功能高分子材料綜述.doc

功能高分子材料綜述【文 摘】 功能高分子材料是高分子學科中的一個重要分支，它是研究各種功能性高分子材料的分子設計和合成、結構和性能關系以及作為新材料的應用技術，它的重要性在于所包含的每一類高分子都具有特殊的功能。它主要包括化學功能高分子材料、光功能高分子材料、電、磁功能高分子材料、聲功能高分子材料、高分子液晶、醫(yī)用高分子材料幾部分，這一領域的研究主要包括研究分子結構、組成與形成各種特殊功能的關系，也就是從宏觀乃至深入到微觀，以及從半定量深入到定量，從化學組成和結構原理來闡述特殊功能的規(guī)律性，從而探索和合成出新的功能性材料。本文主要論述了在工程上應用較廣和具有重要應用價值的一些功能高分子材料，如吸附分離功能高分子、反應型功能高分子、光功能高分子、電功能高分子、醫(yī)用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等?！娟P鍵詞】 材料；高分子；高分子材料；功能材料；功能高分子材料的定義為：與常規(guī)聚合物相比具有明顯不同的物理化學性質(zhì)，并具有某些特殊功能的聚合物大分子(主要指全人工和半人工合成的聚合物)都應歸屬于功能高分子材料范疇。而以這些材料為研究對象，研究它們的結構組成、構效關系、制備方法，以及開發(fā)應用的科學，應稱為功能高分子材料科學。功能高分子材料科學是研究功能高分子材料規(guī)律的科學，是高分子材料科學領域發(fā)展最為迅速，與其他科學領域交叉度最高的一個研究領域。它是建立在高分子化學、高分子物理等相關學科的基礎之上，并與物理學、醫(yī)學甚至生物學密切聯(lián)系的一門學科。功能高分子材料是對物質(zhì)、能量、信息具有傳輸、轉換或貯存作用的高分子及其復合材料的一類高分子材料，有時也被稱為精細高分子或者特種高分子(包括高性能高分子) 。其于20 世紀60年代末迅速發(fā)展起來的新型高分子材料，內(nèi)容豐富、品種繁多、發(fā)展迅速，已成為新技術革命必不可少的關鍵材料。功能高分子是指具有某些特定功能的高分子材料。它們之所以具有特定的功能，是由于在其大分子鏈中結合了特定的功能基團，或大分子與具有特定功能的其他材料進行了復合，或者二者兼而有之。例如吸水樹脂，它是由水溶性高分子通過適度交聯(lián)而制得，遇水時將水封閉在高分子的網(wǎng)絡內(nèi)，吸水后呈透明凝膠，因而產(chǎn)生吸水和保水的功能。在合成或天然高分子原有力學性能的基礎上，再賦予傳統(tǒng)使用性能以外的各種特定功能（如化學活性、光敏性、導電性、催化活性、生物相容性、藥理性能、選擇分類性能等）而制得的一類高分子。一般在功能高分子的主鏈或側鏈上具有顯示某種功能的基團，其功能性的顯示往往十分復雜，不僅決定于高分子鏈的化學結構、結構單元的序列分布、分子量及其分布、支化、立體結構等一級結構，還決定于高分子鏈的構象、高分子鏈在聚集時的高級結構等，后者對生物活性功能的顯示更為重要。1 功能高分子材料研究1.1 導電高分子材料近幾年來，導電性高分子的研究取得了長足的發(fā)展，形成了一個十分活躍的邊緣學科領域，它對電子工業(yè)、信息工業(yè)及新技術的發(fā)展具有重大的意義。現(xiàn)有的研究成果表明，發(fā)展導電高分子不僅可以滿足人們對導電材料的需要，而且由于它兼具有機高分子材料的性能及半導體和金屬的電性能，具有重量輕，易加工成各種復雜的形狀，化學穩(wěn)定性好及電阻率可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)等特點。此外在電子工業(yè)中的應用日趨廣泛，促進了現(xiàn)代科學技術的發(fā)展。因此，自然引起了學術界和工業(yè)界的廣泛興趣。導電高分子材料根據(jù)材料的組成可以分成復合型導電高分子材料(composite conductive polymers)和本征型導電高分子材料(intrinsic conductive polymers)兩大類。復合型導電高分子材料是由普通高分子結構材料與金屬或碳等導電材料，通過分散、層合、梯度復合、表面鍍層等復合方式構，其導電作用主要通過其中的導電材料來完成。主要品種有：導電塑料、導電橡膠、導電纖維織物、導電涂料、導電膠粘劑及透明導電薄膜等可用于電氣零件、電子照相、電路材料、防靜電材料、電磁場屏蔽、光記錄和磁記錄材料等。其中，導電劑的體積電阻、形狀、填充量及加工工藝等，對最終制品的性能影響很少。