第十一章智能膜

1、第十一章智能膜第十一章智能膜智能材料智能材料 又稱(chēng)敏感材料，由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成又稱(chēng)敏感材料，由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成。 智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。響應(yīng)的智能特征的材料。 智能材料可分為兩大類(lèi)：智能材料可分為兩大類(lèi)： 1）嵌入式智能材料，又稱(chēng)智能材料結(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng)）嵌入式智能材料，又稱(chēng)智能材料結(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng) 在基體材料中，嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三

2、種原在基體材料中，嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處始材料。傳感元件采集和檢測(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。理器指揮和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 2）有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和）有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自時(shí)間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的衰減的Inp半導(dǎo)體等。半導(dǎo)體等。 設(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能設(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)復(fù)合和材料

3、的仿生設(shè)計(jì) 具有以下特征具有以下特征 傳感功能（傳感功能（Sensor） 反饋功能（反饋功能（Feedback） 信息識(shí)別與積累功能信息識(shí)別與積累功能 響應(yīng)功能響應(yīng)功能 自診斷能力（自診斷能力（Self-diagnosis） 自修復(fù)能力（自修復(fù)能力（Self-recovery） 自調(diào)節(jié)能力（自調(diào)節(jié)能力（Self-adjusting） 第一節(jié)第一節(jié) 智能膜的分類(lèi)智能膜的分類(lèi) 智能膜材料以膜的形式對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知、響應(yīng)，且具有功智能膜材料以膜的形式對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知、響應(yīng)，且具有功能發(fā)現(xiàn)能力的材料能發(fā)現(xiàn)能力的材料 按膜材料來(lái)源按膜材料來(lái)源 天然材料膜和合成材料膜天然材料膜和合成材料膜 按膜的用途按膜的用

4、途 分離膜、交換膜、傳感器膜、催化劑膜分離膜、交換膜、傳感器膜、催化劑膜 按對(duì)環(huán)境響應(yīng)性按對(duì)環(huán)境響應(yīng)性 熱敏感膜、熱敏感膜、pH敏感膜、電敏感膜和光敏感膜敏感膜、電敏感膜和光敏感膜 按膜的形式按膜的形式 荷電型超濾膜、接枝型智能膜、互穿網(wǎng)絡(luò)膜、荷電型超濾膜、接枝型智能膜、互穿網(wǎng)絡(luò)膜、 聚電解質(zhì)聚電解質(zhì)配合物膜、導(dǎo)電聚合物膜、液晶膜和凝膠膜等配合物膜、導(dǎo)電聚合物膜、液晶膜和凝膠膜等 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)按結(jié)構(gòu)分類(lèi) 復(fù)合型智能膜和整體型智能膜復(fù)合型智能膜和整體型智能膜第二節(jié)智能膜的合成方法第二節(jié)智能膜的合成方法一、物理方法一、物理方法1.復(fù)凝聚法復(fù)凝聚法 利用兩種聚合物在不同利用兩種聚合物在不同pH 時(shí)，電

5、荷的變化（生成相反的時(shí)，電荷的變化（生成相反的電荷）引起相分離電荷）引起相分離-凝聚，稱(chēng)作復(fù)凝聚法凝聚，稱(chēng)作復(fù)凝聚法 阿拉伯膠（帶負(fù)電荷）和明膠（阿拉伯膠（帶負(fù)電荷）和明膠（pH在等電點(diǎn)以上帶負(fù)電在等電點(diǎn)以上帶負(fù)電荷，在等電點(diǎn)以下帶正電荷）作囊材，組分包埋在微囊荷，在等電點(diǎn)以下帶正電荷）作囊材，組分包埋在微囊內(nèi)內(nèi)2.埋入法埋入法 將某種智能材料埋入到另一材料中將某種智能材料埋入到另一材料中3.共混法共混法 兩種不同的聚合物進(jìn)行共混得到智能高分子膜兩種不同的聚合物進(jìn)行共混得到智能高分子膜二、化學(xué)方法二、化學(xué)方法1.1.溶液聚合法溶液聚合法 接枝共聚：將敏感單體接枝到高分子膜上形成智能膜接枝共聚：

6、將敏感單體接枝到高分子膜上形成智能膜 嵌段共聚，將敏感單體與其它單體共聚嵌段共聚，將敏感單體與其它單體共聚2.2.輻射聚合法輻射聚合法 把把X-X-射線、紫外線或射線、紫外線或射線等作為引發(fā)能量聚合成膜射線等作為引發(fā)能量聚合成膜3.3.溶膠溶膠- -凝膠法凝膠法 薄膜材料先聚合制成溶膠，粘度增大后涂抹在基板上薄膜材料先聚合制成溶膠，粘度增大后涂抹在基板上成膜成膜第三節(jié)智能膜的結(jié)構(gòu)與性能第三節(jié)智能膜的結(jié)構(gòu)與性能一、分離膜結(jié)構(gòu)與性能一、分離膜結(jié)構(gòu)與性能 智能分離膜：當(dāng)滲透介質(zhì)的性質(zhì)或周?chē)h(huán)境發(fā)生智能分離膜：當(dāng)滲透介質(zhì)的性質(zhì)或周?chē)h(huán)境發(fā)生變化時(shí)，智能膜材料可以感知這種變化并相應(yīng)調(diào)變化時(shí)，智能膜材料可

