功能高分子材料的性能及應用研究

摘要：功能高分子材料因為獨特的性能和廣泛的應用潛力，已成為材料科學研究的一個重要分支。綜述了功能高分子材料的最新研究進展，重點討論了它們在傳感器、自修復材料、生物醫(yī)藥、能源存儲等領域的應用。通過對不同功能高分子的結構性能關系、功能化策略，以及它們在特定應用中的表現進行分析，旨在為未來的材料設計和功能開發(fā)提供科學的指導和參考。

1功能高分子材料概述

功能高分子材料是指具有某方面特定功能，能響應外部刺激（如溫度、pH、光、電磁場或化學物質）并據此改變其物理化學性質的高分子材料。由于其獨特的適應性和可調控性，功能高分子材料已經成為材料科學領域的研究熱點，并在生物醫(yī)學、智能傳感、環(huán)境工程、能源存儲與轉換等眾多前沿領域展現出廣闊的應用前景。

功能高分子材料的種類繁多，從傳統(tǒng)的導電聚合物、光敏聚合物到近年來興起的刺激響應性聚合物等，其多樣性源于不同單體的合成、聚合方式以及后續(xù)的功能化處理。例如通過引入特定的官能團，高分子可以設計成為具有自修復、自清潔或變色等特性的智能材料。此外，高分子的微觀結構如鏈段排列、親疏水平衡也可以通過分子工程技術進行精確控制，以實現對目標功能的精準調控。

近年來，隨著納米技術和高分子科學的發(fā)展，功能高分子材料的研究正逐漸深入到分子層面。分子自組裝、多尺度結構控制以及界面工程等策略被廣泛應用于創(chuàng)建具有復雜結構和優(yōu)化性能的新型高分子材料。同時，功能高分子材料的環(huán)境友好性和可持續(xù)性也越來越受到關注，生物基和可降解高分子材料的研發(fā)已成為未來發(fā)展的重要方向［1］。

2功能高分子材料國內外研究

2.1功能高分子材料國外研究

在高分子材料領域，國外的研究呈現出深度與廣度的結合?；A研究方面，國際科研團隊在理解功能高分子材料的基本行為和特性方面取得了顯著進展，涉及高分子鏈結構、聚集態(tài)結構以及高分子與其他物質的相互作用等關鍵問題。這些研究成果為揭示材料的性能和行為提供了重要的理論支撐。在制備技術上，國外研究者開發(fā)了一系列先進的制備方法，如高分子納米復合材料、薄膜和纖維的制備技術，極大地推動了功能高分子材料性能的提升和應用范圍的拓展。同時，高分子材料的應用研究也非常活躍，特別是在能源、環(huán)境、電子和航空航天等前沿領域，這些研究不僅促進了新材料的開發(fā)，也為材料的實際應用提供了堅實的基礎，顯示了高分子材料科學在當代科技發(fā)展中的重要地位和作用。

2020年4月，Csarnovics István在Development and Study of Biocompatible PolyurethaneBased PolymerMetallic Nanocomposites中采用鏈轉移和可逆加成斷裂技術合成了帶有吲哚側基團的功能性高分子，并對其進行了詳細表征。研究發(fā)現這些高分子材料具備熱逆轉和自愈合的特性。

2020年4月，Prof. Satoshi Horike在A New Dimension for Coordination Polymers and MetalOrganic Frameworks： Towards Functional Glasses and Liquids中提出了研究配位聚合物中非晶態(tài)和功能性的新途徑，這涉及金屬離子與有機橋接配體的復合以及它們之間的液態(tài)/玻璃態(tài)轉變，這一過程為制備離子液體以及其他類型的柔性離子材料打開了大門。通過同步輻射源進行的實驗和理論計算相結合的方法，我們能更加深入地了解液態(tài)及玻璃態(tài)的結構和動態(tài)性質。這些研究開辟了通過微調孔隙性、電導率、光學透明度等材料屬性的新途徑和可能性。

2021年，Xie Wei chao等在Co/Ncodoped porous carbons derived from poly（Schiff base）/Co（II） complex as ultrahighly efficient catalysts for CTH of nitroarenes中通過熱解聚（希夫堿）/Co（II）絡合物可伸縮地合成Co/N共摻雜多孔碳（Co/NC）催化劑，其催化作用通過配體中毒和酸蝕刻實驗得到確認和估計［2］。

2023年8月，Kumar等在Functional Polymer Material with Efficient Optical Tunability中通過DFT計算和熒光穆勒矩陣（FLMM）分析驗證了其能量可調性和光學響應。從FLMM的光學參數熒光雙向衰減率和熒光偏振度可以看出，相對于基態(tài)，激發(fā)態(tài)的分子取向更加有序。這類材料在光催化、化學傳感等方面具有作為促進劑的應用可能［3］。