本征導電高分子材料也被稱為結構型導電高分子材料(structure conductive polymes)，其高分子本身具備傳輸電荷的能力，這種導電聚合物如果按其結構特征和導電機理還可以進一步分成以下三類：載流子為自由電子的電子導電聚合物；載流子為能在聚合物分子間遷移的正負離子的離子導電聚合物；以氧化還原反應為電子轉移機理的氧化還原型導電聚合物。后者的導電能力是由于在可逆氧化還原反應中電子在分子間的轉移產(chǎn)生的。雖然導電高分子材料的發(fā)展史只有短短的30年，但當前導電高分子聚合物在國民經(jīng)濟中的地位，在許多方面不亞于20世紀50年代初傳統(tǒng)塑料的地位。在合成、加工和應用方面取得了突破性進展，走向了實用化，同時很多潛在的應用正在探索研究中。目前其研究方向可以概括為以下幾個主要方面高導電性，通過復合、改變分子結構等手段挖掘導電高分子材料潛在性能。最近已成功研制出導電率達3000S/cm的聚苯乙炔，其中包括光、電、磁之間的轉換，改善穩(wěn)定性、可加工性。提高導電材料的實用性，按實用要求確定攻關方向。多行業(yè)多學科交叉結合，開發(fā)導電高分子材料應用新領域，加速其商品化進程。3 醫(yī)用高分子材料在功能高分子材料領域，生物醫(yī)用高分子材料可謂異軍突起，目前已成為發(fā)展最快的一個重要分支。醫(yī)用高分子材料是一類可對有機體組織進行修復、替代與再生，具有特殊功能作用的合成高分子材料，可以利用聚合的方法進行制備，是生物醫(yī)用材料的重要組成之一。由于醫(yī)用高分子材料可以通過組成和結構的控制而使材料具有不同的物理和化學性質(zhì)，以滿足不同的需求，耐生物老化，作為長期植入材料具有良好的生物穩(wěn)定性和物理、機械性能，易加工成型，原料易得，便于消毒滅菌，因此受到人們普遍關注，已成為生物材料中用途最廣、用量最大的品種，近年來發(fā)展需求量增長十分迅速。醫(yī)用高分子材料需長期與人體體表、血液、體液接觸，有的甚至要求永久性植入體內(nèi)。因此，這類材料必須具有優(yōu)良的生物體替代性和生物相容性。一般要滿足下列基本條件：(1) 在化學上是不活潑的，不會因與體液或血液接觸而發(fā)生變化；(2) 對周圍組織不會引起炎癥反應；(3) 不會產(chǎn)生遺傳毒性和致癌；(4) 不會產(chǎn)生免疫毒性；(5) 長期植入體內(nèi)也應保持所需的拉伸強度和彈性等物理機械性能；(6) 具有良好的血液相容性；(7) 能經(jīng)受必要的滅菌過程而不變形；(8) 易于加工成所需要的、復雜的形態(tài)。目前用高分子材料制成的人工器官中，比較成功的有人工血管、人工食道、人工尿道、人工心臟瓣膜、人工關節(jié)、人工骨、整形材料等。已取得重大研究成果，但還需不斷完善的有人工腎、人工心臟、人工肺、人工胰臟、人工眼球、人造血液等。另有一些功能較為復雜的器官，如人工肝臟、人工胃、人工子宮等。則正處于大力研究開發(fā)之中。 從應用情況看，人工器官的功能開始從部分取代向完全取代發(fā)展，從短時間應用向長時期應用發(fā)展，從大型向小型化發(fā)展，從體外應用向體內(nèi)植入發(fā)展、人工器官的種類從與生命密切相關的部位向人工感覺器官、人工肢體發(fā)展。 醫(yī)用高分子材料研發(fā)過程中遇到的一個巨大難題是材料的抗血栓問題。當材料用于人工器官植入體內(nèi)時，必然要與血液接觸。由于人體的自然保護性反應將產(chǎn)生排異現(xiàn)象，其中之一即為在材料與肌體接觸表面產(chǎn)生凝血，即血栓，結果將造成手術失敗，嚴重的還會引起生命危險。對高分子材料的抗血栓性研制是醫(yī)用高分子研究中的關鍵問題，至今尚未完全突破。將是今后醫(yī)用高分子材料研究中的首要問題。4 高分子納米復合材料納米材料科學是一門新興的并正在迅速發(fā)展的材料科學。由于納米材料體系具有許多獨特的性質(zhì)，應用前景廣闊，而且涉及到原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學、配位化學、化學反應動力學和表面、界面科學等多種學科，在實際應用和理論上都具有極大的研究價值，所以成為近些年來材料科學領域研究的熱點之一，被譽為“21 世紀最有前途的材料” 。高分子納米復合材料是由各種納米單元與有機高分子材料以各種方式復合成型的一種新型復合材料，所采用的納米單元按成分分可以是金屬，也可以是陶瓷、高分子等；按幾何條件分可以是球狀、片狀、柱狀納米粒子，甚至是納米絲、納米管、納米膜等；按相結構分可以是單相，也可以是多相，涉及的范圍很廣，廣義上說多相高分子復合材料，只要其某一組成相至少有一維的尺寸處在納米尺度范圍(1 nm100nm) 內(nèi)，就可將其看為高分子納米復合材料。