巧夺天工的功能高分子材料

巧夺天工的功能高分子材料高分子化学和塑料工业的起步和发展是从通用高分子开始的，主要是利用这些高分子化合物的力学性能、机械和加工性能、化学稳定性等特性，用于制造结构材料，合成纤维和橡胶，在代替天然材料和金属材料方面起了很大的作用。功能高分子随着高分子科学的发展，除了继续发展三大合成材料（塑料、合成纤维、合成橡胶）之外，还非常重视对具有特殊功能的高分子化合物的研究，这些特定的功能包括化学活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分离性能，而这一类高分子化合物就是功能高分子材料，它们是在主链或支链上具有显示某种功能的基团。功能高分子范围很广，大致包括以下几方面：①具有物理学光、电性能的功能高分子，如感光性高分子、高分子半导体、光致导电高分子、高分子驻电体、高分子压电体、高分子电解质、导电高分子等；②高分子试剂和高分子催化剂；③高分子药物；④仿生高分子；⑤选择分离功能高分子，如离子交换树脂。感光性高分子感光性高分子指某些高分子化合物在光的作用下，能够迅速发生光化学反应，从而引起了物理或化学性质变化，它普遍用于印刷、电子、涂料等工业。感光性高分子也称光敏高分子，它在印刷电路、彩色电视荧光屏的制作上，尤其是在制造大规模集成电路等微型电路上成为不可缺少的材料。大规模集成电路是以微米为单位的精密图案线条，相当于头发丝的几十分之一，不可能采用铜锌板制作，而要使用光敏刻蚀剂（又称光刻胶）。可用作光敏刻蚀剂的高分子化合物是感光树脂，其中之一是聚乙烯醇肉桂酸酯。将它涂在半导体材料（如硅片）的表面，在上面覆盖一块掩模板（相当于印相时用的照相底片），然后用紫外线对感光树脂（聚乙烯醇肉桂酸酯中含有肉桂酰基，这里聚乙烯醇肉桂酸酯是功能高分子，肉桂酰基就是功能高分子中的功能基团）进行曝光，在紫外线作用下，肉桂酰基会发生二聚反应，生成不溶性的交联高分子，反应过程如下：经过曝光以后，受紫外线照射的部分变成不溶于溶剂或腐蚀液的硬化膜，而未受紫外线照射的聚乙烯醇肉桂酸脂可以用有机溶剂洗去，就可以进一步制造集成电路。高分子导体、半导体、超导体一般认为，有机化合物和高分子化合物都是不导电的，是绝缘体。20世纪50年代末期，高分子化学家为了扩大高分子的应用，利用改变高分子化合物的化学结构，以达到改变其电性质的目的，使高分子的导电率发生十几至几十个数量级的变化，从而制成了高分子导体、高分子半导体和高分子超导体。高分子中的非成键电子或л键电子经激活后，很容易生成载流子，载流子能载带电荷而使导电率发生变化。如果非成键电子和л键电子是在一个共轭体系中非定域化的，就能形成一个高迁移率的内部传导通路，所以高分子化合物中形成长共轭体系者就能成为半导体，例如聚乙炔[CH=CH]n中—CH=CH—是一个共轭体系，聚乙炔中的许多单体单元就形成一个长共轭体系(…CH=CH-CH=CH-CH=CH-…)，就使聚乙炔成为高分子半导体。20世纪70年代初，拉贝斯等发现聚氮化硫[SN]n晶体具有金属性，1975年格林等的研究表明，聚氮化硫在0.26K出现超导体性，使聚氮化硫成为第一个高分子超导体。高分子压电体压电性是机械能与电能互相转换的一种性质，最早的压电材料都是无机材料。从20世纪20年代起，才开始研究高分子压电体，1969年日本化学家河合辙发现经拉伸和极化后的聚偏氟乙烯薄膜有强压电性，后来又发现了偏氟乙烯－四氟乙烯共聚物的压电性。高分子压电体与无机压电体相比，具有很多优点。例如无机压电体中主要品种压电陶瓷，它是硬而脆的材料，比较重，难以加工成大面积和形状复杂的薄膜。高分子压电体则韧性好，不发脆，比重小，加工很容易，而且薄膜的厚度远比无机压电体薄，使压电体重量大大减轻。高分子压电体可用作角诊传感器、电声换能器、超声换能元件，也可用于测量缓慢变化的压力，例如测量印刷钞票的印刷版与滚筒之间的接触处的压力。高分子催化剂它是将具有催化活性的基团连接在高分子化合物上，使它具有催化作用。