刺激下能够产生可逆或不可逆的形态、结构或性能变化，并在一定条件下恢复到初始状态。
它们具有响应度高、灵敏度好、可控性强等特点，被广泛应用于传感、控制、储存、传输等领域。
智能高分子材料主要分为两大类：一类是温度敏感材料，另一类是pH敏感材料。
温度敏感材料是指在一定温度范围内发生形态或性能变化的高分子材料。
常见的温度敏感材料有聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）等。
PNIPAAm在低于其临界解聚温度（LCST）时为亲水性，高于LCST时为疏水性。
利用这一特性，可以将PNIPAAm制成智能气泡药物传递系统，通过调节温度来控制药物的释放速率。
pH敏感材料是指在不同酸碱条件下发生形态或性能变化的高分子材料。
常见的pH敏感材料有聚丙烯酸（PAA）等。
PAA在酸性条件下呈现负电性，而在碱性条件下呈现中性或正电性。
利用这一特性，可以将PAA制成智能纳米粒子，用于靶向药物输送、细胞成像等。
智能高分子材料还有其他类型，如光敏感材料、电磁敏感材料等。
光敏感材料是指在光照条件下发生形态或性能变化的材料，常见的有光敏聚合物。
电磁敏感材料是指在电磁场作用下发生形态或性能变化的材料，常用于柔性传感器、变色材料等。
智能高分子材料的应用非常广泛。
在生物医学领域，智能高分子材料可用于药物传递、组织工程、生物传感等；在环境保护领域，智能高分子材料可用于污水处理、气体吸附等；在能源领域，智能高分子材料可用于储能、太阳能电池等。
智能高分子材料的发展前景十分广阔。
随着科学技术的不断进步，人们对材料的要求也越来越高。
智能高分子材料可以根据不同的需求进行设计和制备，可实现多种功能，为各行各业提供更优质、更高效的解决方案。
预计未来智能高分子材料将在医疗、环保、能源等领域大显身手，为人类的生活和社会进步做出更大贡献。
新型高分子材料第五章——智能高分子材料
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9
（2）形状记忆高分子材料
形状记忆高分子（Shape Memory Polymer,SMP ）是指具 有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定 后，通过外界条件（如热、光、电、化学感应）等的刺激， 又可恢复其初始形状的高分子材料。
医疗器材-固定创伤部位的器材
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10
记忆起始态
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29
5.2.2.2 PH敏感性凝胶
PH敏感性凝胶是其体积能随环境的PH值的变化而变化的高分子 凝胶。这类凝胶通过交联形成大分子网络。网络中具有可解离的基 团，如弱酸性基团和碱性基团。其网络结构和电荷密度随pH的变化 而变化，并对凝胶网络的渗透压产生 影响，导致凝胶的体积发生不连续变
化。也就是说，当PH值发生变化时， 水凝胶体积随之变化。
智能材料具备下列智能特性：
(1)具有感知功能，可探测并识别外界（或内部）的刺激强度，
如应力、应变、热、光、电、磁、化学、辐射等； (2)具有信息传输功能，以设定的优化方式选择和控制响应； (3)具有对环境变化作出响应及执行的功能； (4)反应灵敏、恰当；
(5)外部刺激条件消除后能迅速回复到原始状态。
Page 19
聚氨酯 异氰酸酯、多元醇和链增长剂聚合而成。 固定相为部分结晶相，可逆相为在Tg发生玻璃态 与橡胶态可逆变化的聚氨酯软段。形状恢复温度为-
30～70℃，选择适宜的原料种类和配比就可以调节Tg。 目前已制得Tg分别为25℃、35℃、45℃和55℃的形状 记忆聚氨酯材料。
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（3）智能织物
原因是自由离子定向移动会造成凝胶内外离子浓度不均，产生渗透压变化引起 凝胶变形。再一个原因是自由离子定向移动会造成凝胶内不同部位pH值不同，从 而影响凝胶中聚电解质电离状态，使凝胶结构发生变化，造成凝胶形变。 Page 31
智能高分子材料
19 19
固定相：聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作 温度范围内保持稳定，用以保持成型制品 形状即记忆起始态。 可逆相：能够随温度变化在结晶与结晶熔融态（Tm） 或玻璃态与橡胶态间可逆转变（Tg），相应 结构发生软化、硬化可逆变化—保证成型制 品可以改变形状。