由于復合材料有著單一材料所不具備的可變結構參數(shù)( 復合度、聯(lián)結型、對稱性、標度、周期性等) ，改變這些參數(shù)可以在很寬的范圍內(nèi)大幅度地改變復合材料的物性； 且復合材料的各組元間存在協(xié)同作用而產(chǎn)生多種復合效應，所以高分子基納米復合材料的性能不僅與納米粒子的結構性能有關，還與納米粒子的聚集結構和其協(xié)同性能、高聚物基體的結構性能、粒子與基體的界面結構性能及加工復合工藝方式等有關。高分子納米復合材料的涉及面較寬，包括的范圍較廣，可分為四大類： 納米單元與高分子直接共混； 在高分子基體中原位生成納米單元； 在納米單元存在下單體分子原位聚合生成高分子及納米單元和高分子同時生成。由于高分子納米復合材料既能發(fā)揮納米粒子自身的小尺寸效應、表面效應和量子效應，以及粒子的協(xié)同效應，而且兼有高分子材料本身的優(yōu)點，使得它們在催化、力學、物理功能等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性，有廣闊的應用前景。5 高分子液晶材料液晶的發(fā)現(xiàn)最早可追溯到1888 年，奧地利植物學家萊尼茨爾在做加熱膽甾醇苯甲酸酯結晶的實驗時發(fā)現(xiàn)。第二年，德國物理學家萊曼通過偏光顯微鏡發(fā)現(xiàn)這種材料具有雙折射現(xiàn)象，并提出了“液晶”這一學術用語，現(xiàn)在人們公認這兩位科學家是液晶領域的創(chuàng)始人。液晶高分子材料發(fā)展較晚，但目前已成為液晶中最令人關注的領域，世界各國都加大投入了圍繞研究與開發(fā)液晶高分子系列產(chǎn)品的力量。功能高分子液晶材料包括： 光學非線性高分子液晶，鐵電性和反鐵電性高分子液晶，光導高分子液晶，生物性高分子液晶和高分子液晶膜等。由于它們的特殊性能將會有非常廣闊的重要應用前景。例如，吳壁耀等報道了具有肉桂酸酯側鏈基的熱熔型高分子液晶的光交聯(lián)行為。指出在20 min紫外光照射的條件下，形成液晶相的液晶高分子膜的光交聯(lián)凝膠百分率要明顯高于尚未形成液晶的同種高分子膜。由于液晶高分子中介晶基元的聚集和有序排列形成的微區(qū)結構也影響了大分子鏈鍘基肉桂酸酯的聚集狀態(tài)，從而使其光化學性質(zhì)發(fā)生了變化，可望用于光固化涂料的改性?？傊?，隨著高分子液晶的理論日臻完善，其應用也日益廣泛，人們不僅開發(fā)了大量的高強、高模以及具有顯示和信息存儲功能的高分子液晶材料，同時還在不斷探索在其它領域的應用?？梢钥隙ǎ鳛橐婚T交叉學科，高分子液晶材料科學在高性能結構材料、信息記錄材料、功能膜及非線性光學材料等方面的開發(fā)中必將發(fā)揮越來越重要的作用。6 高分子染料高分子染料是高分子材料與染料分子在分子水平上的結合，在具有染料色彩性、透明性的同時還具有高分子材料的可加工性等特性，是有發(fā)展前途的功能高分子材料。它是通過一定的化學反應將發(fā)色基團引入高分子的主鏈或側鏈而形成的一類有色高分子化合物，這種結合方式賦予了高分子染料的雙重功能：即高分子的高強度、易成膜性、耐溶劑性、耐遷移性和耐熱性以及有機染料對光的選擇吸收性和多彩性。高分子染料可依據(jù)不同的方法進行分類。按聚合方式可分為加聚型和縮聚型等；按所連結的高分子單體的性質(zhì)可分為苯乙烯類、聚丙烯酸酯類、有機硅類等。本文以染料發(fā)色體與高分子骨架的相對位置將高分子染料分為嵌段式高分子染料、垂掛式高分子染料以及金屬絡合高分子染料。大分子骨架和發(fā)色基團的協(xié)同作用，使它的應用不僅僅限于在染色方面。作為一種特殊高分子材料，高分子染料的合成使其功能擴大。不僅具有染色的功能，還潛在著光致發(fā)光，光致變色，光聚合引發(fā)劑等功能。它在非線性光學、液晶顯示等光電以及導電方面也都有廣泛的應用前景。高分子染料是一種有前途的功能高分子材料，對于它的開發(fā)與應用都還有很大潛力可挖。同時對它的研究手段和方法隨研究者研究的目的和側重點不同而有很大差異隊，屬于多學科交叉領域。1.2 感光高分子材料感光性高分子是指具有感光性質(zhì)的高分子材料。當這類材料吸收了光能后可導致體系發(fā)生分子內(nèi)或分子間產(chǎn)生化學、物理變化，使未曝光部分的物理或化學性質(zhì)產(chǎn)生強烈的反差，從而引起圖像的出現(xiàn)。在印刷工業(yè)中已獲得廣泛應用的PS印刷版就是一種感光性高分子產(chǎn)品，它可分為陽圖PS版和陰圖PS版兩大類。