7、以感知這種變化并相應(yīng)調(diào)節(jié)其選擇滲透性能。（開(kāi)關(guān)型智能膜）節(jié)其選擇滲透性能。（開(kāi)關(guān)型智能膜） 引起膜響應(yīng)信號(hào)引起膜響應(yīng)信號(hào)物理信號(hào)，如溫度、光、電、磁、力物理信號(hào)，如溫度、光、電、磁、力化學(xué)信號(hào)，如化學(xué)信號(hào)，如pH值、化學(xué)物質(zhì)值、化學(xué)物質(zhì)1.溫度敏感膜溫度敏感膜膜所處環(huán)境溫度變化引起膜的形狀、滲透速率等膜所處環(huán)境溫度變化引起膜的形狀、滲透速率等發(fā)生敏銳響應(yīng)發(fā)生敏銳響應(yīng)應(yīng)用最廣泛的感溫性高分子材料是聚應(yīng)用最廣泛的感溫性高分子材料是聚N-異丙基丙異丙基丙烯酰胺（烯酰胺（PNIPAm）PNIPAm的低臨界溶解溫度的低臨界溶解溫度(LCST)在在3133附附近，環(huán)境溫度近，環(huán)境溫度TLCST時(shí)，形成氫鍵

8、，親水性增時(shí)，形成氫鍵，親水性增強(qiáng)，分子鏈伸展，透過(guò)率減??；反之則大強(qiáng)，分子鏈伸展，透過(guò)率減??；反之則大通過(guò)接枝、共聚、交聯(lián)等方法將通過(guò)接枝、共聚、交聯(lián)等方法將PNIPAm制備各制備各種溫度敏感復(fù)合膜種溫度敏感復(fù)合膜2. pH敏感膜敏感膜 膜的體積和滲透速率隨環(huán)境膜的體積和滲透速率隨環(huán)境pH、離子強(qiáng)度變化的分離、離子強(qiáng)度變化的分離膜膜 膜材中含有大量易水解或質(zhì)子化的酸堿基團(tuán)（羧基、膜材中含有大量易水解或質(zhì)子化的酸堿基團(tuán)（羧基、氨基），膜的形狀、離子含量隨氨基），膜的形狀、離子含量隨pH變化，影響滲透能變化，影響滲透能力力 包括包括PAA、殼聚糖、聚乙烯基吡啶等、殼聚糖、聚乙烯基吡啶等 在多孔膜

9、上接枝或互穿在多孔膜上接枝或互穿pH響應(yīng)性聚電解質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性聚電解質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)pH值響應(yīng)性分離、以及定點(diǎn)定位控制釋放值響應(yīng)性分離、以及定點(diǎn)定位控制釋放3. 電場(chǎng)敏感膜電場(chǎng)敏感膜 膜的特性受電場(chǎng)影響而變化的高分子分離膜膜的特性受電場(chǎng)影響而變化的高分子分離膜 交聯(lián)的聚電解質(zhì)交聯(lián)的聚電解質(zhì) 高分子鏈上帶可離子化基團(tuán)的凝膠，陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)高分子鏈上帶可離子化基團(tuán)的凝膠，陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)中受到靜電作用，低分子離子帶動(dòng)水合分子移動(dòng)，使凝中受到靜電作用，低分子離子帶動(dòng)水合分子移動(dòng)，使凝膠膜脫水收縮，孔徑變大，通過(guò)性能增強(qiáng)（化學(xué)閥）膠膜脫水收縮，孔徑變大，通過(guò)性能增強(qiáng)（化學(xué)閥） 導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子

10、一般為直鏈狀骨架碳一般為直鏈狀骨架碳電子高分子，氧化可使其導(dǎo)電率增電子高分子，氧化可使其導(dǎo)電率增加，且產(chǎn)生收縮變形加，且產(chǎn)生收縮變形 電場(chǎng)敏感液晶膜電場(chǎng)敏感液晶膜 液晶分子在電場(chǎng)下，分子發(fā)生取向和其它顯著變化液晶分子在電場(chǎng)下，分子發(fā)生取向和其它顯著變化4. 光敏感膜光敏感膜 由于光輻射（光刺激）使膜材發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變從而由于光輻射（光刺激）使膜材發(fā)生體積相轉(zhuǎn)變從而改變膜的透過(guò)性能的高分子分離膜改變膜的透過(guò)性能的高分子分離膜 紫外光照射時(shí)，光敏基團(tuán)發(fā)生光異構(gòu)化、光解離，紫外光照射時(shí)，光敏基團(tuán)發(fā)生光異構(gòu)化、光解離，因基團(tuán)構(gòu)象和偶極距變化而使膜材形狀變化因基團(tuán)構(gòu)象和偶極距變化而使膜材形狀變化 光敏感分