2.2功能高分子材料國內研究

2019年11月，王志勇等分析最新的功能性高分子材料在柔性電子行業(yè)的研究動態(tài)，從柔性電子設備的構建要素和制造工藝2個維度進行探討，著重說明了柔性電子中3個核心材料類型：柔性襯底、界面改性劑、柔性功能材料的當前研究狀態(tài)及其未來的發(fā)展?jié)摿Γ?］。

2020年3月，張芬銘等發(fā)表《基于PHPMA的生物醫(yī)用功能高分子》一文，基于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［5］。

2020年4月，耿悅等在《高分子功能材料圖案化制備及其在光電領域的應用》中總結了各類高分子材料的圖案化技術，歸納了高分子圖案化技術在光電器件領域的研究進展，對未來發(fā)展的挑戰(zhàn)與機遇進行了展望［6］。

2022年7月，張馨壬等［7］在《功能高分子材料在鋅負極保護中的應用》一文中綜合評述了利用功能性高分子材料保護鋅負極的最新研究成果，并對該領域的未來趨勢提出了預測。為了解決鋅離子電池中鋅離子不均勻沉積導致的枝晶生長，以及電解質分解引起的不良副作用，采用了高離子傳導性高分子層來作為保護膜，這可以促進 Zn2+ 快速穿過保護層并在鋅電極上均勻沉積;同時，也有研究開發(fā)了帶有大量極性基團的聚合物鏈，這為 Zn2+ 提供了迅速移動的通道。

2023年5月，韓迪、傅強探討大型號POSS的合成方法，開展基于T8、T10和T12 POSS衍生的功能化高分子材料（例如具有超低介電常數和多孔結構的材料）的研究［8］。

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

光電功能性高分子材料在特定環(huán)境中展示出多種光電特性，并可根據它們的功能分為高分子駐極體、導電高分子和電活性高分子等類型。從成分結構上看，這些材料分為具有多種功能的復合材料和構造型電功能材料兩大類。這些材料目前主要應用于制造電子設備和特種電池。光電高分子材料以有機高分子為基礎，通過摻入石墨、金屬粉末、碳纖維、金屬纖維和金屬氧化物等導電組分，形成了具有導電特性的復合材料。這些材料結合了金屬的導電性和高分子材料的加工便利性。此外，它們還具備諸多優(yōu)勢，如調節(jié)電阻率的范圍寬、易于加工、工藝簡化、耐腐蝕和成本低廉，因此在許多領域都有著巨大的應用潛力。經過數十年的研究和行業(yè)實踐，這一領域已經取得了顯著進步，功能性高分子材料的種類也在不斷增加，帶動了相關電子器件性能的大幅提升。目前，這些材料已經基本能夠滿足電子紙、微處理器、柔性顯示屏、化學和生物傳感器等多個領域的需求，并正推動著電子學、柔性電子學及可穿戴電子設備等領域的快速發(fā)展［8］。

3.2高分子功能膜材料

高分子材料因為獨有的選擇性滲透特性，適合被用作膜狀結構。它們通常具備區(qū)分物質的獨特功能，適用于分離膜或功能性膜。與其他種類的材料相比，高分子功能膜能夠在膜的一側和另一側分別收集滲透后的產物和未滲透的原始產物，這有助于有效地回收選定的產物。此外，使用這些膜進行分離時，不會引發(fā)異常狀態(tài)或伴隨相變能耗。高分子功能膜不僅能夠識別并分離不同的物質，還能夠轉換物質和能量。在工程實踐中，這種材料能根據不同的工作條件展現出其多變的特性。

3.3功能高分子材料在生物醫(yī)學中的應用

在生物醫(yī)學中對功能高分子材料的應用主要包括3種情況，即人體器官、醫(yī)用塑料和藥用高分子。部分功能高分子材料由于生物相容性好，排斥反應小，可用于制作移植器官。此類高分子材料在實踐中將植入人體，替代原有的器官，在人類的生命活動中發(fā)揮一定的作用。截至目前，我國研制的高分子材料髖關節(jié)已在臨床上被證實有效，且排異作用較小，組織相容性好。在多種癌癥治療中，都用到了靶向藥，而功能高分子材料本身具有一定的選擇性，將其與藥品結合，可用于制造具有靶向作用的新型高分子藥物，從而更加準確地清除病灶。醫(yī)用塑料當前已較為常見，全部醫(yī)療器械中15%以上的原材料都是醫(yī)用塑料［9］。

3.4液晶高分子材料

液晶高分子材料是通過分子層面上的纖維與樹脂緊密結合形成的復合體，這種材料以其超高的強度、優(yōu)良的質感和大規(guī)模生產能力在眾多領域中得到了普遍應用。這些材料的種類包括光學非線性高分子液晶、具有生物活性的高分子液晶、用于光傳輸的高分子液晶以及高分子液晶薄膜等。它們獨特的性能意味著在未來有著極為廣泛和重要的應用潛力。