由于印刷業(yè)對于板材在質(zhì)量上的嚴格要求和巨大需要，必然給感光高分子帶來巨大的發(fā)展前景。在影像技術中用于微細加工光刻用的光致抗蝕劑是一類非常重要的感光高分子材料，是制造大規(guī)模集成電路必不可少的原料。它的出現(xiàn)是第二次世界大戰(zhàn)后由Eastman Kodak的Mink等在研究聚乙烯醇肉桂酸酯的光二聚合反應基礎上提出的。以后這種技術不僅應用于照相制版上，而且廣泛應用于電子工業(yè)和機密機械加工等方面，并隨著技術的不斷進步，蝕刻的精度不斷提高，由制作毫米級的印刷線路板發(fā)展到21世紀初期的微米級、亞微米級，甚至更高分辨率的大規(guī)模集成電路的制作?，F(xiàn)代計算機技術的蓬勃發(fā)展是和這種微細加工技術的高靈敏度、高反差光致抗蝕劑的出現(xiàn)分不開的。7 其他高分子材料7.1 高分子表面活性劑7.1.1 概述分子中具有親水基與疏水基，能富集(吸附)于界面，使界面性質(zhì)發(fā)生顯著改變而出現(xiàn)界面活性的物質(zhì)稱為表面活性劑。而高分子表面活性劑是指相對分子質(zhì)量在數(shù)千以上，具有表面活性功能的高分子化合物。最早使用的高分子表面活性劑有纖維素及其衍生物，以及作為膠體保護劑使用的天然海藻酸鈉和各種淀粉。1951年Strauss將含有表面活性基團的聚合物聚1-十二烷基-4-乙烯吡啶溴化物命名為聚皂，從而出現(xiàn)了合成高分子表面活性劑。1 9 5 4 年，美國Wyandotte公司報道了非離子型高分子表面活性劑聚氧乙烯聚氧丙烯嵌段共聚物的合成，并將其進行了工業(yè)化生產(chǎn)( 商品名為Pluronics)，以后，各種合成高分子表面活性劑相繼開發(fā)并應用于各種領域。7.1.2 高分子表面活性劑的類型高分子表面活性劑按離子分類，可分為陰離子型、陽離子型、兩性型和非離子型四種高分子表面活性劑，如表1 所示。高分子表面活性劑按來源分類可分為天然高分子表面活性劑和合成高分子表面活性劑，前者包括半合成高分子表面活性劑。天然高分子表面活性劑是從動植物分離、精制而得到的兩親性水溶性高分子。由海藻制得的藻朊酸，由植物制取的愈瘡膠和黃原膠等樹脂膠類；從動物制取的酪朊和白朊等均為高分子表面活性劑。而纖維素衍生物、淀粉衍生物以及制取亞硫酸紙漿的副產(chǎn)品木質(zhì)素磺酸鹽等叫做半合成高分子表面活性劑。天然高分子表面活性劑具有優(yōu)良的增粘性、乳化性、穩(wěn)定性和結合力，并且具有很高的無毒安全性和易降解等特點，所以廣泛應用于食品、醫(yī)藥、化妝品及洗滌劑工業(yè)。合成高分子表面活性劑是指親水性單體均聚或與僧水性單體共聚而成，或通過合成高分子化合物改性而制得。根據(jù)單體的種類、合成方法、反應條件和共聚物的組成等的不同可以得到各種各樣的高分子表面活性劑。合成高分子表面活性劑有著廣闊的應用前景，有關高分子表面活性劑的合成及其應用的研究正日益得到人們的重視。7.1.3 高分子表面活性劑的特性功能和低分子表面活性劑相比，高分子表面活性劑具有以下特性：(1)具有較高的分子量，滲透能力差，可形成單分子膠束或多分子膠束；(2)溶液粘度高，成膜性好；(3)具有很好的分散、乳化、增稠、穩(wěn)定以及絮凝等性能，起泡性差，常作消泡劑；(4)大多數(shù)高分子表面活性劑是低毒或無毒的，具有環(huán)境友好性；(5)降低表面張力和界面張力的能力較弱，且表面活性隨分子量的升高急劇下降，當疏水基上引入氟烷基或硅烷基時其降低表面張力的能力顯著增強。1 降低表面張力的能力因為高分子表面活性劑的親水鏈段和疏水鏈段在表面或界面間具有一定的取向性，所以具有降低表面張力和界面張力的能力，但往往比低分子表面活性別差些。關于各種高分子表面活性劑的表面張力已有許多報道。2 乳化分散功能盡管分子量較高，有許多高分子表面活性別能夠在分散相中形成膠束，并且具有CMC值，發(fā)揮乳化功能，由于具有兩親結構，其分子的一部分可吸附在粒子表面，其它部分則溶于作為連續(xù)相的分散介質(zhì)中，聚合物分子量不是太高時，具有空間阻礙效應，在單體液滴或聚合物粒子表面產(chǎn)生障礙，阻止它們接近締合而產(chǎn)生凝聚。3 凝聚功能當高分子表面活性劑分子量很高時，則吸附于許多粒子上，在粒子之間產(chǎn)生架橋，形成絮凝物，起到絮凝劑的作用。4 其它功能許多高分子表面活性劑本身起泡力不太好，但保水性強，泡沫穩(wěn)定性優(yōu)良，因為高分子表面活性劑分子量高，所以具有隨之而來的成膜性和粘附性等優(yōu)良性能。