功能高分子材料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

谷 雨，彭 博，杜 磊（.河北工程技術(shù)學(xué)院，河北省石家莊市 050000； .河北省電力建設(shè)第一工程公司，河北省石家莊市 050000）

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功能高分子材料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

谷 雨1，彭 博2，杜 磊2
（1.河北工程技術(shù)學(xué)院，河北省石家莊市 050000； 2.河北省電力建設(shè)第一工程公司，河北省石家莊市 050000）

摘 要：綜述了光電高分子材料、仿生高分子材料、環(huán)境敏感型高分子材料以及其他高分子材料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。光電高分子材料可以實(shí)現(xiàn)光能和電能的相互轉(zhuǎn)換，仿生高分子材料具有一定的生物特性，環(huán)境敏感型高分子材料則會(huì)根據(jù)周圍溫度、濕度、光照強(qiáng)度等因素的變化而發(fā)生色彩、透光度、發(fā)光強(qiáng)度等性能的變化。將功能高分子材料應(yīng)用于室內(nèi)設(shè)計(jì)，充分利用這些材料的力學(xué)性能、熱學(xué)性能、光學(xué)性能、介電性能，可滿足人們?nèi)粘Ｉ钪袑?duì)光線、色彩、外形、功能等方面的需求。

關(guān)鍵詞：光電高分子材料 仿生高分子材料 環(huán)境敏感型高分子材料 室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)

高分子材料由于其結(jié)構(gòu)的不同，可以從力學(xué)性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能、介電性能、吸濕性能等各方面滿足室內(nèi)設(shè)計(jì)的不同需求。因此，高分子學(xué)科的發(fā)展在很大程度上拓寬了室內(nèi)設(shè)計(jì)的空間和前景［1］。近年來，隨著科技的進(jìn)步、生活水平的提高以及人們“以人為本”意識(shí)的加強(qiáng)，室內(nèi)設(shè)計(jì)越來越傾向于人性化和智能化，而實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)離不開高分子學(xué)科的發(fā)展。在美國蘋果公司完全智能化的未來人類室內(nèi)居住環(huán)境設(shè)想中，則需要用到高分子液晶材料、光電高分子材料、環(huán)境敏感型高分子材料等。高分子材料可以從光線、色彩、外形、材質(zhì)、功能等諸多方面為改善人類室內(nèi)居住環(huán)境提供服務(wù)。利用高分子有機(jī)發(fā)光二極管（PLED）可以制備顏色和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的發(fā)光器，導(dǎo)熱高分子材料可以用來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，形狀記憶材料則可用來制備貼合人體工學(xué)的家具，仿生高分子材料可以用來制備防水、耐摔、高強(qiáng)度、潔凈的室內(nèi)裝飾用品等。本文從光電高分子材料、仿生高分子材料、環(huán)境敏感型高分子材料等方面介紹了高分子材料在室內(nèi)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1　光電高分子材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

光電高分子材料兼具感光高分子材料和導(dǎo)電高分子材料的特性，可用于光能和電能的相互轉(zhuǎn)換。其中，將光能轉(zhuǎn)化為電能的高分子材料主要用于聚合物太陽能電池中；將電能轉(zhuǎn)換為光能的高分子材料主要用于制備PLED。通過改變聚合物結(jié)構(gòu)可以制造顏色和光強(qiáng)不同的發(fā)光器，由于高分子材料的柔韌性和優(yōu)異的加工性能，在室內(nèi)設(shè)計(jì)中有廣泛的應(yīng)用前景。常用于PLED中的聚合物材料有聚噻吩、聚芴、聚苯胺、聚苯等共軛高分子材料或高分子配體與稀土金屬形成的高分子稀土配合物。PLED是一種典型的光電高分子材料，建立在噴墨打印技術(shù)的發(fā)展上，PLED制備簡單、成本低，具有優(yōu)良的耐熱性和耐腐蝕性能，并且有較高的發(fā)光效率［2-3］。與小分子有機(jī)發(fā)光二極管相比，雖然PLED材料向彩色化發(fā)展的腳步還相對(duì)較慢，但在未來的研發(fā)過程中這一問題是可以克服的。由于PLED是以高分子材料為基體，在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)時(shí)，PLED可以借助高分子材料的柔性、易加工性制備外形美觀，節(jié)省空間的發(fā)光地磚、發(fā)光墻紙、發(fā)光飾品和擺件等器件，從而滿足人們?cè)谑覂?nèi)裝修時(shí)物質(zhì)和精神雙方面的需求。

