智能化高分子的研究进展

智能高分子材料的研究进展
摘要: 智能高分子材料是一种刺教一响应型聚合物或祷环境敏感聚旨播。

已成为功能高分子研兜的前沿领域。

本文对一些有代表性的智能高分子材料在各个领域的研究及应用进展作了简单的综述，并展望了其发展前景。

目前，具有各种智能的高分子材料在信息、电子、宇宙、海洋科学、生命科学等领域得到了应用。

智能高分子材料的开发与应用孕育着新一代的技术革命。

它将是21世纪使用的重要材料之一，并将促进新理论的产生和新产品的开发。

关键词：智能高分子；智能材料；进展
智能高分子材料是指能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现指令和执行的新材料。

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。

其中环境刺激因素很多，如温度、PH值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光或紫外光、应力和识别等，对这些刺激产生有效响应的智能聚合物自身性质会随之发生变化。

由于它具有反馈功能，与仿生和信息密切相关，其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃，已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视。

目前，有些开发中的智能高分子材料的应用有待理论研究的深入和拓宽，进一步改善智能高分子材料对刺激的响应特性，如响应速率、力度及可靠性等．智能高分子材料的发展日月异，有人预计21世纪可望向模糊高分子材料发展．所谓模糊材料，其刺激响应性不限于一一对应，材料本身能判断，依次发挥其调节功能，像动物的脑那样能记忆和判断。

下面重点介绍几种智能高分子材料。

1、智能型凝胶。

凝胶或称水凝胶为亲水性但不溶于水的聚合物，它在水中可溶胀至一平衡体积仍能保持其形状。

简单地说，凝胶就是由溶剂和高分子网络所组成的复合体系，与生物组织类似。

智能型高分子凝胶发展的基础为P．J．F1ory的凝胶溶胀理论，交联结构使之不溶解而保持一定的形状；渗透压的存在使之溶胀而达到平衡体积。

参加溶胀的推动力同分子链与溶剂分子之间的相互作用、网络内分子链之间的相互作用以及凝胶内外离子浓度差所产生的渗透压有关。

从体系的选择上看，国外大多采用合成聚合物或均聚物、接枝或嵌段共聚物、共混物、IPN、高分子微球等作为PH值、温度、电场、光及葡萄糖浓度的响应体系。

高分子凝胶的溶胀可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料；循环提供的动力可用来设计"化学发动机"；网孔的可控性适于智能药物释放体系。

2、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，模拟鼻嗅觉功能的味觉LB膜正在研究之中。

3、智能织物。

将聚乙二醇与各种纤维如棉、聚酯或聚酰胺／聚氨酯共混物结合，使其具有热适应性与可逆收缩性。

所谓热适应性，是赋予材料热记忆特征：温度升高时纤维冷却；温度降低时纤维发热。

此热记忆效应源于结合在纤维上的相邻多元醇螺旋间氢键相互作用。

温度升高时，氢键解离，系统趋于无序，此类线团松弛，过程吸热；当环境温度降低时，氢键使系统更为
有序，线团压缩，过程放热。

此类织物的另一功能是可逆收缩：湿时收缩，干时回复至其原始尺寸。

其中湿态收缩率可达35％，水以外的溶剂亦能使其产生这种响应。

如压力绷带，它在血液(其中主要是水)中收缩，伤口上所产生的压力会止血，绷带干燥时压力消除。

4、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、避振减振装臵。

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。

5、形状记忆材料。

高分子聚合物形状记忆材料是日本学者在80年代初以形状记忆合金(SMA)为基础开发出来的新型弹性记忆材料，同样具有SMA可"感知"及"驱动"的特点。

当温度到达特征温度时，材料从玻璃态转化到橡胶态，出现大的变形。

温度升高，材料变形容易；温度降低，硬化为持续可塑的新形状。

形状记忆过程可简单表达为：初始形状的制品一2次形变一形变固定一形变回复。

已经开发的形状记忆树脂主要有聚降冰片烯、反式1，4一聚异戊二烯、苯乙烯一丁二烯共聚物和聚氨酯等品种。

形状记树脂在工业上的应用很广，包括从精密复杂的机器到较为简单的连接件、紧固件，如各种管接头，热敏驱动元什，机器人手臂、肘、腕、指等以及利用其双向记忆功能进行能量转换的形状记忆热机。

6、高分子复合材料。

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，取代复杂的检测线路；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缝时，光路被切断而自动报警，可取代复杂的检测线路。

7、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。

较早开发的无机半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，复印过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。

8、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。

9、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。

结束语
以上介绍了智能高分子材料的概念及几种典型的智能高分子材料，另外有机光导纤维作为智能材料系统中的“神经网络”．也成为此领域的一个研究重点。

这方面的研究与开发孕育着新理论、新材料的出现，涉及科学技术的振兴，故它的研究成果势必波及信息电子科学技术、生命科学、宇宙、海洋科学技术以及软件科学技术，且利于提高人们的物质生活水平，这也是智能材料从一开始就为各方面所关注的原因。

高分子材料具有结构层次多样、便于分子设计和精细控制的特点，加之质轻、柔软且容易涂覆，是一类很有潜力的智能材料。

但由于它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。

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