7.1.4 高分子表面活性劑的合成方法1 加成聚合在自由基或離子型引發(fā)劑存在下，由兩親性單體均聚，或由親油/親水單體共聚，可以制得高分子表面活性劑，該方法簡便易行，單體種類選擇和組成變化范圍廣。2 縮合聚合通過縮聚反應制備的聚酯、聚酰胺、烷基酚醛樹脂及聚氨酯類型高分子表面活性劑，其組成和親油親水平衡值（HLB）易于調(diào)節(jié)，但一般分子量較低。3 開環(huán)聚合含活潑氫化合物引發(fā)烷基環(huán)狀亞胺、內(nèi)脂、酰胺及環(huán)氧化合物開環(huán)聚合，得到嵌段或無規(guī)高分子表面活性劑，結構易于控制，可根據(jù)性能要求調(diào)節(jié)鏈段長度和分布。利用開環(huán)聚合合成高分子表面活性劑的典型代表是以丙二醇為起始劑制得的嵌段聚醚“Pluronics”系列以及以己二胺為起始劑制得的具有陽離子特性的“Tatranics”系列嵌段聚醚。它們都是由環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷開環(huán)聚合而成的。通過改變聚氧丙烯的分子量(或引發(fā)劑的種類)及環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷的用量可獲得具有不同親水 疏水性能的聚醚類高分子表面活性劑。近年來通過N-烷基環(huán)狀亞胺醚開環(huán)反應制備多嵌段共聚物。這些產(chǎn)物表面活性優(yōu)良，有良好的開發(fā)前景，存在的問題是離子聚合反應條件較為苛刻，共聚物分子量仍然偏低(Mn 103)4 高分子的化學反應高分子化學反應是指通過化學反應的方法在聚合物上引入疏水基或親水基，得到兩親性結構的高分子表面活性劑。其優(yōu)點是可以直接用已商品化的聚合物作起始原料，得到的產(chǎn)物相對分子量較高，而缺點則是反應通常需要在高粘度的聚合物溶液中進行。如把長鏈烷基引入到聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥乙基纖維素中，或由磺化反應把SO3基團引入親油性的聚丁二烯或聚異戊二烯分子鏈上，亦可通過活潑氫反應將兩親性的聚(氧化乙烯- 氧化丙烯)接枝到聚硅氧烷主鏈上。7.1.5 展望隨著材料工業(yè)的發(fā)展，對高分子表面活性劑的需求必將日趨旺盛，人們對高分子表面活性劑的研究也在不斷深人，開發(fā)新的品種和新的合成方法也是當前研究的熱點。盡管在解決高分子表面活性劑同時具有高摩爾質(zhì)量和高表面活性的問題上已有一定進展，但由于對結構和性能的關系認識不夠，涉及物理化學性質(zhì)的大分子水溶液體系又非常復雜，溶液性質(zhì)的研究皆采用非水體系有機溶劑或摩爾質(zhì)量低于6 護歲3 的大分子表面活性劑水溶液體系，到目前為止具有超高分子量和高表面活性的高分子表面活性劑這一領域的研究仍然進展緩慢。因此研究其結構與性能的關系，重視新型高分子表面活性劑的研究與開發(fā)，合成高摩爾質(zhì)量高赫度、高表面活性的兩親高分子化合物，具有重要的理論和應用價值。7.2 吸附高分子性材料隨著科學研究和生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，吸附性高分子材料正迅速進入人們的生產(chǎn)和生活領域中，目前已經(jīng)成為重要的有機功能材料之一. 吸附性高分子材料主要是指那些對某些特定離子或分子有選擇性親和作用的高分子材料.7.2.1 種類和特點1 按性質(zhì)和用途分類根據(jù)吸附性高分子材料的性質(zhì)和用途，可將其分為以下幾類. ( 1) 非離子型高分子吸附樹脂： 對該材料非極性和弱極性有機物具有特殊的吸附作用，主要應用于分析化學和環(huán)境保護領域中，用于吸附和分離處在氣相和液相( 主要是水相) 中的有機分子. ( 2) 親水性高分子吸水劑： 具有親水性分子結構，可以被水以較大倍數(shù)溶脹，廣泛用于土壤保濕和生理衛(wèi)生用品等方面. ( 3) 金屬陽離子配位型吸附劑：這種高分子材料的骨架上帶有配位原子或配位基團，能與特定金屬離子進行絡合反應，生成配位鍵而結合. 這種材料也稱為高分子螯合劑，多用于吸附和分離水相中的各種金屬離子. ( 4) 離子型高分子吸附樹脂： 當高分子骨架中含有某些酸性或堿性基團時，在溶液中解離后具有與一些陽離子或陰離子相互以靜電引力生成鹽的趨勢，因而產(chǎn)生吸附作用. 