智能高分子材料.ppt
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A. Lendlein and S. Kelch. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2034 - 2057
18
热致形状记忆反应过程
T. Ohki et al. Composites: Part A 35 1066 ,2004, 1065–1073
19
热致形状记忆高分子种类
聚乙二醇
感知葡萄糖浓度
交换键合释放药物 患者的血糖浓度维持正常水平
A. Kikuchi, T. Okano. Advanced Drug Delivery Reviews, 2002, 54, 53 –77.
15
杨少华. 化工新型材料，2003，31，5-7.
智能高分子凝胶的应用--环境工程
溶胀收缩循环
电流流动
物理性能
功率擦控制 化学行为 生理行为
3
智能材料应具有的或部分具有的生物功能
有反馈系统 有信息积累和识别功能 有学习能力和预见性功能 有响应功能 有自修复功能 有自诊断功能 有自动态平衡和自适应功能
4
具有上述结构形式的材料系统，就会可能体现 或部分体现下列只能特性
具有感知功能，可探测病识别外界（或内部） 的刺激强度
选择透过膜材，传感膜 材，仿生膜材，人工7肺
智能高分子材料--智能高分子凝胶
定义 体积相转变 制备 刺激响应性与分类 应用
8
智能高分子凝胶
• 高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂 组成的体系，由于它是一种三维网络立体结构，因此 它不被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的 形状。
具有信息传输功能，以设定优化方式选择和控 制响应
具有对环境变换作出响应及执行的功能 反应灵敏恰当 外部刺激条件消除后能迅速回复到原始状态。
5
智能金属材料
智能材料
智能无机非金属材料
智能高分子材料
优点
集感知、驱动和信息处理于一 体，形成类似生物材料那样具 有智能属性的高分子材料
多水平结构层次 较弱的分子间作用力
服装 保温系统，传感/执 行系统，生物医用压力 绷带
组织培养，环境工程， 化学机械系统，调光材 料，智能药物释放体系
智能高分子复 合材料
智能高分子膜
集成传感器、信息处理器和功 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--智能化
自愈合，自应变，自动 修补混凝土，减震速造 建筑材料，形状记忆合 金与复合功能器件，压 电材料
成
Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)3)
R.,Yoshida. et al. Science and technology of Advanced materials, 2002, 3, 95-102
14
智能高分子凝胶的应用--智能药物释放系统
刺激响应脉冲释放
网孔的可控性
释放机理
❖葡萄糖响应高分子配合 物形成的胰岛素释放微囊
化学、相分离、形状、 响 表面、渗透性、机械强度 应
光、电
温度响应性凝胶 光响应性凝胶 压力敏感性凝胶 电场响应性凝胶
12
智能高分子凝胶的应用--调光材料&组织培养
溶胀收缩循环
低温透明
调光材料
高温白浊 化
细胞
组织培养
13
智能高分子凝胶的应用--化学机械器件
循环提供的动力
毛自 状振 传动 动凝 装胶 置作
智能高分子材料
主要内容
智能高分子材料概述 智能高分子材料的分类及应用 展望
2
智能材料又称为机敏材 料，是具备感知、自诊断、 自适应、自修复等功能的
材料。
环 境
图1 智能材料的感知 功能和执行功能
感知
温度 压力
电场 磁场
湿度
声
位置
光辐射
速度
化学辐射
加速度 生物环境
反
馈ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
响应
系 统
机械响应
液体运动
利于感知判断环境 实现环境响应
侧链易引入官能团
便于分子设计和精细控制
质轻易涂覆
6
智能高分子材料的一般分类及应用
类别
记忆功能高分子材料
性质
对应力形状体积色泽等有记忆 效应
应用
医用材料，包装材料织 物材料，热收缩管
智能纤维织物
智能高分子凝胶
聚乙二醇与各种纤维共混物热 适应性， 可逆收缩性
三维高分子网络与溶剂组成的 体系，体积相转变
• 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
20
热致形状记忆高分子的应用1
医疗器材-固定创伤部位的器材
医疗器材-手术缝合线
A., Lendlein and R, Robert L. Science, 2002, 296, 1673-1676.