20 20
两相结构：固定相＋可逆相
30 30
3.其他种类形状记忆高分子材料
• 3.1电致形状记忆高分子材料
• 定义：它是热致型形状记忆高分子材料与 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。 • 其记忆机理与热致感应型形状记忆高分 子相同, 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。
1.3.1 分类
•
SMP记忆过程即完成：
记忆起始态 固定变形态 恢复起始态
引发形状记忆效应的外部环境因素：
物理因素：热能，光能，电能和声能等。
化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。
13 13
•
故根据记忆响应机理，形状记忆高分子可 以分为以下几类:
1）热致感应型SMP 2）光致感应型SMP 3）电致感应型SMP 4）化学感应型SMP
物理交联结构 固定相 化学交联结构
热塑性SMP
热固性SMP 结晶态
热致感应SMP 相结构
可逆相（物理交联结构）
玻璃态等
21 21
2.1热致SMP形状记忆过程
加热
2.1热致SMP形状记忆过程
以热塑性SMP为例
A
B
(1) 热成形加工： 将粉末状或颗粒状树脂加热融化使固定相和软 化相都处于软化状态，将其注入模具中成型、冷却，固定相硬化， 可逆相结晶，得到希望的形状A，即起始态。（一次成型）
智能高分子材料
智能高分子
秦鹏 胡书厚 刘盛松 齐耀辉
智能金属材料
功能材料
智能材料
智能无机非金属材料
智能高分子材料
多水平结构层次 较弱的分子间作用力 侧链易引入官能团 便于分子设计和精细控制 质轻易涂覆 利于感知判 断环境实现 环境响应
智能材料与普通材料的区别
智能材料特征
传感功能 反馈功能 信息识别与积累功能 响应功能 自诊断能力 自修复能力 自调节能力
对应力形状体积色泽等有记效 应
热适应性，可逆收缩性
智能高分子 凝胶 智能高分子 复合材料 智能高分子膜
三维高分子网络与溶剂 组成的体系，体积相转变 集成传感器、信息处理器 功能驱动器，多学科交叉产物 选择性渗透、选择性吸附和分离 等 膜的组成、结构和形态的变化
下面简要的介绍三种智能高分子材料： 智能高分子膜 记忆功能高分子材料 智能高分子凝胶
液膜分离
浓度差
杂质
记忆功能高分子材料（shape memory polyme r)
形状记忆是指具有初始形状的制品，经形变固定之后，通过 加热等外部条件刺激手段的处理，又可使其恢复初始形状的 现象,可分为热致感应型，光致感应型，电致感应型，化学感 应型四种。 记忆起始态
应力记忆高分子材料 形状记忆高分子材料 体积记忆高分子材料 色泽记忆高分子材料
4）按功能分类 日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为： 分离功能膜 气体/液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜 能量转化功能膜 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 探感膜、生物反应器、医用膜
几种主要分离膜的分离过程
膜过程 微滤 推动力 压力差 传递机理 颗粒大小形状 透过物 水、溶剂溶解物 截留物 膜类型 纤维多孔膜
秦鹏 胡书厚 刘盛松 齐耀辉
智能金属材料
功能材料
智能材料
智能无机非金属材料
智能高分子材料
多水平结构层次 较弱的分子间作用力 侧链易引入官能团 便于分子设计和精细控制 质轻易涂覆 利于感知判 断环境实现 环境响应
智能材料与普通材料的区别
智能材料特征
传感功能 反馈功能 信息识别与积累功能 响应功能 自诊断能力 自修复能力 自调节能力
对应力形状体积色泽等有记效 应
热适应性，可逆收缩性
智能高分子 凝胶 智能高分子 复合材料 智能高分子膜
三维高分子网络与溶剂 组成的体系，体积相转变 集成传感器、信息处理器 功能驱动器，多学科交叉产物 选择性渗透、选择性吸附和分离 等 膜的组成、结构和形态的变化
下面简要的介绍三种智能高分子材料： 智能高分子膜 记忆功能高分子材料 智能高分子凝胶
液膜分离
浓度差
杂质
记忆功能高分子材料（shape memory polyme r)
形状记忆是指具有初始形状的制品，经形变固定之后，通过 加热等外部条件刺激手段的处理，又可使其恢复初始形状的 现象,可分为热致感应型，光致感应型，电致感应型，化学感 应型四种。 记忆起始态