與傳統(tǒng)的單晶硅或多晶硅太陽能電池相比，聚合物太陽能電池具有無污染、質(zhì)量輕、成本低、可制備柔性器件等優(yōu)點(diǎn)［4-5］。其中，聚合物在太陽能電池器件中主要用作電子給體材料或電子受體材料。電子給體材料以聚對(duì)苯乙炔、聚噻吩、聚芴及低能帶間隙聚合物為主，比較具有代表性的聚合物材料包括聚3-己基噻吩、含苯并噻二唑單元的共聚物、含吡啶和N-十二烷基吡咯重復(fù)單元的共聚物等，其中，聚噻吩類和聚對(duì)苯乙炔類異質(zhì)結(jié)型太陽能電池器件性能較為穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較高；作為電子受體材料，以吡啶類聚合物為代表的雜環(huán)形聚合物和以苯并咪唑-苯并菲咯啉共聚物為代表的梯形聚合物具有較為優(yōu)異的光學(xué)性能，與電子給體材料既可以在一定程度上相容，又存在一定程度的相分離，使產(chǎn)生的激子分裂界面形成無數(shù)個(gè)異質(zhì)結(jié)，優(yōu)化有效分離界面，提高光電轉(zhuǎn)換效率。其中，性能較為優(yōu)異的電子受體材料有聚（1，1-二溴-2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）二甲苯和聚（2-甲氧基-5-十二烷氧基）等。目前，雖然聚合物太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率還相對(duì)較低，但可為室內(nèi)所用的低功率電器（如顯示屏、電子相框、電子留言板、裝飾用的低功率發(fā)光器等）提供電力支持，而且聚合物太陽能電池具有優(yōu)異的柔性，在室內(nèi)設(shè)計(jì)中不僅可以極大節(jié)省空間，還能夠兼顧到室內(nèi)環(huán)境的美觀。

除了光電高分子材料，還有一些其他的能量轉(zhuǎn)換材料。如聚乙炔等導(dǎo)電高分子可以將電能轉(zhuǎn)化為熱能，這類高分子材料可以制成地板或坐墊，與金屬電阻絲相比，高分子材料更安全。

2　仿生高分子材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

仿生高分子材料是指以聚合物為基體，通過模擬植物或動(dòng)物在色彩、形狀、材質(zhì)、功能等生理或生物特性而研制的材料［6-7］。早期的仿生高分子材料主要以模仿生物外形為主，如仿照鋸齒草的外形制造鋸子、仿照魚鰭制造船槳等；20世紀(jì)中期，仿生學(xué)逐漸發(fā)展到分子水平，從而開啟了從分子水平模仿生物的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分而制造各種材料，如模仿荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu)制備了超疏水材料、模仿壁虎爪部的微觀結(jié)構(gòu)研發(fā)出超強(qiáng)力吸盤。

荷葉表面具有超疏水特性，是由于其表面均勻分布著10 μm左右的微凸結(jié)構(gòu)，這些微凸結(jié)構(gòu)又由許多直徑為200 nm的凸起物構(gòu)成，微凸結(jié)構(gòu)之間的間隔大約為12 μm。這就相當(dāng)于荷葉表面是由納米級(jí)粒子組成的微米級(jí)粒子簇構(gòu)成的，導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)非常不平整，從而賦予了荷葉表面超疏水性能。研究者利用仿荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇或聚苯乙烯陰模模具，通過復(fù)模方式在聚二甲基硅烷表面制備出類荷葉結(jié)構(gòu)及納米級(jí)微凸結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制備了超疏水的硅樹脂涂料。這種硅樹脂涂料水接觸角高達(dá)165.2°，滾動(dòng)角為5.0°，具有良好的疏水性能。將這種涂料用于室內(nèi)的裝修設(shè)計(jì)，可以在很大程度上解決墻體的清潔問題［8］。

壁虎的腳趾上長有數(shù)百萬根長度為30～130 μm的細(xì)小剛毛，而每根細(xì)小剛毛的末端又分叉形成100～1 000 根長度為200 nm，厚度為5 nm的鏟狀絨毛。當(dāng)壁虎腳部與墻壁發(fā)生接觸時(shí)，每根剛毛可以與墻壁產(chǎn)生約200 μN(yùn)的范德華力，而壁虎的四只腳與墻壁可以產(chǎn)生133 kg左右的相互作用力?？茖W(xué)家利用具有納米圓孔陣列的光掩膜，在聚酰亞胺基體材料上進(jìn)行電子書刻蝕，然后進(jìn)行氧等離子體處理，仿照壁虎腳部的微觀結(jié)構(gòu)研發(fā)了納米簇“壁虎腳”（見圖1），這種材料不僅有較高的承受力（300 g/cm2），而且具有較高的潔凈度和循環(huán)利用性［9］。

