功能高分子材料的性能及應用

郝麗娜，李瑩瑩，李 俊

（齊齊哈爾工程學院，黑龍江齊齊哈爾 161005）

1 功能高分子材料概述

功能高分子材料是20 世紀60 年代發展起來的新興領域，是一類由分子量相對比較大的長鏈分子組合而成的具有特殊功能的高分子及其復合材料，具有電、磁、光、力學等某一方面特殊的性能。目前的研究主要集中以下方面：光功能高分子、液晶高分子材料、電子功能高分子材料、醫用功能高分子材料、環境降解高分子材料、吸附分離功能材料等。現階段應用最廣泛的功能高分子材料主要為：光功能高分子材料，液晶高分子材料以及吸附分離功能高分子材料等。光功能高分子材料主要被應用于太陽能的開發利用以及電子工業等方面。

與傳統材料進行比較，功能高分子材料具有諸多優勢和特點。功能高分子材料能全部有效體現出傳統高分子材料所具備的性能。功能高分子材料還能合理地體現出一些特殊功能的基團所具的性能。

2 功能高分子材料國內外研究

2018年10月，龍星宇等綜述了功能化有機高分子、離子印跡高分子材料的制備及其在金屬離子MSPE分離富集或去除方面的應用，并說明未來的研究和發展方向[1]。

2019年4月，顧陸銘利用靜電紡絲纖維素膜作為中間層，表面涂覆聚乙二醇單甲醚甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、交聯劑三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）的混合漿液，前三者發生熱引發自由基共聚形成交聯聚合物，并與PVDF-HFP構成互穿網絡型聚合物表面涂層，最終與纖維素膜形成3層復合膜，實驗發現，復合膜的離子電導率和力學強度均得到明顯提升，在180℃仍具有良好的尺寸穩定性。將復合膜組裝成半電池，電池測試結果表明，復合膜組裝的電池放電比容量可以達到137mA·h/g，且具有良好的倍率放電性能[2]。

2019年5月，劉志朋等綜述了超支化有機硅功能高分子的制備，總結了超支化有機硅功能高分子在催化劑載體、生物醫藥材料、耐熱材料、陶瓷前驅體以及光電材料方面的應用，并對超支化有機硅功能高分子未來的發展作出了展望[3]。

2019年12月，趙越等以選擇透過性材料作為研究對象，闡明作用原理，綜述了離子交換膜、碳基高分子復合材料、金屬有機骨架材料高分子復合材料、多金屬氧酸鹽高分子復合材料、消毒功能高分子等多種類型的選擇透過性材料，并對其防護、消毒、透濕等性能進行了介紹，提出了選擇透過性材料的研究發展方向[4]。

2020年3月，張芬銘從聚合物鍵合藥物方式的獨特分類視角，分別從共價鍵鍵合以及非共價鍵合的角度進行歸納整理，同時對于外界刺激可斷裂型的功能高分子材料進行了詳細的論述。

2020年4月，Csarnovics István通過可逆加成斷裂和鏈轉移工藝制備帶有側基吲哚基團的功能高分子材料并進行表征，所得的功能高分子材料顯示出熱可逆性以及愈合特性。

2020年4月，Prof.Satoshi Horike提出非晶態和功能性作為配位聚合物的新研究方向，金屬離子和有機橋聯配體的結合，以及液相/玻璃相轉化，提供了離子液體和其他離子軟材料制備的可能性。同步加速器的測量和計算方法有助于闡明液體/玻璃態的結構和動力學。提供了調整孔隙率，電導率，透明度和其他材料特性的機會。

2020年4月，耿悅等總結了各類高分子材料圖案化技術，歸納了高分子圖案化技術在光電器件領域的研究進展，對未來的發展的挑戰與機遇進行了展望[5]。

3 功能高分子材料在工程中的應用

3.1 光電功能高分子材料

光電功能高分子材料其在某一個相對固定的背景下，體現出各種光電性能。依據其功能，可以將其劃分為高分子駐極體、導電高分子材料以及高分子電活性材料等。依據其組成情況可以將其分成兩大類。一類屬于復合功能的材料，另一類屬于結構型電功能材料。光電功能高分子材料目前主要被廣泛地應用于電子器件以及特殊用途電池生產等方面。在特定的環境下，光電功能高分子材料可以表現出多種樣式的性質，其在電子器件和敏感器件中也有廣泛的應用。