应力记忆高分子材料 形状记忆高分子材料 体积记忆高分子材料 色泽记忆高分子材料
4）按功能分类 日本著名高分子学者清水刚夫将膜按功能分为： 分离功能膜 气体/液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜 能量转化功能膜 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 探感膜、生物反应器、医用膜
几种主要分离膜的分离过程
膜过程 微滤 推动力 压力差 传递机理 颗粒大小形状 透过物 水、溶剂溶解物 截留物 膜类型 纤维多孔膜
第4章智能高分子材料课件
质子化程度相应改变，导致聚合物网络
结构单元的离子键或氢键状态改变；
18
(1) pH敏感性凝胶 ★聚丙烯酸（羧基电离） 高pH值：溶胀 低pH值：收缩 ★壳聚糖 (CS － NH2) 与聚丙二醇聚醚 (PE) 的半 互穿聚合物
冷却 加热
混浊
★离子化的部分水解聚丙烯酰胺凝胶置于水－丙酮溶 液中 随溶剂浓度和温度变化，凝胶溶胀或收缩数倍。
新的研究领域：灵巧凝胶、智能凝胶
4
智能高分子材料的研究内容：
(1)智能高分子凝胶 ——刺激响应性高分子凝胶 受到环境刺激时会随之响应，发生结构、物
理性质、化学性质变化的凝胶。
单一响应性 —— 压力、温度、光强、电 ( 磁 ) 场、 组成、pH值、离子强度、特异 的化学物质刺激； 双(多)重响应性——热-光、磁－热、pH值－离 子刺激等。
13
(2)光敏感性凝胶Fra bibliotek由于光辐射(光刺激)而发生体积相转变的凝胶
机理一：聚合物链上的光敏感分子的经光辐照后 发生光异构化，伴随几何结构的改变， 发生不连续的相转变。
机理二：光敏感分子发生光解离作用 ( 即遇光分解 产生的离子化 ) ，使凝胶内外离子浓度差 改变，造成凝胶渗透压突变，促使凝胶发 生溶胀做出光响应。
接触电场：部分水解的聚丙烯酰胺凝胶浸入50% 的丙酮水溶液中 非接触电场：聚乙烯醇(PVA)与聚丙烯酸(PAA) 共混物弯曲
应用：化学开关、药物释放体系、人工肌肉 17
4.3.2 化学刺激响应性
(1) pH敏感性凝胶
随pH值的变化发生溶胀或收缩的凝胶。 结构特征：网络中含有大量易水解或质子化的 酸、碱基团(如羧基或氨基)。 机理：随外界 pH 值变化，酸、碱基团的解离或
《智能高分子材料》课件
智能高分子材料的应用
智能高分子材料在各个领域具有广泛的应用。
应用范围
智能高分子材料可以应用于多个领域，包括生 物医学、环境保护和智能化机械等领域。
生物医学领域中的应用
智能高分子材料可以用于药物传递、组织工程 和生物传感器等方面。
环境保护领域中的应用
智能高分子材料可以用于水处理、污染监测和 环境修复等领域。
随着科技的进步和需求的不断增更广泛的应用前景。
3
挑战与机遇
智能高分子材料的研究面临着一些技术 挑战，但同时也带来了许多创新和商业 机会。
总结
智能高分子材料具有许多优势，并且在未来的发展中有着广阔的前景。发挥 智能高分子材料在各个领域中的作用将促进科技创新和社会进步。
《智能高分子材料》PPT课件
什么是智能高分子材料
智能高分子材料具有高分子材料的特点，但其特殊之处在于可以根据外界刺激作出相应的变化，具备某种可控、 可调节性质。
智能高分子材料的分类
智能高分子材料可以根据响应方式、响应机理和功能进行分类。 • 根据响应方式分类 • 根据响应机理分类 • 根据功能分类
智能化机械领域中的应用
智能高分子材料可以用于机械传动、变形控制 和智能感知等方面。
智能高分子材料的研究进展
智能高分子材料的研究一直在不断取得进展，涉及最新的研究成果、发展趋势以及面临的挑战与机遇。
1
最新研究成果
通过不断的研究和创新，智能高分子材
发展趋势
2
料的应用领域不断拓展，并取得了许多 重要的研究成果。
智能高分子材料
.
2、物料分离
• 金蔓蓉等用水凝胶对牛血清蛋白、碱性蛋白以 及人体激素溶液进行浓缩萃取实验，结果表明 凝胶萃取对于浓缩和制备贵重生化制品很有效， 尤其有利于保持被处理药物的生物活性。
.
2、物料分离
• 此外，温敏水凝胶还可以直接制备成水凝胶膜， 也可以接枝于高分子膜的表面，制成刺激响应性 膜材料，由温度的变化来改变膜的通透性。
（2）分子识别型刺激响应性 ➢蛋白质可记忆和复制独特的构象，以难以置信
的特异性识别外界的分子，并以极高的效率催化 化学反应。
.
2、化学刺激响应性
（2）分子识别型刺激响应性
➢模仿生物体系的分子识别功能，并将此类功能 引入高分子材料乃是一个诱人的研究方向，但这 涉及将特异识别位点导入高度交联多孔聚合物的 分子印迹技术。
.
