功能高分子材料的发展前景 功能高分子材料的发展前景摘要本文介绍了功能高分子材料的定义，结构，及其构性关系，着重介绍了电磁功能高分子材料、生物医用功能高分子材料、化学功能高分子材料和光功能高分子材料的性质及应用领域。关键词功能高分子材料，电磁，生物医用，化学Prospects for the development of Functional Polymer Materials This article describes the definition of functional polymer materials,structure,and structure of relations,focusing on the electromagnetic functional polymer materials,biomedical functional polymer materials,chemical functional polymer materials and optical properties of functional polymer materials and applications.Key words functional polymer materials,electromagnetic,biomedical,chemical,1功能高分子材料概述1.1高能高分子材料的定义功能高分子材料一般指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。1.2功能高分子材料的结构及性能功能高分子材料其实是有机化合物,有机化合物是碳元素的化合物.除碳原子外,其他元素主要是氢、氧、氮等.碳原子与碳原子之间,碳原子与其他元素的原子之间,能形成稳定的结构.碳原子是四价,每个一价的价键可以和一个氢原子键连接,所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物.这样,由于不同的特殊结构的形成,使有机化合物具有很独特的功能.高分子中可以把某些有机物结构(又称为功能团)替换,以改变高分子的特性。功能高分子材料之所有能够在应用中表现出许多独特的性质，主要与其结构有关。1.2.1功能高分子材料的结构层次(1)构成材料分子的元素组成元素组成是影响材料性能最基本的因素之一。比如，高分子材料的阻燃性能与材料分子中是否含有磷、硫和溴等阻燃元素以及它们的相对含量有关。因此，调整材料的元素组成是改变材料性能最基本，也是最有效的研究方法之一。(2)材料分子中的官能团结构在有机材料中其组成元素的种类有限，变化不多。但有机化合物千变万化的复杂性质，更多的取决于材料分子中的官能团结构。官能团结构决定了分子大部分化学性质，入氧化还原性质、酸碱性质、亲电与亲核性质和配位性质等，因此，材料的许多物理化学性质也与官能团密切相关。(3)聚合物的链段结构作为聚合物大分子，分子结构中的一个重要部分是骨架的链段结构，聚合物一般都是由结构相同或相似的结构片段连接而成，这种结构片段称为链段。链段结构包括化学结构、链接方式、几何异构、立体异构、链段支化结构、端基结构和交联结构等，这些结构主要形象材料的物理化学性质。一般来说无支链结构结晶性能好，分子间力大，溶解性差；相反，有分支结构的分子间力小，结晶度低，溶解性能好；比如元素和官能团组成相似的淀粉和纤维素，只是由于链段结构中有无分支而形成性能完全不同的物质。聚合物的链段结构对于反应型高分子的立体选择性也非常重要。(4)高分子的微观构象结构高分子的微观构象结构主要取决于材料的分之间力，入范德华力、氢键力和静电力等。也与材料分子的周围环境有关。微观构象结构直接影响材料的渗透性、机械强度、结晶度、溶液粘度等。(5)材料的超分子结构和聚集态该结构层次直接影响材料的物理性质，入吸附性、渗透性、透光性、机械强度等。高分子液晶的性能在相当大程度上取决于分子的超分子结构和聚集态结构。(6)材料的宏观结构宏观结构包括材料的立体形状、宏观尺寸、组合形式、复合结构等。许多有功能材料制备的各种光电子器件、功能器件的功能都与其宏观结构密切相关。1.2.2功能高分子材料构效关系1官能团的性质与聚合物功能之间的关系(1)功能高分子材料的性质主要取决于所含的官能团这类材料主要是将功能型小分子通过高分子化得到的，其性质主要依赖于结构中的官能团的性质。这时高分子骨架仅仅其支撑、分隔、固定和降低溶解度等辅助作用。(2)功能高分子材料的性质取决于聚合物骨架与官能团协同作用这类高分子材料所期望的性质需要分子中所含的官能团与高分子骨架的作用相互结合才能实现。固相合成试剂是带有化学反应活性棘突的高分子，固相合成过程即采用在反应体系中不会溶解的固相试剂作为载体，固相试剂与小分子试剂进行单步或多步高分子反应，并与固相试剂之间形成化学键，过量的时间和副产物通过简单的过滤方法除去，得到的合成产物通过固化学键的水解从载体上脱下。(3)官能团与聚合物骨架不能区分这种情况向官能团与聚合物骨架在形态上不能区分，也就是说官能团是聚合物骨架的一部分或者说聚合物骨架本身起着官能团的作用。(4)官能团在功能高分子材料中仅其辅助作用这种情况向，官能团对功能的实现一般贡献较小，是次要结构。入利用引入官能团改善溶解性能，降低玻璃化温度，改变润湿性和提高机械强度等作用。2功能高分子材料中聚合物骨架的作用(1)溶解度下降效应高分子骨架的引入，由于聚合物分子量的增大，分之间力大大增强，最直接的作用是使其溶解性大大下降，特别是引入交联型聚合物，使其在溶剂中只能溶胀，而不能溶解。