高分子催化剂具有以下优点：⑴高分子催化剂都是固体。对于气相反应和溶液反应来说，都是非均相反，固体与气体、液体容易分离，催化剂容易回收。⑵高分子催化剂对水、空气都很稳定。一般高分子催化剂在空气中放置一年都不会失活，但是一些常用的有机反应的催化剂，如无水三氯化铝，则对水很敏感，吸水后容易失活。⑶高分子催化剂活性大，反应速度快，产率高。⑷高分子催化剂可以提高反应的选择性。一类重要的高分子催化剂是把酶连结在高分子上，生成了固定化酶。在生物体内所进行的化学反应，几科全部是用酶做催化剂的，酶是由各种氨基酸连接组成的高分子化合物，有的还含有金属离子。酶的特点是在常温常压下就具有很高的催化活性和选择性，发酵工业就是用酶做催化剂的。用酶做工业催化剂存在的最大缺点是，酶本身是可溶于水的，使用以后就不能再回收，成为一次性的催化剂。为了克服这一缺点，高分子化学家才想到把酶连接在高分子上，使它成为不溶于水的催化剂，它被称为固定化酶。固定化酶的制法是：利用酶所带的官能团（－NH2，－COOH，－SH，咪唑基，苯酚基等）与高分子化合物的官能团进行反应制得，例如将含－C6H4NCS的聚丙烯酰胺的官能团－C6H4NCS与含－NH2的酶中的官能团－NH2作用，可得以下固定化酶：固定化酶可用作氧化、还原、重排、水解、异构化等反应的催化剂。有机金属络合物是催化活性和选择性都较高的催化剂，但是它们在空气中或受潮后容易失去活性，对金属反应器有腐蚀性，反应后分离和回收催化剂困难。如果把有机金属络合物固定在高分子上，就制得了高分子金属催化剂，例如将有机金属络合物RhCl[P(C6H5)3]3固定在高分子上，制得的高分子金属催化剂便是：这种高分子金属催化剂可用于烯烃的加氢反应，它在空气中很稳定，几乎没有腐蚀性，而且在反应完成以后，可以用过滤的方法回收。智能高分子智能高分子是指能够感知环境变化，通过自我判断和下结论，实现自我指令和自我执行任务的高分子材料。高分子凝胶是一种三维空间的网络结构，其中既含有高分子，又含有溶剂，网络中的高分子交联结构使它具有不溶性而保持一定的形状，而凝胶中的亲溶剂基团又可使它被溶剂溶胀起来。当外部环境的pH值、离子强度、温度、光照、电场等发生变化时，高分子凝胶就表现为“刺激－应答”状态，例如出现相转变、网络的孔增大、网络失去弹性，而且这种变化是可逆的和不连续的。利用高分子凝胶的体积和收缩时提供的动力，设计出高效率的“化学发动机”，它还可制成“人造肌肉”，现在，用这种材料制成的机械手能拿住一张很薄的纸。有一种智能高分子称为机敏材料，它根据响应方式的不同可分为主动控制式和被动控制式。主动控制式机敏材料具有自动检测材料的动力和静力的复杂功能，在允许范围内比较测定的结果，经过筛选确定作出适当的响应，控制不希望出现的动态特性。被动控制式机敏材料只能传输传感器所感受到的信息（如位移、应变、温度、压力和加速度等），结构比较简单，但与电子设备的功能是相互独立的。现在，已经在研制“智能飞机蒙皮”，把微传感器、微处理器、微型天线、发射器、接收器等植入用导电的机敏复合材料制造的飞机蒙皮中，实现电子设备和飞机机体的一体化，这种飞机蒙皮即使在空战中局部负伤，它也能自动修复，保证飞机安全返航。另一种智能高分子是形状记忆树脂，它是在一定条件下被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可以相应地改变形状并将其固定（变形态）。如果外部环境以特定的方式和规律再一次发生变化时，形状记忆树脂便可逆地恢复到起始态。形状记忆树脂由保持成品形状的固定相和随温度变化而发生软化及硬化可逆变化的可逆相组成。固定相用来记忆最初成型时的形状，可逆相则保证成品可以改变形状。固定相和可逆相具有不同的软化温度。将形状记忆树脂用作固定创伤部位的器材可以代替传统的石膏绷带，操作方法时先将形状记忆树脂加工成创伤部位的形状，用热水或热风把它加热使其软化，施加外力使它变形，成为易于装配的形状，等冷却固化后装配到创伤部位，等到再加热时便可恢复到原始状态，和石膏绷带一样起到固定的作用。