典型的热致收缩型水凝胶---PNIPAM
20度
.
45度
1、物理刺激响应性
(2) 电场响应性
➢田中丰一研究组在1983年首次报道了凝胶对电 场的响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩 并将电能转换机械能。
➢科学家们将凝胶视作人工肌肉的候选材料，希望 能在机器人驱动元件或假肢方面得到应用。
.
四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性
(3) 磁场响应性
凝胶响应磁场而溶胀和收缩的研究工作始于美国
MIT研究组。他们将磁铁“种植”在凝胶内，当施
加磁场时铁磁体发热，使周围凝胶温度升高诱发溶
胀或收缩，去除磁场后，凝胶冷却恢复激响应性 1、物理刺激响应性
（4）光响应性
光响应材料设计涉及到将能产生光化学反应的 发光基团引入高分子材料中。此类材料在光记 录介质、化学传感器和非线性光学材料方面应 用前景良好。
2、物料分离
• 金蔓蓉等用水凝胶对牛血清蛋白、碱性蛋白以 及人体激素溶液进行浓缩萃取实验，结果表明 凝胶萃取对于浓缩和制备贵重生化制品很有效， 尤其有利于保持被处理药物的生物活性。
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2、物料分离
• 此外，温敏水凝胶还可以直接制备成水凝胶膜， 也可以接枝于高分子膜的表面，制成刺激响应性 膜材料，由温度的变化来改变膜的通透性。
（2）分子识别型刺激响应性 ➢蛋白质可记忆和复制独特的构象，以难以置信
的特异性识别外界的分子，并以极高的效率催化 化学反应。
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2、化学刺激响应性
（2）分子识别型刺激响应性
➢模仿生物体系的分子识别功能，并将此类功能 引入高分子材料乃是一个诱人的研究方向，但这 涉及将特异识别位点导入高度交联多孔聚合物的 分子印迹技术。
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典型的热致收缩型水凝胶---PNIPAM
20度
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45度
1、物理刺激响应性
(2) 电场响应性
➢田中丰一研究组在1983年首次报道了凝胶对电 场的响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩 并将电能转换机械能。
➢科学家们将凝胶视作人工肌肉的候选材料，希望 能在机器人驱动元件或假肢方面得到应用。
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性
(3) 磁场响应性
凝胶响应磁场而溶胀和收缩的研究工作始于美国
MIT研究组。他们将磁铁“种植”在凝胶内，当施
加磁场时铁磁体发热，使周围凝胶温度升高诱发溶
胀或收缩，去除磁场后，凝胶冷却恢复激响应性 1、物理刺激响应性
（4）光响应性
光响应材料设计涉及到将能产生光化学反应的 发光基团引入高分子材料中。此类材料在光记 录介质、化学传感器和非线性光学材料方面应 用前景良好。
智能高分子材料讲解PPT课件
加热
将其冷却到可逆相结晶硬化的温度以下，材料保待A 形状。 ——SMP没有双程记忆效应
第12页/共96页
热致形状记忆反应过程简图
第13页/共96页
8.5.3光致SMP
• 一定方式引入光致变色基团，光照时候，基团发生异构反应传递给侧链，引发宏 观变形，光照取消后，可逆反应
第14页/共96页
8.5.3光致SMP
形状记忆聚合物(SMP)
具有初始形状的聚合物制品经形变固定后， 通过加热等外部刺激手段的处理又可恢复初始形 状的聚合物。
优点：形变量大、形变加工方便、形状恢复温度易 于调整、电绝缘性和保温效果好、不生锈、 易着色、可印刷、质轻、耐用、价格低廉。
缺点：强度低、形变恢复驱动力小、刚性和硬度低、 稳定性差、性能易受外部环境的物理、化学 因素的影响，易燃烧、耐热性差、易老化、 使用寿命短。
第15页/共96页
8.5.3光致SMP
第16页/共96页
热致SMP与SMA的形状记忆效果比较：
(1)SMA的形变量低，一般在l0％以下，而SMP较高， 形状记忆聚氨酯和TPI均高于400％。
(2)SMP的形状恢复温度可通过化学方法调整；如形 状记忆聚氨酯的恢复温度范围为30－70℃，具体 品种的SMA的形状恢复温度一般是固定的。
热致形状记忆高分子种类
聚烯烃类： 耐高温 耐腐蚀场合 聚酯类：耐热 耐化学药品-医用 聚氨酯类：建筑 医学
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8.5.2 热致SMP 在室温以上一定温度变形并能在室温固定形变且
长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，能很快 回复初始形状的聚合物。
两相结构：固定相＋可逆相
固定相：聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作温 度范围内保持稳定，用以保持成型制品形状 即记忆起始态。
高分子智能材料全解课件
酸碱性质
配位性质
一些高分子智能材料可以与金属离子 发生配位反应，可以用于制备金属配 合物和催化剂等。
一些高分子智能材料具有酸碱性质， 可以用于制备离子交换树脂和酸碱传 感器等。
热学性质
1 2 3
热稳定性 高分子智能材料的热稳定性与其分子链结构和聚 集态结构密切相关，一些高分子智能材料可以在 高温下保持稳定的性能。
历史与发展
历史