在眾多應用領域中，液晶高分子材料在電子和電氣行業(yè)中的需求巨大，并且增長速度迅猛，遠超通信業(yè)、工業(yè)以及運輸業(yè)的年增長率。這些材料主要被應用在光纖電纜組件、自動化機械手臂、復合材料結構、功能性部件、泵和閥門組件、連接器、開關、繼電器以及模塑印刷電路板等方面，極大地推動了液晶高分子技術在其他高科技領域的發(fā)展。

4功能高分子材料發(fā)展趨勢

最近幾年，我國在功能性聚合物材料領域的探索和研究持續(xù)加深，這些材料的進步不僅推動了多個行業(yè)的發(fā)展，還為我們的生活提供了更多便利。在政府政策的鼓勵下，新材料產業(yè)，尤其是功能性高分子材料產業(yè)正站在快速成長的風口上。功能性高分子材料的發(fā)展方向可以概述為追求更高的性能、功能、智能化以及環(huán)保性。

追求更高性能意味著提升材料的物理特性，比如耐熱性、耐腐蝕性和抗老化性，這些對材料在工業(yè)領域，如機械、交通、汽車、航天、電子信息技術和家電制造等行業(yè)的應用至關重要。功能提升則關注增強材料現有的功能，并拓寬其應用領域。

智能化是功能性高分子材料研究的主要方向，旨在利用材料存儲、傳遞和處理信息的能力，這一領域一旦取得實質性進展，就有可能在高分子智能材料和人工智能領域實現跨越式發(fā)展。

環(huán)保或綠色化則是改善高分子材料可能存在的毒副作用和難降解性，研發(fā)環(huán)保型的功能性高分子材料，以此促進社會的和諧進步。

功能性高分子材料的卓越性能為技術革新帶來了巨大的潛力，甚至可能引發(fā)行業(yè)的革命性突破，帶來經濟效益和社會效益，同時催生新產品的開發(fā)。憑借其強大的機械性能和其他優(yōu)勢，功能性高分子材料在現代工業(yè)的多個領域有著廣闊的應用前景，包括機械制造、電子產業(yè)、航空航天、船舶建造和軍事工業(yè)等。

鑒于功能高分子材料的迅速發(fā)展和潛在應用，未來的研究將繼續(xù)探索新的合成方法、功能化策略以及多功能一體化的設計理念，以滿足日益復雜和精確的應用需求。同時，對于高分子材料的生命周期評估、環(huán)境影響以及經濟可行性等方面的研究也將是不可或缺的一部分，以確保這一材料類別的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

［1］郝麗娜，李瑩瑩，李俊.功能高分子材料的性能及應用［J］.化工設計通訊，2021，47（5）：67-68.

［2］XIE WEICHAO X， BEI L， YIJIANG L， et al.Co/Ncodoped porous carbons derived from poly（Schiff base）/Co（II） complex as ultrahighly efficient catalysts for CTH of nitroarenes［J］.Applied Catalysis A， General，2021，6（2）：3.

［3］KUMAR R， KUMAR N， CHANDEL S， et al.Functional polymer material with efficient optical tunability［J］.Chemistry Select，2023，8（2）：9.

［4］王志勇，汪韜，莊夢迪，等.功能高分子材料在柔性電子領域研究進展［J］.中國科學技術大學學報，2019，49（11）：878-891.

［5］張芬銘，田語舒，鄭績，等.基于PHPMA的生物醫(yī)用功能高分子［J］.化學進展，2020，32（增刊1）：331-343.

［6］耿悅，高寒飛，吳雨辰，等.高分子功能材料圖案化制備及其在光電領域的應用［J］.高分子學報，2020，51（5）：421-433.

［7］張馨壬，曲昌鎮(zhèn)，蘇延霞，等.功能高分子材料在鋅負極保護中的應用［J］.功能高分子學報，2022，35（6）：493-508.

［8］韓迪，傅強.基于大尺寸POSS的功能高分子材料［C］//西安科技大學，高分子在線平臺，中國電子節(jié)能技術協(xié)會.2023第四屆全國功能高分子材料學術研討會論文集.成都：四川大學高分子科學與工程學院，高分子材料工程國家重點實驗室，2023：1.

［9］王若新.我國功能高分子材料發(fā)展現狀及應用分析［J］.化工設計通訊，2020，46（3）：93，102.

基金項目：齊齊哈爾市科技計劃創(chuàng)新激勵項目：功能高分子PSB納米材料的性能及應用研究（CGYGG—2023010）

作者簡介：郝麗娜，女，內蒙古通遼人，副教授，碩士，主要從事高分子材料方面的研究。