(2)高分子骨架的机械支撑作用由于大部分功能高分子材料中的功能基团是连接到高分子骨架上的，因此其支撑作用的高分子骨架对功能基的性质和功能产生许多重要影响。比如，在相对刚性的聚合物骨架上"稀疏"的连接功能基，制成的高分子试剂具有类似合成反应中的"无限稀释"作用，骨节上各功能基团之间没有相互作用和干扰。在用固相法合成时就需要这种"无限稀释"作用，以获得纯度高的产物。统一在聚合物骨架上相对"密集"的连接功能基团，可以得到有官能团相互作用而产生的所谓"高度浓缩"状态"，产生明显邻位效应，即相邻基团参与反应，以促进反应的进行。(3)高分子骨架的模板效应模板效应是指利用高分子骨架的空间结构，包括构型和构象结构，在其周围建立起特殊的局部空间环境，在有机合成和其他应用场合提供一个类似与工业上浇铸过程中使用的模板的作用，这种作用于酶催化反应有相近的效应。(4)高分子骨架的稳定作用由于引入高分子骨架之后分子的熔点和沸点均大大下降，其挥发性大大减小，扩散速度随之降低，这样可以大大提高某些敏感性小分子试剂的稳定性。(5)高分子骨架在功能高分子材料中的其他作用高分子骨架在功能高分子材料中除了起到以上介绍的那些常见的作用之外，由于某些高分子骨架本身结构的特殊性，还可以产生一些比较少见的特殊功能。另外，在高分子液晶中聚合物链直接参与液晶态的形成，对形成的液晶态有稳定和支撑作用。将有机染料高分子化不仅可以利用其固定作用降低其有害性，还能够减少染料的迁移性，提高着色牢度。1.2.3聚合物骨架的种类和形态的影响根据聚合物骨架的形态，可以将聚合物骨架分成三种：一种是线型聚合物；第二种是分支型聚合物；第三种是交联聚合物。线型聚合物分子其分子呈现状，根据链的结构和链的柔性，聚合物可以成为非晶态或者不同程度的结晶态。与交联聚合物相比，线型聚合物的溶解性能比较好，在聚合物制备和加工过程中溶剂选取比较容易。此外，线型聚合物的玻璃化温度一般较低，黏弹性比较好，小分子和离子在其中比较容易进行扩散运动。线型聚合物的易溶解性也降低了机械强度和稳定性。交联聚合物由于各分子链间相互交联，形成网状，因此在溶剂中不能充分溶解，不能形成分子分散型溶液，在严格热力学意义上类讲应认为是不溶解的。一般交联聚合物在适当的溶剂中可以溶胀，溶胀后聚合物的体积大大增加。增加的程度根据交联度的不同而呈现较大差别同时交联度还直接影响聚合物的机械强度、物理和化学稳定性以及其他与材料功能发挥相关的性质。交联聚合物的不溶性克服了线型聚合物对产物的污染和高分子试剂回收困难等问题，机械强度同时得到提高。由于高分子骨架交联造成小分子或离子在聚合物中扩散困难的问题可以通过减小交联度，或者提高聚合物空隙度的办法来解决。但是交联聚合物的不溶性造成的不易加工处理和不易对其进行结构和组成分析是其难以克服的缺点。1.3功能高分子材料的优点(1)质轻。密度平均为1.45g/cm3，约为钢的1/5，铝的1/2；(2)比强度高。接近或超过钢材，是一种优良的轻质高强材料；(3)有良好的韧性。即高分子材料在断裂前能吸收较大的能量；(4)减摩、耐磨性好。有些高分子材料在无润滑和少润滑的摩擦条件下，它们的耐磨、减摩性能是金属材料无法比拟的；(5)电绝缘性好。可与陶瓷、橡胶媲美；(6)耐蚀性。化学稳定性好，对一般的酸、碱、盐及油脂有较好的耐腐蚀性；(7)导热系数小。如泡沫塑料的导热系数只有0.02~0.046W/(m·K)，约为金属的1/1500，是理想的绝热材料；(8)易老化。高分子材料能在光、空气、热及环境介质的作用下，分子结构产生逆变，机械性能变差，寿命缩短；(9)易燃。塑料不仅可燃，而且燃烧时发烟，产生有毒气体；(10)耐热性。高分子材料的耐热性是指温度升高时其性能明显降低的抵抗能力。热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。(11)刚度小。如塑料弹性模量，只有钢材的1/10~1/20，且在荷载长期作用下易产生蠕变。但在塑料中加入纤维增强材料，其强度可大大提高，甚至可超过钢材2功能高分子材料的应用现代多学科交叉的特点促进了功能高分子材料的研究与发展，从功能及应用上可将功能高分子材料大致分为以下几类：1电磁功能高分子材料电磁功能高分子材料主要包括：导电性材料[1]高分子磁性体[2]、光电导材料、压电材料、热电材和磁记录材料等。导电性高分子材料按材料的结构和组成，可将导电高分子分为两大类：一类是结构型导电高分子，它依靠高分子结构本身提供的导电载流子导电；另一类是复合型导电高分子，它是依靠添加在不具备导电性的高分子材料中的炭黑、金属粉、箔等。结构型导电高分子材料，它是指高分子本身或经过"掺杂"之后具有导电功能的一类材料，这类导电高分子一般为共轭型高分子。它是指高分子链中具有大量共轭双键结构，其导电机理在于丌电子的非定域化，电子在共轭体系内自由运动，因而提供了大量的导电载流子。虽然共轭结构具有较强的导电倾向，但电导率并不高，在实际应用中，需要经过掺杂后才能使用，例如：在聚乙炔中添加碘等电子受体，由于聚乙炔的电子向受体转移，电导率可增至104S/cm，达到金属导电的水平。另一方面由于聚乙炔的电子亲和力很大，可以从作为电子给体的碱金属接受电子而使电导率上升。这种因添加电子受体或电子给体提高电导率的方法称为"掺杂"。因此掺杂是提高共轭高聚物电导率很重要的方法。属于这类聚合物的有聚乙炔、