最常見的有各種離子交換樹脂，它們被廣泛地用來富集和分離各種陰離子和陽離子.2 按使用條件和外觀形態(tài)分類根據(jù)使用條件和外觀形態(tài)，吸附性高分子材料主要分為以下4 類. ( 1) 微孔型吸附樹脂： 外觀呈顆粒狀，在干燥狀態(tài)下樹脂內(nèi)的微孔很小，當作為吸附劑使用時，必須用一定溶劑進行溶脹，溶脹后樹脂的三維網(wǎng)狀結構被擴展，內(nèi)部空間被溶劑填充形成凝膠，因此也稱為凝膠型樹脂. ( 2) 大孔型吸附樹脂： 特點是在干燥狀態(tài)下樹脂內(nèi)部就有較高的孔隙率、大量的孔洞和較大的孔徑. 這種樹脂不僅可以在溶脹狀態(tài)下使用，也可在非溶脹狀態(tài)下使用. 因這種樹脂具有足夠的比表面積，其孔洞是永久性的.( 3) 米花狀吸附樹脂： 外觀為白色透明顆粒，具有多孔性、不溶解性和較低的體積密度. 由于這種樹脂在大多數(shù)溶劑中不溶解不溶脹，因此，只能在非溶脹的條件下使用，樹脂中存在的微孔可允許小分子通過. ( 4) 交聯(lián)網(wǎng)狀吸附樹脂： 外觀呈顆粒狀，是三維交聯(lián)的網(wǎng)狀聚合物. 由于網(wǎng)狀結構，其機械穩(wěn)定性較差，使用受到一定限制. 交聯(lián)網(wǎng)狀吸附樹脂是通過制備線性聚合物，引入所需的功能基團，然后加入交聯(lián)劑進行交聯(lián)反應制得.7.2.2 結構與吸附性能之間的關系物質(zhì)化學性能和物理結構不同，其吸附作用也不同. 吸附樹脂表現(xiàn)出的吸附能力與其結構具有特定的對應關系.1 化學組成與功能基團在高分子吸附劑中，聚合物的化學組成與功能基團是最基本，也是最重要的結構因素. ( 1) 元素組成的影響： 當聚合物分子中含有O，N，S 及P 等配位原子時，聚合物具有潛在的絡合能力，可作為高分子螯合劑. ( 2) 功能基團的影響： 聚合物中功能基團的性質(zhì)決定了吸附樹脂的選擇性. 當聚合物鏈上連接強酸性基團時，解離后的高分子酸根能夠與陽離子結合成鹽，具有對陽離子交換和吸附能力； 當連接季銨基團時，可以與陰離子結合，具有陰離子交換和吸附能力. 由于不同離子型基團與各種離子的結合能力及穩(wěn)定性不同，各種離子型樹脂呈現(xiàn)出選擇性離子交換能力. ( 3) 分子極性的影響： 當吸附樹脂的化學結構中不含極性基團時，其適合于從極性溶劑如水中吸附非極性有機物. 當引入極性基團時，如引入氰基，將會使其轉化成中等極性或強極性吸附樹脂，適合于從非極性有機溶劑中吸附不同極性的物質(zhì).2 聚合物的鏈結構聚合物的鏈結構包括主鏈結構、分支結構( 分支的數(shù)目、長度及化學結構) 及交聯(lián)度等. 聚合物帶有支鏈與否及支鏈所占比例、聚合物的交聯(lián)與否及交聯(lián)的程度，直接影響聚合物的溶解度和溶脹度. 而溶脹度和溶脹后形成網(wǎng)狀結構的孔徑大小是影響樹脂吸附量及吸附選擇性的重要因素.3 吸附樹脂的宏觀結構吸附樹脂的宏觀結構主要對吸附劑的吸附量、機械強度及吸附度等性能有影響. 吸附樹脂的宏觀結構對吸附過程產(chǎn)生的影響主要有兩方面： 一方面是樹脂的有效吸附面積和表面性質(zhì)，主要是熱力學影響，影響吸附樹脂的吸附量、選擇性及穩(wěn)定性； 另一方面是孔徑大小、孔的長度、孔徑分布及樹脂的外觀形狀等，主要是動力學影響，影響被吸附物的擴散過程和吸附速度，孔徑大小決定被吸附物的范圍和吸附速度，孔徑分布直接影響選擇性高低.7.2.3 高分子吸附劑的應用1 水處理方面隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，近岸海域的污染日趨嚴重，重金屬離子濃度比深海水域高數(shù)十倍至數(shù)百倍. 因此，除去水中污染物及重金屬離子是高分子吸附劑的重要任務.人用高分子吸附劑從動態(tài)和半靜態(tài)的海水中吸附除去Cu2+ ，Pb2+ ，Zn2+ 及Cr3+ ，為消除重金屬離子對海洋生物幼體的危害，提供了一種有效的方法. 曲榮君等人用殼聚糖與過渡金屬離子Cu2+ 或Ni2+ 形成的配合物，在弱堿性條件下與環(huán)氧氯丙烷進行交聯(lián)，合成出一系列具有不同交聯(lián)度的殼聚糖樹脂，并研究了該系列樹脂對Cu2+ ，Ni2+ 的靜態(tài)吸附性能. 結果表明，該系列樹脂對Cu2+ ，Ni2+ 均具有良好的吸附能力，最佳吸附量分別達2. 62 mol/ kg 和2. 49 mol/ kg. 