高分子材料在分离科学与技术中的应用

高分子材料在分离科学与技术中的应用摘要高分子材料在诸多学科以及生产生活当中得到了非常广泛的应用，本文主要就其在分离科学与技术中使用到的高分子材料做了一些总结，并简要介绍了一些最新进展。

关键词高分子材料分离科学与技术

分离科学与技术在生产、生活、环境、科研等领域有着极为重要广泛的应用，几乎没有什么领域可以没有分离过程。虽然分离科学与技术最初是作为化学领域的一个分支学科——分析化学而存在的，但是在现代科学技术日益复杂，对于生产和生活中的物质分离提出了越来越苛刻的要求，应用领域的极大拓展，单纯作为一门二级学科已经难以适应各个领域的需求，故而将其作为独立的学科加以研究，国内外得到了普遍认同，并成立了以化学家为主各类人员共同协作的机构。

尽管分离的方法、技术、仪器各种各样，但是基本原理都可以归结为依据待分离物质的物理化学等特性（如光电磁性、质量体积、溶解性、溶沸点等）的差异，采用合适的材料和设备，在适当的操作条件下加以分离。例如旋风分离器用于气体中细小固体颗粒的分离，离子交换柱用来分离阴阳离子，凝胶色谱根据分子的体积分离纯化一些大分子，等等。

寻找和开发高效率、高选择性的分离材料是分离科学与技术发展中必要的一个环节，这一研究领域也是极为活跃的，随着高分子科学的日益完善和进展，为我们提供了大量可以选择的具有各种优异性能的材料，可以与已有的分离方法相结合加以改善，也可以发展一些新的分离技术。本文综述了在分离科学与技术中以高分子材料为主体的部分内容，不涉及严格的分类和详细内容，对于在其他技术中仅仅作为辅助材料的高分子（如：毛细管电泳中的添加剂，固相微萃取的涂覆膜，色谱填料的包覆改性材料等）也不做介绍。并对一些国际上研究的热门内容做了简要介绍。

离子交换材料

最早的离子交换材料是无机离子交换材料，已有100多年的历史先后使用过的有沸石、磷酸盐、杂多酸盐、以α－磷酸锆为代表的磷酸盐系列。而用高分子材料做成的离子交换材料从1935年磺化酚醛树脂开始，经历凝胶聚苯乙烯树脂、丙烯酸系树脂、螯合树脂、大孔型离子交换树脂等多个发展阶段，已经得到了普遍的应用。近些年开发出了聚乙烯吡啶树脂（PVP）类的特殊功能性离子交换树脂，具有许多优良的特性：如化学稳定性、热稳定性、辐射稳定性好，通过各种修饰改造（氧化、加成、共聚、络合、模板聚合、取代等）可使PVP树脂的性能改变以及应用扩展。Nishide 利用Ga2+、Fe2+、Cr2+、Ni2+和Nakashima用Co2+、Ni2+、Fe3+、Ca2+、Zn2+作离子模板合成的PVP树脂在竞争吸附中，对模板离子具有特别优越的吸附性能。

吸附树脂：

聚合物吸附剂：聚合物吸附物以吸附为特点，对有机物具有浓缩、分离作用的高分子聚合物。以化学吸附作用为主，兼有物理吸附等多种效应，达到分离的目的。和离子交换树脂也没有很特别的不同，也可以不区分。

吸附分离功能高分子材料的活性位点的设计与合成：

一、免疫吸附剂的设计与合成

二、含肽、多糖侧链的仿生吸附剂的设计与合成

三、分子模板聚合物类仿生吸附剂的设计与合成

四、含穴状功能基团的高分子吸附剂

五、手性螯和树脂

复合吸附分离材料的制备

不同类型吸附分离材料具有各自的优点，进行优势互补的材料组合可以得到许多新型材料，例如：利用无机材料的高强度高硬度作为骨架，外层涂覆具有功能基种类多吸附容量高的高分子材料可以得到较好的效果。另外利用适当地技术将磁性γ－Fe2O3包封在不同的高分子球形树脂中得到的磁性微球在生化分离和临床检测中具有重要的用途。

分离膜及膜材料

膜分离技术在近20年的时间得到了巨大的发展，其核心是利用天然或人工制备的具有选择透过性能的薄膜――分离膜，以外界能量或化学位差作推动力，对双组分或多组分液体或气体进行分离、分级、提纯或富集。膜材料和制膜技术是两个关键的问题。按照化学组成可以分为无机分离膜和有机高分子分离膜。

开发新型功能高分子膜材料和合金膜材料，对膜材料进行接枝、共聚、交联、等离子或辐射刻蚀等方法的表面改性。具有分离功能的高分子膜用于微滤、反渗透、超滤、透析以及气体分离膜的形式主要为平板膜和中空纤维膜。高分子膜通过膜上的微孔起到分离的作用，微孔孔径大小虽有差异，但分离原理与滤网和滤纸相同。其推动力是压力差或浓度差。

有机高分子分离膜是以纤维素类、聚酰胺类、芳香杂环类、聚烯烃类、硅橡胶类、聚电解质类、甲壳素类等合成或半合成的有机高分子材料制成的分离膜。在家用净水器（微滤MF、超滤UF、纳滤国家处方集，反渗透RO效果最好）和海水淡化方面已经得到了普遍地应用。

智能型凝胶

凝胶是由液体和高分子网络所组成的一种比较特殊的物质，由于液体被与高分子网络的亲和性，液体被封闭在高分子网络里面，失去了流动性，因此凝胶能象固体一样显示出一定的形状。

凝胶的性质与它的网格结构及所包含的溶剂的性质有密切的关系。亲和性好、交联度小则膨胀能力大，已经可以达到几百到2000倍的水平了。电解质凝胶是高分子链上带有离子的凝胶，因此具有许多特有的电解质效应——体积相变、静电场分布、导电性、电收缩、压电效应、与带相反电荷的表面活性剂的协同性相互作用等。

通常人工合成的高分子水凝胶的构造均呈无定型状态，没有规则，对外部环境的刺激缺乏协同性导致应激反应很弱，难以表现出其智能化的特性。那么如何构造规则的凝胶也就是实现其智能化的首要的手段，通过在高分子链的侧链上导入具有结晶能力的官能团（比如长链的脂肪酸）可以得到带有规则结构的凝胶，这样的凝胶在适当地条件（溶剂、温度、ph值……）变化下就可以产生可逆的有序和无序的构造变化，因为是相变过程所有反应快效率高，利用这种变化时候产生的巨大的力学性质的变化可以实现凝胶的形状记忆功能。

也有研究利用凝胶在外部环境刺激下的变形，设计化学能、机械能转变系统（chemomechanical系统）例如人造肌肉模型、人工触觉系统、化学阀、药物释放系统等。介绍一下化学阀：在5V/公里的电场下，直径1um的凝胶粒子能够在1毫秒内收缩至原来大小的4％，根据凝胶在电场下能收缩的这个现象，可以设想将多孔型凝胶薄膜的边缘固定在一个圆形的环上，当有电场的时候膜就会收缩，因为它的边缘被固定住了，膜的孔径就会变大，因此液体分子或其中的微粒子就能通过。如果将电场切断凝胶就会因膨胀而孔径变小，液体就会被塞住。通过调节电场的大小，凝胶膜的孔径能被准确的控制，从而可以自由得选择那些粒子可以自由通过那些不能，从而达