高分子智能材料的研究始于20世纪80年代，随着材料科学、 物理学、化学等学科的发展，高分子智能材料逐渐成为研究 的热点。
发展
近年来，高分子智能材料在传感器、驱动器、智能复合材料 等领域的应用不断拓展，为未来智能化、多功能化的发展提 供了重要支撑。
特点与优势
特点
高分子智能材料具有感知、响应和自适应能力，能够对外界环境或刺激因素作出 快速、灵敏的响应，并表现出良好的稳定性和可重复性。
高分子智能材料全解课件
• 高分子智能材料的概述 • 高分子智能材料的挑战与解决方
01
高分子智能材料的概述
定义与分类
定义
高分子智能材料是指具有感知、响应 和自适应能力的功能材料，能够对外 界环境或刺激因素作出响应，并表现 出一定的智能行为。
分类
根据其响应方式和功能特点，高分子 智能材料可分为刺激响应型、自适应 型和生物仿生型等。
辐射接枝
利用辐射引发高分子智能材料表面上 的自由基，与其它单体进行接枝聚合。
化学镀
在高分子智能材料表面沉积金属或非 金属镀层，提高其导电性、耐腐蚀性 等性能。
04
高分子智能材料的应用领域
电子信息领域
电子信息领域是高分子智能材料应用的重要领域之一。高分子智能材料在电子信息领域中主要用于制 造电子元件、电路板、传感器、执行器等。它们具有优异的电性能、稳定性、耐高温和耐腐蚀等特性， 能够满足电子信息领域对高性能材料的需求。
智能高分子PPT课件
形状记忆高分子聚合物是Et本十年前率先开发出来的，属于 弹性记忆材料，形状记忆高分子 是一种新型的功能高分子材 料。
形状记忆高分子材料已广泛应用于航空航天、电子通讯、机 械制造、能源输送、医疗卫生等领 域。近年来，日、美、法 等国家不断有新的形状记忆高分子问世 ，我国也在这一领域 进行了大量的研究探索。
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料 之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向 之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材 料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功 能多样化。
什么是智能材料
一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能 、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复 能力和自适应能力。
申
具有形状记忆功能的高分子材料
形状记忆效应：
一定外界 条件下， 使材料成 为某形状 （起始态）
外界作用
环境因素（热、PH值、电、 磁等）刺激使材料应答
得到固定形状（固 定态）
高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定。
• 在其内部存在着互相结合成网状的架桥,架桥的存在使高 分子链间不发生滑动。
从人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都 会把人类与自然和谐相处的能力提高到一个新的水平，给社 会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精 神文明向前推进一步。可以肯定的说，终有一天各种各样实 用的智能材料会大量出现在我们的面前。
随着新催化剂的研究和新的合成工艺以及纳米技术研究的深 入，在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复 合与加工生产成为可能。
• 把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高 分子链运动变形使之保持一定状态。
形状记忆高分子材料已广泛应用于航空航天、电子通讯、机 械制造、能源输送、医疗卫生等领 域。近年来，日、美、法 等国家不断有新的形状记忆高分子问世 ，我国也在这一领域 进行了大量的研究探索。
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料 之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向 之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材 料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功 能多样化。
什么是智能材料
一般说来，智能材料有七大功能，即传感功能、反馈功能 、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复 能力和自适应能力。
申
具有形状记忆功能的高分子材料
形状记忆效应：
一定外界 条件下， 使材料成 为某形状 （起始态）
外界作用
环境因素（热、PH值、电、 磁等）刺激使材料应答
得到固定形状（固 定态）
高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定。
• 在其内部存在着互相结合成网状的架桥,架桥的存在使高 分子链间不发生滑动。
从人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都 会把人类与自然和谐相处的能力提高到一个新的水平，给社 会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精 神文明向前推进一步。可以肯定的说，终有一天各种各样实 用的智能材料会大量出现在我们的面前。