劉明華 13 等人以棉花為原料，經(jīng)過堿化和磺化等處理制得球形纖維素，在引發(fā)劑的作用下將丙烯腈接枝到交聯(lián)后的球形纖維素骨架上，合成了球形羧基纖維素吸附劑，并對Cr3+ 的吸附和解吸進行了研究. 結果表明，吸附過程是絡合吸附與離子交換吸附共同作用的結果，并以絡合吸附為主. 在吸附溫度為25 e ，pH 為5. 0 的條件下，靜態(tài)吸附和動態(tài)吸附的吸附率均達90% 左右. 采用濃度為1. 2 mol/ L 的H C1 溶液作解吸液，Cr3+ 的解吸率達85% 以上. 由此可見，高分子吸附劑不但可以用來去除廢水中的重金屬離子，而且可以用來回收海水中的金屬，應用前景十分廣闊.2 醫(yī)藥衛(wèi)生方面高分子吸附劑被廣泛用在吸附血紅細胞中的膽紅素、去除腎衰竭患者血液中積累的毒性成分肌酐、生物制藥的分離純化、作緩釋藥物的基體、藥片藥丸的崩解劑及藥物微膠囊的皮膜等方面.張躍華等人以天然甲殼素為原料合成出珠狀高分子吸附劑，并研究了對非結合型膽紅素的吸附性能，指出交聯(lián)甲殼糖吸附劑對非結合型膽紅素有良好的吸附作用. 魏斌等人合成出含氨基和羥基的高分子吸附劑，并研究了對膽紅素的吸附性能，指出含氨基和羥基的吸附劑對膽紅素的吸附率可達80% 以上. 何炳林、顧覺奮、左曉霞等人分別研究了高分子吸附劑在血液凈化及在生物制藥分離等方面的作用，指出高分子吸附劑在微生物制藥及在微生物發(fā)酵液中分離、提取、濃縮和純化等方面發(fā)揮著重要的作用. 此外，高分子吸附劑還可以應用于人工腎臟的過濾材料、人造皮膚、消炎止疼膏的凝化劑、隱形眼鏡的本體材料等方面.3 機械加工方面高分子吸附劑在機械加工領域中的應用主要體現(xiàn)在對油中微量水的吸附. 當機器在運行時，汽輪機油會被水污染，它會降低汽輪機油的性能及造成設備故障，所以除去油中微量的水就成為必須的環(huán)節(jié).Tanaka等人采用丙烯腈或其他聚合物纖維制成管狀脫水過濾器，利用纖維材料將油中細小、穩(wěn)定的水變成大的水滴，達到除水的目的. 該法對去除油中微量的水效果較好. 張秀玲等人合成了除去汽輪機油中微量水的高分子吸附劑，這種吸附劑可使汽輪機油中的水分降至0. 03% 以下. 它不但凈化效果好，成本低，而且不會改變汽輪機油的原有品質(zhì). 此外，利用高分子吸附劑去除氣體中有害成分的研究也有了一定進展. 曹愛麗等人研制出一種新型高分子吸附劑，以丙烯腈、苯乙烯為共聚單體，二乙烯基苯為交聯(lián)劑，進行致孔懸浮交聯(lián)共聚，制成多孔網(wǎng)絡狀樹脂，經(jīng)性能檢測能很好地吸附二氧化硫氣體，在常溫下的吸附量為0. 3 0. 4 g/ g.2 展望功能高分子材料是未來材料科學與工程技術領域的重要發(fā)展方向，現(xiàn)代多學科交叉的特點促進了新型功能高分子材料的研究與發(fā)展，也孕育了新一代的功能高分子材料。由于高分子材料在結構上的復雜性和多樣性，可以在分子結構(包括支鏈結構) 、聚集態(tài)結構、共混、復合、界面和表面甚至外觀結構等諸多方面，進行單一或多種結構的綜合利用，因此最大程度地滿足了其他高技術要求材料技術為他們提供的更多、更好的功能。隨著納米技術研究的深入，在分子、甚至原子水平上實現(xiàn)材料的功能結構設計、復合與加工生產(chǎn)成為可能，材料的功能將會進一步得到擴展，呈現(xiàn)前所未有的創(chuàng)新?？梢灶A言，新一代功能高分子材料的春天已經(jīng)來臨，納米材料必將成為新世紀材料發(fā)展的主流，也必將對新世紀的高新技術如電子、生物技術、生命科學的研究產(chǎn)生極為深遠的影響。7.2.4 展望隨著科學研究和生產(chǎn)技術的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出大量具有高吸附量、高選擇性的吸附性高分子材料.各種離子交換樹脂被廣泛應用于離子色譜分離、酸堿催化反應等方面； 帶有各種配位基團的高分子螯合劑在環(huán)境保護、物質(zhì)分離、化學分析中有著廣泛的應用； 各種親脂性高分子吸附樹脂被大量用于含有各種功能團的有機化合物、乳化劑、表面活性劑、潤滑劑、氨基酸的分離及用于抗生素藥物、天然植物藥物的分離提純； 吸水性高的高分子樹脂可以吸收超過自身重量的水分，在干旱地區(qū)作為保水劑可以提高種子成活率，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。8 結語材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎，是工業(yè)革命的先導，關系到國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國家安全，是國家綜合實力的重要標志。