11、子通常為偶氮苯及其衍生物、三苯基甲烷光敏感分子通常為偶氮苯及其衍生物、三苯基甲烷衍生物、螺環(huán)吡喃及其衍生物和多肽等衍生物、螺環(huán)吡喃及其衍生物和多肽等二、傳感膜結(jié)構(gòu)與性能二、傳感膜結(jié)構(gòu)與性能 傳感器：將外界的某種物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電傳感器：將外界的某種物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器或裝置信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器或裝置 傳感器類(lèi)型傳感器類(lèi)型物理傳感器：檢測(cè)對(duì)象是光、聲、力等物理傳感器：檢測(cè)對(duì)象是光、聲、力等化學(xué)傳感器：檢測(cè)對(duì)象是物質(zhì)濃度等化學(xué)傳感器：檢測(cè)對(duì)象是物質(zhì)濃度等生物傳感器：檢測(cè)對(duì)象是生物反應(yīng)生成或消耗生物傳感器：檢測(cè)對(duì)象是生物反應(yīng)生成或消耗某一特定物質(zhì)或熱量某一特定物質(zhì)或熱量 傳感器

12、選擇性取決于它的敏感元件，化學(xué)、生物傳感器選擇性取決于它的敏感元件，化學(xué)、生物傳感器的敏感元件主要使用有機(jī)膜傳感器的敏感元件主要使用有機(jī)膜1.1.化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器等等氣體傳感器、濕度傳感器、離子傳感器等等2.2.生物傳感器生物傳感器 主要工作原理：將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)主要工作原理：將分子識(shí)別元件中的生物敏感物質(zhì)與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變與待測(cè)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，所產(chǎn)生的化學(xué)或物理變化通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量化通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行測(cè)量 涉及酶促反應(yīng)、免疫化學(xué)反應(yīng)、離子在膜上的選擇涉及酶促反應(yīng)、免疫化學(xué)反應(yīng)、離子

13、在膜上的選擇傳輸?shù)冗^(guò)程傳輸?shù)冗^(guò)程 酶膜傳感器、微生物膜傳感器、免疫響應(yīng)膜傳感器酶膜傳感器、微生物膜傳感器、免疫響應(yīng)膜傳感器、組織傳感器、組織傳感器第四節(jié)智能膜的應(yīng)用前景第四節(jié)智能膜的應(yīng)用前景一、物質(zhì)分離一、物質(zhì)分離二、感應(yīng)元件二、感應(yīng)元件 應(yīng)用于生產(chǎn)工藝控制、環(huán)境檢測(cè)等方面，以光纖應(yīng)用于生產(chǎn)工藝控制、環(huán)境檢測(cè)等方面，以光纖技術(shù)與智能高分子膜相結(jié)合的光學(xué)傳感器技術(shù)與智能高分子膜相結(jié)合的光學(xué)傳感器三、藥物釋放系統(tǒng)三、藥物釋放系統(tǒng) 利用智能膜實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶周?chē)鷾囟?、化學(xué)環(huán)境等異利用智能膜實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶周?chē)鷾囟?、化學(xué)環(huán)境等異常變化的自動(dòng)感知，并自動(dòng)釋放所需量的藥物常變化的自動(dòng)感知，并自動(dòng)釋放所需量的藥物四、固

14、定化酶四、固定化酶 酶固定在各種載體上，電極表面固定化酶、葡萄酶固定在各種載體上，電極表面固定化酶、葡萄糖氧化固定酶、殼聚糖固定酶等糖氧化固定酶、殼聚糖固定酶等 化學(xué)控制釋放體系化學(xué)控制釋放體系 溶劑滲透控制釋放體系溶劑滲透控制釋放體系 智能化釋放體系智能化釋放體系 給藥劑型給藥劑型第五節(jié)發(fā)展中的智能膜第五節(jié)發(fā)展中的智能膜一、一、LB膜膜1. LB膜的制備過(guò)程膜的制備過(guò)程二、分子自組裝膜二、分子自組裝膜1. 特點(diǎn)特點(diǎn) 分子自組裝膜結(jié)構(gòu)上與分子自組裝膜結(jié)構(gòu)上與LB膜相似，制備工藝膜相似，制備工藝和穩(wěn)定性方面比和穩(wěn)定性方面比LB膜優(yōu)越。膜優(yōu)越。2. 分子自組裝膜膜的應(yīng)用分子自組裝膜膜的應(yīng)用 非線性光學(xué)器件非線性光學(xué)器件 光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換器件 分離裝置分離裝置 生物及化學(xué)傳感器生物及化學(xué)傳感器三、納米自組裝復(fù)合膜三、納米自組裝復(fù)合膜四、具有可調(diào)納米孔道的高分子薄膜四、具有可調(diào)納米孔道的高分子薄膜本章習(xí)題本章習(xí)題什么是智能分離膜？引起智能膜響應(yīng)的信什么是智能分離膜？引起智能膜響應(yīng)的信號(hào)有哪些？號(hào)有哪些？最廣泛使用的感溫性高分子材料