随着新催化剂的研究和新的合成工艺以及纳米技术研究的深 入，在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复 合与加工生产成为可能。
• 把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高 分子链运动变形使之保持一定状态。
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2、化学刺激响应性
（2）分子识别型刺激响应性 ➢蛋白质可记忆和复制独特的构象，以难以置信
的特异性识别外界的分子，并以极高的效率催化 化学反应。
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2、化学刺激响应性
（2）分子识别型刺激响应性
➢模仿生物体系的分子识别功能，并将此类功能 引入高分子材料乃是一个诱人的研究方向，但这 涉及将特异识别位点导入高度交联多孔聚合物的 分子印迹技术。
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2、凝胶材料
五、新型智能高分子水凝胶
1、快速响应性水凝胶 传统水凝胶溶胀速度较慢，但有许多场合需要 分子网络能很快地溶胀。为了提高水凝胶的响 应速度，在传统水凝胶的基础上制备了几种新 型水凝胶。
26
1、快速响应性水凝胶
（1）微凝胶
➢研究表明，水凝胶溶胀或收缩达到平衡所需的 时间与水凝胶的线性尺寸的平方呈正比，据此 得出，小的凝胶颗粒响应外界刺激比大凝胶快。 因此为了提高水凝胶的响应速度，研究者合成 出微凝胶或纳米尺寸的水凝胶。
5
1、 概 述
➢凝胶材料 ➢形状记忆高分子材料
6
2、 凝胶材料
海参没有骨骼等硬的构造，其 大部分都由水及凝胶材料组成；
利用人工合成的高分子凝胶 来模拟海参类的生物组织。
7
2、智能凝胶材料
一、简介：
凝胶是由液体与高分子网络所组成的三维网络结 构，其大分子主链或侧链上含有离子解离性、极 性或疏水性基团，对溶剂组分、温度、pH值、 盐浓度、光和电场等环境变化能产生一定的响应， 发生可逆的不连续的体积变化。
8
2、凝胶材料
一、简介：
➢ 由于液体与高分子网络的亲和性，液体被高分 子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶 会象固体一样显示出一定的形状。
9
2、凝胶材料
一、简介：
➢ 由于凝胶材料中含有液体，不像固体那样维持 其形状，因此，凝胶材料也曾被称为“湿材料” 或者“软材料”。
10
2、凝胶材料
二、高分子水凝胶的制备
18
典型的热致收缩型水凝胶---PNIPAM
20度
45度
19
1、物理刺激响应性
(2) 电场响应性
➢田中丰一研究组在1983年首次报道了凝胶对电 场的响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩 并将电能转换机械能。
➢科学家们将凝胶视作人工肌肉的候选材料，希望 能在机器人驱动元件或假肢方面得到应用。
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第九章 功能高分子
智能高分子材料
1
1、 概 述
一、简介
定义：智能材料(Intelligent Material 或sm art Material)：指具有感知环境刺激，对之 进行分析、处理、判断，并采取一定的措施 进行适度响应的智能特征的材料。
2
1、 概 述
一、简介
➢构思：源于仿生； ➢目标：获得类似人的各种功能的“活”的材料，
四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性
(3) 磁场响应性
凝胶响应磁场而溶胀和收缩的研究工作始于美国M IT研究组。他们将磁铁“种植”在凝胶内，当施加 磁场时铁磁体发热，使周围凝胶温度升高诱发溶胀 或收缩，去除磁场后，凝胶冷却恢复至原来的尺寸。
21
四、高分子凝胶的刺激响应性 1、物理刺激响应性
使材料系统微结构中集成智能与生命特征，达 到减小质量，降低能耗，并产生自适应功能。
3
1、 概 述
智能性体现:
➢具有感知功能：能够检测并识别周围环境的变 化，如应力、应变、热、光、电、磁及核辐射 等;
➢具有驱动特性及响应环境变化功能;
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1、 概 述
智能性体现:
➢能以设定的方式选择和控制响应; ➢反应灵敏恰当; ➢在刺激消除后能够迅速恢复到原始状态。
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二、高分子水凝胶的制备 单体交联聚合
➢单体交联聚合：在交联剂存在的情况下，单体 经自由基均聚或共聚而制得高分子凝胶的方法。
➢在聚合反应过程中，可以通过加入或改变引发 剂、鳌合剂、链转移剂等来控制聚合动力学， 以及所得高分子凝胶的性质。
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二、高分子水凝胶的制备
单体交联聚合
➢制备高分子凝胶的单体：主要有丙烯酸系列、 丙烯酰胺系列和醋酸乙烯酯等，
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性 （1）温度响应性
➢ 温敏水凝胶：分子中有一定比例的亲水和疏水 基团，温度的变化可以影响这些基团的亲疏水 作用以及氢键作用，从而使凝胶的网络结构改 变，导致发生体积相转变的一类凝胶。
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性 （1）温度响应性 ➢温敏水凝胶发生体积相变的温度称为临界相变