21
热致形状记忆高分子的应用2
异径管接合材料---热收缩管
22
热致形状记忆高分子的应用3
●包装材料 ●变形物的复原，如紧固铆钉等
23
展望
➢加快响应速率 ➢仿生化 以细胞作为蓝本, 向生物体的多重功能逼近、 功能上接近甚至超过生物体组织 ➢模糊化
凝胶用于污泥脱水过程
16
智能高分子材料--记忆高分子材料
• 定义 • 反应过程 • 种类 • 应用
17
记忆高分子材料
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 利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交 联后具有形状记忆效应 先决条件：高弹形变，分子构象 分类：热致感应型；光致感应型；电致感应型；化学感应型
• 它既是高分子的浓溶液又是高弹性的固体，小分子物
质能在其中渗透或扩散。
• 三维高分子网络与溶剂组成的体系 • 含有亲溶剂性基团，可被溶剂溶胀 • 最大的特点:体积相转变
高分子凝胶的三 维网状结构
9
智能高分子凝胶的体积相转变
外界环境因子的变化
溶胀相
收缩相
体积不连续变化
内因： 范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力---相互组合和竞争
➢ 制备方法： 化学引发剂
单体的交联聚合 辐射技术引发
自由基均聚
单 或共聚 智能
体
凝胶
接枝共聚
烯烃类
单体
其它交联或转化等
共价 连接
天然高分子（淀粉纤维 素）及衍生物
11
智能高分子凝胶的刺激响应性与分类
刺激响应性
物理刺激
温度 光 压力 电场
化学刺激
刺 pH 激
生化
盐
分类
pH响应性凝胶 生化响应性凝胶 盐敏凝胶
Robert, P. Advance in Colloid and Interface Sci , 2000 , 85 ,32 -33
10
智能高分子凝胶的制备
➢ 起始原料： 单体(水溶或油溶单体) 聚合物(天然或合成聚合物) 单体和聚合物的混合物
➢ 两个前提: 主链或侧链上带有大量的亲水基团 适当的交联网络结构
18
热致形状记忆反应过程
T. Ohki et al. Composites: Part A 35 1066 ,2004, 1065–1073
19
热致形状记忆高分子种类
聚乙二醇
感知葡萄糖浓度
交换键合释放药物 患者的血糖浓度维持正常水平
A. Kikuchi, T. Okano. Advanced Drug Delivery Reviews, 2002, 54, 53 –77.
15
杨少华. 化工新型材料，2003，31，5-7.
智能高分子凝胶的应用--环境工程
溶胀收缩循环
电流流动
物理性能
功率擦控制 化学行为 生理行为
3
智能材料应具有的或部分具有的生物功能
有反馈系统 有信息积累和识别功能 有学习能力和预见性功能 有响应功能 有自修复功能 有自诊断功能 有自动态平衡和自适应功能
4
具有上述结构形式的材料系统，就会可能体现 或部分体现下列只能特性
具有感知功能，可探测病识别外界（或内部） 的刺激强度
选择透过膜材，传感膜 材，仿生膜材，人工7肺
智能高分子材料--智能高分子凝胶
定义 体积相转变 制备 刺激响应性与分类 应用
8
智能高分子凝胶
• 高分子凝胶是指三维网络结构的高分子化合物与溶剂 组成的体系，由于它是一种三维网络立体结构，因此 它不被溶剂溶解，同时分散在溶剂中并能保持一定的 形状。
具有信息传输功能，以设定优化方式选择和控 制响应
具有对环境变换作出响应及执行的功能 反应灵敏恰当 外部刺激条件消除后能迅速回复到原始状态。
5
智能金属材料
智能材料
智能无机非金属材料
智能高分子材料
优点
集感知、驱动和信息处理于一 体，形成类似生物材料那样具 有智能属性的高分子材料
多水平结构层次 较弱的分子间作用力
服装 保温系统，传感/执 行系统，生物医用压力 绷带
组织培养，环境工程， 化学机械系统，调光材 料，智能药物释放体系
智能高分子复 合材料
智能高分子膜
集成传感器、信息处理器和功 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--智能化
自愈合，自应变，自动 修补混凝土，减震速造 建筑材料，形状记忆合 金与复合功能器件，压 电材料
成
Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)3)
R.,Yoshida. et al. Science and technology of Advanced materials, 2002, 3, 95-102