圖1　蛛絲微觀結(jié)構(gòu)與仿壁虎腳部納米簇材料的掃描電子顯微鏡照片（×150 000）Fig. 1 SEM photos of microscopic structure of spider silk and house Lizard foot-biomimetic nano-clusters

另外一種仿生高分子材料是化學(xué)成分仿生高分子材料。蛛絲是一種強(qiáng)度極高的天然高分子纖維，是由甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和其他氨基酸單體構(gòu)成的蛋白質(zhì)分子鏈。這些蛋白質(zhì)分子鏈形成規(guī)則和不規(guī)則的復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)，從而賦予其高強(qiáng)度和高彈性，另外，蛛絲中的吡咯烷酮和一些殺菌物質(zhì)也賦予了其優(yōu)良的吸濕性和自殺菌作用?？蒲泄ぷ髡邔⒅┲胫圃熘虢z的脫氧核糖核酸片段轉(zhuǎn)錄到山羊的胚胎細(xì)胞中，從山羊乳汁中提取用于紡絲的蛛絲原液，從而制備了高強(qiáng)度的人造蛛絲。將這種人造蛛絲用于紗網(wǎng)等保護(hù)罩，具有優(yōu)異的實(shí)用性和較長的使用壽命。

葉綠體仿生太陽能電池是利用硅橡膠、納米二氧化鈦、染料和納米量子點(diǎn)制備的硅橡膠復(fù)合材料薄膜太陽能電池。這種葉綠體仿生太陽能電池是利用光敏材料和納米量子點(diǎn)作為“捕光手”，納米二氧化鈦?zhàn)鳛椤肮怆娹D(zhuǎn)換中心”，硅橡膠作為肉形外殼。這種聚合物薄膜太陽能電池由于采用光敏材料和納米量子點(diǎn)同時(shí)作為“捕光手”，所以對(duì)光照要求不高，即便在室內(nèi)光照不強(qiáng)的情況下也有較高的光電轉(zhuǎn)換效率（約11%），適用于室內(nèi)顯示器，對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)的智能化發(fā)展有重要的推動(dòng)作用。2014年，兩位澳大利亞設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了綠葉形太陽能電池，將這種電池貼在窗子上不僅美觀，還可以進(jìn)行電能儲(chǔ)備，從而為室內(nèi)提供電力。

3　環(huán)境敏感型高分子材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

環(huán)境敏感型高分子材料是指材料對(duì)環(huán)境變化較為敏感，并且性能會(huì)隨著環(huán)境的變化而變化，最常見的可以引起材料性能變化的因素有光強(qiáng)、溫度、濕度、pH值等。利用聚N-異丙基丙烯酰胺等光致變色材料，可使室內(nèi)景觀隨著一天之內(nèi)光強(qiáng)的變化而變化，還有一些高分子材料會(huì)隨著溫度升高或濕度增大而顯色，在檢測室內(nèi)溫度和濕度的同時(shí)，可以增強(qiáng)室內(nèi)景觀的多樣性和觀賞性。丙烯酰胺類聚合物是一種對(duì)溫度敏感的高分子材料，這種聚合物存在一個(gè)相轉(zhuǎn)變溫度，隨溫度變化，分子內(nèi)和分子間的氫鍵及范德華力發(fā)生可逆性變化，從而導(dǎo)致顏色變化：溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料呈淺色或無色透明；溫度低于相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料呈深色或黑色［10］。采用這種材料可以用來制作窗戶，在溫度較高的白天或夏季，窗戶變?yōu)橥该骰虬咨?，可以減少熱量吸收，保持室內(nèi)涼爽；而在溫度較低的夜里或冬季，窗戶則變?yōu)楹谏?，不僅可以保護(hù)居民的隱私，而且還可以提高熱量的吸收，起到保暖節(jié)能的作用。這些材料可用于室內(nèi)墻壁涂料以及墻壁裝飾，不僅可以調(diào)控室內(nèi)溫度，還為居民生活提供更多樂趣。