➢聚合反应可以借助引发剂引发和辐射引发完成， 交联剂最主要的是利用交联剂来完成，如双乙 烯基交联剂。
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2、凝胶材料
三、溶胀行为与作用机理
在凝胶的溶胀过程中： ➢溶剂试图渗入高聚物网络内使其体积膨胀， ➢交联聚合物体积膨胀，导致网络分子链向三度
空间伸展，使分子网络受到应力产生弹性收缩， ➢当两种相反的倾向相抗衡时，达到了溶胀平衡。
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1、快速响应性水凝胶
（2）大孔及超孔水凝胶 凝胶溶胀或收缩过程主要为高分子网络的吸收或 释放溶剂，这是一个慢的扩散过程，而且接近临 界点时更慢。
➢聚合物成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高分子凝胶材料必须具备两个条 件：高分子主链或侧链上带有大量的亲水基团， 并具有适当的交联网络结构。
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二、高分子水凝胶的制备
➢起始原料：可以是单体、聚合物、或者是单 体和聚合物的混合物。
➢制备方法：单体的交联聚合、接枝聚合和水 溶性高分子的交联等，其中单体交联是目前 制备高分子凝胶的最主要方法。
（4）光响应性
光响应材料设计涉及到将能产生光化学反应的 发光基团引入高分子材料中。此类材料在光记 录介质、化学传感器和非线性光学材料方面应 用前景良好。
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四、高分子凝胶的刺激响应性 2、化学刺激响应性
（1） pH响应性 通过线形聚合物之间交联或互穿而形成的体型大 分子网络结构；网络中含有可离子化的酸性或碱 性基团，随着介质pH值、离子强度的改变，这 些基团会发生电离，导致网络内大分子链段间氢 键的解离，产生不连续的溶胀体积变化。
温度( LCST)： ➢低于LCST，温敏凝胶在水溶液中溶胀， ➢随着温度升高，达到LCST时，凝胶发生体积
相变而收缩。
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性 （1）温度响应性 ➢温敏水凝胶溶胀和收缩时的体积比为溶胀比q， ➢凝胶的LCST和q是决定其应用的关键因素，也
是设计温敏凝胶的主要参数。
2、化学刺激响应性
（2）分子识别型刺激响应性 ➢蛋白质可记忆和复制独特的构象，以难以置信
的特异性识别外界的分子，并以极高的效率催化 化学反应。
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2、化学刺激响应性
（2）分子识别型刺激响应性
➢模仿生物体系的分子识别功能，并将此类功能 引入高分子材料乃是一个诱人的研究方向，但这 涉及将特异识别位点导入高度交联多孔聚合物的 分子印迹技术。
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2、凝胶材料
五、新型智能高分子水凝胶
1、快速响应性水凝胶 传统水凝胶溶胀速度较慢，但有许多场合需要 分子网络能很快地溶胀。为了提高水凝胶的响 应速度，在传统水凝胶的基础上制备了几种新 型水凝胶。
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1、快速响应性水凝胶
（1）微凝胶
➢研究表明，水凝胶溶胀或收缩达到平衡所需的 时间与水凝胶的线性尺寸的平方呈正比，据此 得出，小的凝胶颗粒响应外界刺激比大凝胶快。 因此为了提高水凝胶的响应速度，研究者合成 出微凝胶或纳米尺寸的水凝胶。
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1、 概 述
➢凝胶材料 ➢形状记忆高分子材料
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2、 凝胶材料
海参没有骨骼等硬的构造，其 大部分都由水及凝胶材料组成；
利用人工合成的高分子凝胶 来模拟海参类的生物组织。
7
2、智能凝胶材料
一、简介：
凝胶是由液体与高分子网络所组成的三维网络结 构，其大分子主链或侧链上含有离子解离性、极 性或疏水性基团，对溶剂组分、温度、pH值、 盐浓度、光和电场等环境变化能产生一定的响应， 发生可逆的不连续的体积变化。
8
2、凝胶材料
一、简介：
➢ 由于液体与高分子网络的亲和性，液体被高分 子网络封闭在里面，失去了流动性，因此凝胶 会象固体一样显示出一定的形状。
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2、凝胶材料
一、简介：
➢ 由于凝胶材料中含有液体，不像固体那样维持 其形状，因此，凝胶材料也曾被称为“湿材料” 或者“软材料”。
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2、凝胶材料
二、高分子水凝胶的制备
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典型的热致收缩型水凝胶---PNIPAM
20度
45度
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1、物理刺激响应性
(2) 电场响应性
➢田中丰一研究组在1983年首次报道了凝胶对电 场的响应：在电场刺激下，凝胶产生溶胀和收缩 并将电能转换机械能。
