智能高分子材料调研报告

智能高分子材料调研报告

智能材料简介

材料的发展经历着结构材料→功能材料→智能材料→模糊材料的过程。20 世纪80年代末，日本科学家将信息科学容于材料的物性和功能,提出了智能材料( Intelligent Materials) 概念，是指对环境具有可感知、可响应,并具有功能发现能力的新材料。智能材料的概念设计构思：

(1) 材料开发的历史：由结构材料、功能材料进而到智能材料；

(2) 人工智能在材料的水平反映——生物计算机的未来模式；

(3) 从材料设计的立场制造智能材料；

(4) 软件功能引入材料；

(5) 人们对材料的期望；

(6) 能量传递；

(7) 材料具有时间轴，要求材料有寿命预告、自修复、自分解，甚至自学习、自繁殖、自净化功能和对外部刺激时间轴积极自变的动态功能。

表1 智能材料的分类

一、智能高分子材料的定义

智能高分子材料又称智能聚合物、机敏性聚合物、刺激响应型聚合物、环境敏感型聚合物，是指能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现指令和执行的高分子材料。它通过分子设计和有机合成的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能，如自修复与自增殖能力、认识与鉴别能力、刺激相应与环境应变能力等。

由于高分子材料结构的复杂和多样性，可通过在分子结构、聚集态结构、共混、复合、界面和表面甚至外观结构等各方面单一或综合的利用，达到材料的某种智能化。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。

二、智能高分子材料的分类

智能高分子材料的品种多、范围广，智能凝胶、智能膜、智能纤维和智能粘合剂等均属于智能高分子材料的范畴。由于高分子材料与具有传感、处理和执行功能的生物体有着极其相似的化学结构，较适合制造智能材料并组成系统，向生物体功能逼近，因此其研究和开发尤其受到关注。

2.1 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。智能高分子凝胶是一类受外界环境微小的物理和化学刺激，其自身性质就会发生明显变化的交联

聚合物，具有传感、处理和执行功能。

智能型高分子凝胶发展的基础为P.J．Flory 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、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。

2.2 智能高分子薄膜

智能膜材是指以膜的形式对环境进行感知、相应且具有功能发现能力的膜用材料，主要为有机高分子，包括合成高分子和天然高分子材料。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。

智能高分子膜可根据膜的用途分为用于分离的分离膜和交换膜、用于识别的传感器膜和用于参与反应的催化剂膜；根据对环境的响应性可分为热敏感膜、pH敏感膜、电敏感膜和光敏感膜等；根据膜的形式可分为荷电型超滤膜、接枝型智能膜、互穿网络膜、聚电解质配合物膜、导电聚合物膜、液晶膜和凝胶膜等。

2.3 智能织物

智能纺织品指对环境条件或环境因素的刺激有感知和能做出相应的纺织品，如在热、光、电、湿、机械和化学物质等因素的作用下，它们能通过颜色、振动、电性能、能量储藏等变化，对外界刺激做出响应。

Vigo 等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。

2.4 聚合物基电流变流体材料

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、避振减振装置。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。

聚合物基电流变流体材料与无机电流变流体材料相比，有其无法比拟的优越性：高分子材料密度较低，与分散介质密度差小，混合分散性好，分散粒子不易沉降，流体易于贮存；高分子材料硬度较无机材料低，对电极的磨损程度小；高分子材料的吸水率低，所得电流变流体性能不易受到环境湿度的影响。

2.5 形状记忆高分子

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→2次形变→形变固定→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—聚异戊二烯、苯乙烯—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，热敏驱动元件，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。

2.6 智能高分子复合材料

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。

2.7 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