光致變色高分子材料也是一種環(huán)境敏感型材料，這類高分子材料主要有偶氮類、螺環(huán)結(jié)構(gòu)類、苯乙基萘并萘醌類、二苯基乙烯類等［11］。不同光致變色高分子材料對(duì)不同波段及不同強(qiáng)度的光具有敏感性，有的高分子材料對(duì)紫外光較為敏感，如二芳基乙烯類聚合物在較強(qiáng)紫外光的照射下顏色會(huì)發(fā)生變化，可以用來檢測紫外光的強(qiáng)度并進(jìn)行紫外防護(hù)。聚N-異丙基丙烯酰胺對(duì)可見光敏感，隨著光強(qiáng)的變化，這類材料的顏色發(fā)生變化或發(fā)生顯色反應(yīng)，將這種材料作為有機(jī)玻璃則可以更為智能地保護(hù)居民隱私。光致變色高分子材料用作信息儲(chǔ)存或裝飾，可以在光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)顯示所儲(chǔ)存的信息或所設(shè)計(jì)的裝飾。

聚丁二炔及二炔酸類材料是一種感濕變色材料，當(dāng)濕度發(fā)生變化時(shí)，這類材料的分子會(huì)在團(tuán)聚態(tài)和分散態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變，而這兩種狀態(tài)的材料在吸收不同波段的光時(shí)會(huì)發(fā)生顏色的改變［12］。這種感濕性變色材料用于浴室時(shí)，因濕度的變化，可在使用該種材料的浴室地板或墻壁處顯現(xiàn)出設(shè)計(jì)好的圖案。

4　其他高分子材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

高分子復(fù)合材料通常分為結(jié)構(gòu)型高分子復(fù)合材料和功能型高分子復(fù)合材料［13-15］。其中，結(jié)構(gòu)型高分子復(fù)合材料［16-17］（如玻璃纖維或竹纖維改性的聚氨酯、聚烯烴等）通常具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)具有高分子材料的質(zhì)輕、耐化學(xué)藥品腐蝕等性能；功能型高分子復(fù)合材料［18-20］（如碳納米管或納米二氧化硅改性的酚醛樹脂、聚氨酯等）不僅具有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型高分子復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，還具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、發(fā)光、保溫等特殊功能，在室內(nèi)設(shè)計(jì)中具有十分廣泛的應(yīng)用前景。用于室內(nèi)設(shè)計(jì)的高分子材料還包括具有自修復(fù)功能的高分子材料［21］（如紫外光響應(yīng)的聚氨酯材料及熱可逆的高度交聯(lián)環(huán)氧樹脂材料）、儲(chǔ)能高分子材料［22］（如聚乙烯醇固-固相變高分子材料）、納米高分子材料［23］（如納米水性聚氨酯涂料）、形狀記憶高分子材料［24］（如輻照交聯(lián)的聚乙烯、聚降冰片烯、苯乙烯-丁二烯共聚物等）等。

5　結(jié)語與展望

高分子材料具有質(zhì)輕、易加工、成本低等優(yōu)點(diǎn)，還具有各種各樣的功能性特征。光電轉(zhuǎn)化高分子材料可以用于室內(nèi)的電力或光線供應(yīng)；仿生高分子材料可以仿照生物的特性滿足居民在潔凈度、力學(xué)、熱學(xué)等方面的需求；環(huán)境敏感型高分子材料可以利用環(huán)境的變化改變自身特性。功能高分子材料目前還處于高速發(fā)展中，未來還會(huì)有越來越多具有自身特性的高分子材料被研發(fā)出來，而目前應(yīng)用的高分子材料的性能也會(huì)逐步完善。

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Application of functional polymer materials in interior design

Gu Yu1，Peng Bo2，Du Lei2
（1. Hebei Polytechnic Institute，Shijiazhuang 050000，China；2. Hebei First Electric Power Construction Engineering Company，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：This paper reviews the application of functional polymer materials such as bionic，environment sensitive and photoelectric polymer in interior environment design. Among which photoelectric polymer can promote the conversion of light and electric energy，the bionic polymer materials exhibit biological characteristics，the performances on color，transmittance，and luminous intensity of environment sensitive polymer materials would vary with the temperature，moisture，and illumination intensity. These functional polymer can be applied for interior environment design to meet the requirements of appearance，color，light and function in this field thanks to the dielectric，mechanical，optical，and thermal properties of these materials.

Keywords：photoelectric polymer material； bionic polymer； environment sensitive polymer material；interior environment designing

作者簡介：谷雨，女，1981年生，工程碩士在讀，講師，主要研究方向?yàn)槭覂?nèi)設(shè)計(jì)及功能高分子材料。聯(lián)系電話：13180054832；E-mail：xiekaimingliu@126.com。

收稿日期：2015-11-28；修回日期： 2016-02-27。

中圖分類號(hào)：O 631.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-1396（2016）03-0076-04