➢科学家们将凝胶视作人工肌肉的候选材料，希望 能在机器人驱动元件或假肢方面得到应用。
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第九章 功能高分子
智能高分子材料
1
1、 概 述
一、简介
定义：智能材料(Intelligent Material 或sm art Material)：指具有感知环境刺激，对之 进行分析、处理、判断，并采取一定的措施 进行适度响应的智能特征的材料。
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1、 概 述
一、简介
➢构思：源于仿生； ➢目标：获得类似人的各种功能的“活”的材料，
四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性
(3) 磁场响应性
凝胶响应磁场而溶胀和收缩的研究工作始于美国M IT研究组。他们将磁铁“种植”在凝胶内，当施加 磁场时铁磁体发热，使周围凝胶温度升高诱发溶胀 或收缩，去除磁场后，凝胶冷却恢复至原来的尺寸。
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四、高分子凝胶的刺激响应性 1、物理刺激响应性
使材料系统微结构中集成智能与生命特征，达 到减小质量，降低能耗，并产生自适应功能。
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1、 概 述
智能性体现:
➢具有感知功能：能够检测并识别周围环境的变 化，如应力、应变、热、光、电、磁及核辐射 等;
➢具有驱动特性及响应环境变化功能;
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1、 概 述
智能性体现:
➢能以设定的方式选择和控制响应; ➢反应灵敏恰当; ➢在刺激消除后能够迅速恢复到原始状态。
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二、高分子水凝胶的制备 单体交联聚合
➢单体交联聚合：在交联剂存在的情况下，单体 经自由基均聚或共聚而制得高分子凝胶的方法。
➢在聚合反应过程中，可以通过加入或改变引发 剂、鳌合剂、链转移剂等来控制聚合动力学， 以及所得高分子凝胶的性质。
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二、高分子水凝胶的制备
单体交联聚合
➢制备高分子凝胶的单体：主要有丙烯酸系列、 丙烯酰胺系列和醋酸乙烯酯等，
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性 （1）温度响应性
➢ 温敏水凝胶：分子中有一定比例的亲水和疏水 基团，温度的变化可以影响这些基团的亲疏水 作用以及氢键作用，从而使凝胶的网络结构改 变，导致发生体积相转变的一类凝胶。
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性 （1）温度响应性 ➢温敏水凝胶发生体积相变的温度称为临界相变
➢聚合反应可以借助引发剂引发和辐射引发完成， 交联剂最主要的是利用交联剂来完成，如双乙 烯基交联剂。
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2、凝胶材料
三、溶胀行为与作用机理
在凝胶的溶胀过程中： ➢溶剂试图渗入高聚物网络内使其体积膨胀， ➢交联聚合物体积膨胀，导致网络分子链向三度
空间伸展，使分子网络受到应力产生弹性收缩， ➢当两种相反的倾向相抗衡时，达到了溶胀平衡。
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1、快速响应性水凝胶
（2）大孔及超孔水凝胶 凝胶溶胀或收缩过程主要为高分子网络的吸收或 释放溶剂，这是一个慢的扩散过程，而且接近临 界点时更慢。
➢聚合物成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ高分子凝胶材料必须具备两个条 件：高分子主链或侧链上带有大量的亲水基团， 并具有适当的交联网络结构。
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二、高分子水凝胶的制备
➢起始原料：可以是单体、聚合物、或者是单 体和聚合物的混合物。
➢制备方法：单体的交联聚合、接枝聚合和水 溶性高分子的交联等，其中单体交联是目前 制备高分子凝胶的最主要方法。
（4）光响应性
光响应材料设计涉及到将能产生光化学反应的 发光基团引入高分子材料中。此类材料在光记 录介质、化学传感器和非线性光学材料方面应 用前景良好。
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四、高分子凝胶的刺激响应性 2、化学刺激响应性
（1） pH响应性 通过线形聚合物之间交联或互穿而形成的体型大 分子网络结构；网络中含有可离子化的酸性或碱 性基团，随着介质pH值、离子强度的改变，这 些基团会发生电离，导致网络内大分子链段间氢 键的解离，产生不连续的溶胀体积变化。
温度( LCST)： ➢低于LCST，温敏凝胶在水溶液中溶胀， ➢随着温度升高，达到LCST时，凝胶发生体积
相变而收缩。
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四、高分子凝胶的刺激响应性
1、物理刺激响应性 （1）温度响应性 ➢温敏水凝胶溶胀和收缩时的体积比为溶胀比q， ➢凝胶的LCST和q是决定其应用的关键因素，也
是设计温敏凝胶的主要参数。