要取下时只要加热，器材便软化，取下时很方便。智能高分子是20世纪90年代才发展起来的，它在信息、电子、宇宙、海洋科学；、生命科学等高科技领域开始获得应用，将是21世纪高科技领域的一种重要材料。隐身高分子材料隐身战斗机是在1991年海湾战争中使用的先进武器。隐身技术在目前阶段主要是指降低收音机的雷达反射截面和红外特征，是一种探测对抗技术，达到隐身的措施主要是改进飞机的外形设计和在飞机表面使用吸波材料。吸波材料指能吸收雷达波的复合材料，它可对抗雷达对飞机的探测。目前研制和应用的吸波材料主要有两类：一类是介电吸波材料，其制造方法是在高分子化合物中添加电损耗性物质，如碳纤维、导电炭黑、碳化硅等，领先电抗损耗雷达入射能量；另一类是电磁性吸收材料，即在高分子化合物中添加铁氧体等磁性物质，领先电磁损耗雷主射能量。用于制造吸波材料的高分子化合物如视黄基度夫碱式盐聚合物，它的分子为多共轭烯烃结构并含有一群高氯酸抗衡离子，这些抗衡离子由3个氧原子和1个氯原子组成，并在两处松散地高挂在高分子的碳原子骨架上，这种连接方式非常弱，一个光电子都有可能把抗衡离子从一个位置移到邻近的一个位置，这种位移使它很快将入射波的电磁能转换成热能散开，这就是它具有极好的吸收电磁波能的本领的原因。可用于制造吸波材料的高分子还有聚苯硫醚、聚芳酯、聚醚砜、聚芳砜、聚苯并咪唑、聚醚亚胺、聚酰胺酰亚胺，它们被用做吸波材料的基体的原因是，高分子可减轻飞机重量，提高收音机的机动性能和降低油耗。高分子都是电绝缘体。B－2轰炸机的机身表面大部分由吸波材料的蜂窝夹层结构制成，为减少雷达小散射截面，机翼的前后沿由一连串拇指大小的六角形小室构成，每个小室内填充吸波材料，材料密度从外向内递增，它们用多层吸波材料覆盖，入射的雷达波先投射在机翼的表面上，然后被多层吸波材料吸收，剩余的雷达波进入六角形小室，继续被吸收，几乎可完全消除来自机翼前后雷达波的反射。预计在21世纪，隐身技术将从隐身飞机扩展至其他领域，到时候，隐身人将不再是科幻小说所特有的主人公了。高分子药物人吃五谷杂粮，总难免会得病，生了病就要吃药，服药的方法往往是一天要吃多次药，有时还要吃好几天才能使疾病痊愈。能不能做到吃一次药管几天，甚至管很长一段时间，这恐怕是一种最理想的服药治病方法。现在，这个理想已经逐步被高分子化学家所实现，这就是高分子药物。高分子药物中的一类重要品种是将高分子作为现有药物的载体。例如可载带青霉素的高分子药物的结构式为：又如可载带维生素B1的高分子药物的结构式为：这两种药物具有贮藏效应，而且不容易排泄到体外，但它们的结构上载带的青霉素和维生素B1又都是可溶于水的。这样，就可以延长高分子药物在人体内作用的时间，让青霉素和维生素B1在人体内慢慢地释放出来，有选择地将药物送到要治疗的细胞部位，使药物发挥更高的效力，病人就不需要多次服药，而是吃一次药能管好多天。由于高分子药物都与人体组织具有一定的相容性、无毒，在制造抗癌药、辐照防护药上很有发展前途。高分子药物的另一类是具有药理性的高分子。例如天然肝素具有优异的抗凝血性质，经过研究发现，它是由于天然肝素中含有高浓度的－3SO，－NHSO3，－COO基团。因此，可以模拟天然肝素的结构，使高分子载带上述基团，合成了下列高分子药物：这种高分子药物便具有较好的抗凝血性。近年来，用高分子化合物作为成膜材料，将药物作为囊心，包裹成1～1000微米大小的微胶囊，胶囊的膜具有半渗透性质。药物可借压力、pH值变化、酶的作用、温度改变等方法释放出来。这种微胶囊药物能延缓药物释放的时间，也可以使药物达到长效，即吃一次药管好多天的效果。有些微胶囊药物还显示了特殊的治疗作用，例如肿瘤患者的机体肿瘤生长部位的周围存在一定数量的门冬酰胺，如果将装有门冬酰胺酶的微胶囊注入体内，当肿瘤周围的门冬酰胺渗入胶囊内，并不断地被门冬酰胺酶分解时，肿瘤细胞就失去了门冬酰胺这种必需的养分，肿瘤的生长就会被抑制。