光電高分子材料是以有機高分子材料為基體，加入一定數量的石墨、金屬粉、碳纖維、金屬纖維、金屬氧化物導電物質等組合而成的復合型的具有導電性的高分子材料。該類材料兼具金屬的導電性和高分子材料的易加工特性。此外，光電功能高分子材料還具有電阻率可調范圍大、加工性好、工藝簡單、耐腐蝕、價格低等優點，在很多領域有重要應用前景。經過相關科研人員及相關行業幾十年的不斷研究，該領域已經獲得長足發展，功能高分子光電功能材料的種類不斷豐富，推動相關器件性能顯著提高。目前基本可滿足電子紙、微型處理器、柔性顯示、化學/生物傳感器等領域的應用需求，正推動著可印刷、柔性大面積電子學、可穿戴電子新時代的快速發展[6]。

3.2 高分子功能膜材料

高分子功能由于具有選擇性的透過能力，可以用作膜型材料。通常它還是具有可以將物質進行分離的特殊性功能的分離膜或者是功能膜。與其他材料相比，高分子功能膜材料由于在膜兩側的產物為透過產物和原產物兩種，有利于將選取的產物進行收集。另外，在分離的過程中不會出現異常或者相變能消耗的情況。高分子功能膜具有識別物質的和對物質進行分離兩大功能，它還具有對物質和能量進行轉化的功能。在工程應用過程中，其隨著條件不同顯現出特性。

3.3 液晶高分子材料

由纖維和樹脂在分子水平進行微觀復合組成的液晶高分子材料，其具有高強度、質地好、數量大的優勢，在生活中得以廣泛的應用。液晶高分子材料包括：光學非線性高分子液晶、生物性高分子液晶、光導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。

從應用領域分析，液晶高分子材料已成為電子電氣行業中需求量最大且發展迅速的領域。平均年增長遠遠領先于通訊業、工業界及運輸業。其應用主要用于光纜結構件、機械手、復合材料、功能件、泵/閥門組件、接插件、開關、繼電器、模塑印刷電路板等，顯著推動了液晶高分子技術及其他高新技術的發展。

3.4 醫用功能高分子材料

某些特殊功能高分子材料，在生物體出現生理系統疾病時，可以對疾病起到診斷及治療的作用，達到有效促進生物體功能的恢復作用。這類醫用功能高分子材料也可以應用于生物體的再生損傷組織或者器官，達到最大限度緩解生物體病情及延長生命的作用。所以，醫用功能高分子材料被廣泛應用于醫療領域中。

醫用高分子材料已經成為新興材料工業中發展最快的品種之一，目前，世界范圍內已經進入應用領域的醫用高分子材料達到90個品種以上，具有1 800多種制品，醫用塑料的年銷售額在31億美元以上。預計未來15a內，包括生物醫用高分子材料在內的醫用功能高分子材料將成為21世紀世界醫療器械的支柱產業。但是，與國外相比，國內關于醫用功能高分子材料的研究工作及生產規模，均具有相當的差距，主要表現在：研究速度慢，出成果周期較長，生產規模小，技術水平較低，產品更新快，導致研究速度跟不上產品更新速度；材料品種有限，導致制品規格不全，不能形成系列化成果；檢測手段滯后，產品質量穩定性較差，可降解性差。

4 功能高分子材料發展趨勢

近年來，我國對功能高分子材料的研究逐步深入，使得功能高分子材料促進了其他行業的發展，也給我們的生活帶來了更多的便利。在國家政策的指引下，國家對新材料產業尤為重視，作為新材料中的功能高分子材料的發展，必將迎來快速的發展。功能高分子材料的發展趨勢可概括為：高性能化、高功能化、智能化和綠色化。

高性能化：功能高分子材料的重要發展趨勢為增強高分子材料的物理性質，如提高耐高溫性、耐腐蝕性、抗老化性等。這對于功能高分子材料在機械、交通、汽車、航天、電子信息技術和家用電器等行業的應用具有重要意義。

高功能化：增強高分子材料的原有功能，擴展其在更多方向的應用。

智能化：利用高分子材料具有的存儲、傳遞、處理信息的功能，這是功能高分子材料研究的重要方向，一旦取得突破，將帶來高分子智能材料領域和人工智能的飛躍式發展。

綠色化：改善部分高分子材料具有毒副作用，難以降解的特點，研究環境友好的，綠色化的功能高分子材料，促進社會和諧發展。

5 結束語

功能高分子材料優異的性能可帶來各個領域技術進步，甚至質的飛躍，在各行業產生巨大的經濟收益和社會效益，并促使新產品的出現。功能高分子材料具有較強的力學性能及其他優勢和特點，在現代化工業發展方面可以大范圍的推廣和應用，在機械加工、電子、航空航天、船舶制造和兵器工業等行業也有廣泛應用前景。