高分子材料是現(xiàn)代工業(yè)和高新技術的重要基石，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)以及國家安全不可或缺的重要保證。由于高分子材料具有許多優(yōu)良性能，適合現(xiàn)代化生產(chǎn)，經(jīng)濟效益顯著，且不受地域、氣候的限制，因而高分子材料工業(yè)取得了突飛猛進的發(fā)展，如今高分子材料已經(jīng)不再是傳統(tǒng)材料的代用品，而是與金屬、水泥、木材并列，在國民經(jīng)濟和國防建設中的扮演著重要作用的四大材料。與此同時，高分子科學的三大組成部分高分子化學、高分子物理和高分子工程也已經(jīng)日趨成熟。因此，量大面廣的通用高分子材料通過不斷地升級改造，成本大幅度降低、使用性能明顯提高；各類新型的、適應現(xiàn)代技術發(fā)展的高分子材料不斷涌現(xiàn)。參考文獻 1田乃林 導電高分子材料的研究與應用現(xiàn)狀 承德石油高等?？茖W校學報，2003，(3) 2楊永芳，劉敏江 導電高分子材料研究進展 工程塑料應用，2002，(7) 3戈明亮 導電高分子材料的研究概況 現(xiàn)代塑料加工應用，2002，(4) 4楊永芳，劉敏江 導電高分子材料的進展 塑料科技，2002，(4) 5張凱，曾敏，雷毅，江潞霞 導電高分子材料的進展 化工新型材料，2002，(7) 6楊永芳，劉敏江 導電高分子材料的應用和進展 廣州化學，2002，(4) 7寇建蘭，葉德勝 導電高分子材料 江西化工，2000，(4) 8李英，趙地順 導電高分子材料 河北科技大學學報，2000，(2) 9王瑾菲，蒲永平，楊公安，楊文虎， 高分子液晶材料的應用及發(fā)展趨勢 陶瓷，2009，(3) 10李岳姝， 高分子液晶材料及應用 黑龍江科技信息，2008，(24) 11新型高分子液晶材料 中國科技信息，2003，(19) 12我國新型高分子液晶材料研發(fā)獲得重大突破 發(fā)明與創(chuàng)新，2003，(11) 13郭玉國，張亞利，趙文元，孫典亭 高分子液晶材料的研究現(xiàn)狀及開發(fā)前景 青島大學學報(工程技術版)，2000，(3) 14程旭輝，楊欣， 醫(yī)用高分子材料的應用及發(fā)展前景 醫(yī)療裝備，2006，(10) 15趙成如，夏毅然，史文紅， 醫(yī)用高分子材料在醫(yī)療器械中的應用 中國醫(yī)療器械信息，2006，(5) 16張承焱， 醫(yī)用高分子材料的應用研究及發(fā)展(二) 中國醫(yī)療器械信息，2005，(6) 17張承焱 醫(yī)用高分子材料的應用研究及發(fā)展 中國醫(yī)療器械信息，2005，(5) 18張立英 我國醫(yī)用高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀 山西化工，2005，(3) 19KLVidur，桑榆 醫(yī)用高分子材料 國際紡織導報，2005，(2) 20宋恩蘭 1999年中國醫(yī)用高分子材料研究與應用文摘 化工新型材料，2000，(5) 21趙聲貴，鐘宏，劉廣義， 吸附性高分子材料概述 廣東有色金屬學報，2006，(2) 22王延君， 高分子納米復合材料的制備、表征和應用前景 內(nèi)蒙古石油化工，2008，(6) 23何小紅，徐越， 高分子納米復合材料制備方法探討 楊凌職業(yè)技術學院學報，2005，(4) 24謝兵，馬永梅，李新紅 高分子納米復合材料的功能特性 塑料，2003，(6) 25王慧菊 2001年中國高分子納米復合材料研究與應用題錄 化工新型材料，2002，(4) 26王慧菊 2000年中國高分子納米復合材料研究與應用文摘 化工新型材料，2001，(2) 27王慧菊 2000年中國高分子納米復合材料研究與應用文摘 化工新型材料，2001，(1) 28王慧菊 1999年中國高分子納米復合材料研究與應用文摘 化工新型材料，2000，(2) 29曾戎，章明秋，曾漢民 高分子納米復合材料研究進展()高分子納米復合材料的結構和性能 宇航材料工藝，1999，(3) 30曾戎，章明秋，曾漢民 高分子納米復合材料研究進展()高分子納米復合材料的制備、表征和應用前景 宇航材料工藝，1999，(2) 31曾戎，章明秋，曾漢民 高分子納米復合材料研究進展()高分子納米復合材料的制備、表征和應用前景 宇航材料工藝，1999，(1)