14
智能高分子凝胶的应用--智能药物释放系统
刺激响应脉冲释放
网孔的可控性
释放机理
❖葡萄糖响应高分子配合 物形成的胰岛素释放微囊
化学、相分离、形状、 响 表面、渗透性、机械强度 应
光、电
温度响应性凝胶 光响应性凝胶 压力敏感性凝胶 电场响应性凝胶
12
智能高分子凝胶的应用--调光材料&组织培养
溶胀收缩循环
低温透明
调光材料
高温白浊 化
细胞
组织培养
13
智能高分子凝胶的应用--化学机械器件
循环提供的动力
毛自 状振 传动 动凝 装胶 置作
智能高分子材料
主要内容
智能高分子材料概述 智能高分子材料的分类及应用 展望
2
智能材料又称为机敏材 料，是具备感知、自诊断、 自适应、自修复等功能的
材料。
环 境
图1 智能材料的感知 功能和执行功能
感知
温度 压力
电场 磁场
湿度
声
位置
光辐射
速度
化学辐射
加速度 生物环境
反
馈ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
响应
系 统
机械响应
液体运动
利于感知判断环境 实现环境响应
侧链易引入官能团
便于分子设计和精细控制
质轻易涂覆
6
智能高分子材料的一般分类及应用
类别
记忆功能高分子材料
性质
对应力形状体积色泽等有记忆 效应
应用
医用材料，包装材料织 物材料，热收缩管
智能纤维织物
智能高分子凝胶
聚乙二醇与各种纤维共混物热 适应性， 可逆收缩性
三维高分子网络与溶剂组成的 体系，体积相转变
• 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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热致形状记忆高分子的应用1
医疗器材-固定创伤部位的器材
医疗器材-手术缝合线
A., Lendlein and R, Robert L. Science, 2002, 296, 1673-1676.
21
热致形状记忆高分子的应用2
异径管接合材料---热收缩管
22
热致形状记忆高分子的应用3
●包装材料 ●变形物的复原，如紧固铆钉等
23
展望
➢加快响应速率 ➢仿生化 以细胞作为蓝本, 向生物体的多重功能逼近、 功能上接近甚至超过生物体组织 ➢模糊化
凝胶用于污泥脱水过程
16
智能高分子材料--记忆高分子材料
• 定义 • 反应过程 • 种类 • 应用
17
记忆高分子材料
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 利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交 联后具有形状记忆效应 先决条件：高弹形变，分子构象 分类：热致感应型；光致感应型；电致感应型；化学感应型
• 它既是高分子的浓溶液又是高弹性的固体，小分子物
质能在其中渗透或扩散。
• 三维高分子网络与溶剂组成的体系 • 含有亲溶剂性基团，可被溶剂溶胀 • 最大的特点:体积相转变
高分子凝胶的三 维网状结构
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智能高分子凝胶的体积相转变
外界环境因子的变化
溶胀相
收缩相
体积不连续变化
内因： 范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力---相互组合和竞争
➢ 制备方法： 化学引发剂
单体的交联聚合 辐射技术引发
自由基均聚
单 或共聚 智能
体
凝胶
接枝共聚
烯烃类
单体
其它交联或转化等
共价 连接
天然高分子（淀粉纤维 素）及衍生物
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智能高分子凝胶的刺激响应性与分类
刺激响应性
物理刺激
温度 光 压力 电场
化学刺激
刺 pH 激
生化
盐
分类
pH响应性凝胶 生化响应性凝胶 盐敏凝胶
Robert, P. Advance in Colloid and Interface Sci , 2000 , 85 ,32 -33
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智能高分子凝胶的制备
➢ 起始原料： 单体(水溶或油溶单体) 聚合物(天然或合成聚合物) 单体和聚合物的混合物
➢ 两个前提: 主链或侧链上带有大量的亲水基团 适当的交联网络结构