新型高分子材料的應(yīng)用與發(fā)展

新型高分子材料的應(yīng)用與發(fā)展

新型高分子材料的應(yīng)用

【摘要】自20世紀(jì)30年代以來，高分子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極為迅猛。高分子材料特別是合成高分子材料由于其具有的優(yōu)異功能，已在信息、生命等新技術(shù)領(lǐng)域，以及農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等方面中發(fā)揮著重要作用。通過對高分子化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對高分子材料的應(yīng)用有了更深的了解。

【關(guān)鍵字】高分子材料；應(yīng)用；農(nóng)業(yè)；國防；醫(yī)學(xué)；環(huán)境保護(hù)0.引言

高分子材料是指由相對分子質(zhì)量較大的化合物分子構(gòu)成的材料。按其來源，高分子材料可分為天然，合成，半合成材料，包括了塑料，合成纖維，合成橡膠，涂料，粘合劑和高分子基復(fù)合材料。從1907年高分子酚醛樹脂的出現(xiàn)以來，高分子材料因其普遍具有許多金屬和無機(jī)材料所無法取代的優(yōu)點而獲得迅速的發(fā)展。然而，現(xiàn)在大規(guī)模生產(chǎn)的還只是在尋常條件下能夠使用的高分子物質(zhì)，即通用高分子。它們存在著機(jī)械強(qiáng)度和剛性差、耐熱性低等缺點，而現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展對高分子材料提出了更高的要求。于是新型高分子材料的開發(fā)與應(yīng)用尤為重要。耐高溫、高強(qiáng)度、高模量、高沖擊性、耐極端條件等高性能的新型高分子材料的開發(fā)與應(yīng)用不但能解決現(xiàn)階段的高分子材料所面臨的問題，而且也將積極地推動高分子材料向功能化、智能化、精細(xì)化方向的發(fā)展。與此同時，我國十二五計劃也將高分子材料的開發(fā)研究納入了其中，作為其重要研究方向之一的新型高分子材料的開發(fā)研究必將會極大地推動我國材料技術(shù)的發(fā)展。

1.新型高分子材料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

1.1新型高分子材料對于土地干旱問題的解決

高吸水樹脂（SuperAbsorbentResin）是一類具有親水性和特殊吸濕能力的高聚物總稱。從化學(xué)組成上看，它們是一些電解質(zhì)單體（如丙烯酸等）與親水單體（如丙烯酰胺等）的微交聯(lián)聚合物。從結(jié)構(gòu)上看，高吸水樹脂是含有大量親水集團(tuán)（如羧基、羥基、羧酸鹽基等）的低交聯(lián)度的三維空間網(wǎng)絡(luò)，一方面具有高分子電解質(zhì)的分子擴(kuò)張性能，同時由于其微交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻礙了分子的進(jìn)一步擴(kuò)張，二者的矛盾作用使分子可以在水中分散而不溶解，所以可以吸收和保持自身重量幾百甚至上千倍的水分，而且在加壓和一定溫度條件下不容易脫水。

高吸水樹脂是不溶于水的高分子聚合物，是使水溶性聚合物在一定條件下接枝、共聚、交聯(lián)。形成不溶于水，能夠高度吸水的高吸水樹脂，是通過交聯(lián)在聚合物內(nèi)部形成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其分子中含有大量的強(qiáng)親水性官能團(tuán)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合物分散于水中時，水分子滲入吸水樹脂中使其溶脹，進(jìn)一步親水而形成凝膠化，呈高吸水性狀態(tài)。

高分子水凝膠中的水分，不僅在自然條件下蒸發(fā)速度明顯下降，而且在加壓條件下也不易離析，表現(xiàn)出很強(qiáng)的保水能力。高吸水樹脂具有多次重復(fù)吸水能力，吸水樹脂施入土壤后，隨著作物的生長發(fā)育，土壤會遇到多次干濕交替過程，這就要求吸水樹脂應(yīng)具有良好的再吸水能力。

2.新型高分子材料在國防中應(yīng)用

2.1高分子材料在智能隱身技術(shù)中的應(yīng)用

隨著軍用探測技術(shù)的迅速發(fā)展,軍事目標(biāo)面臨著各種雷達(dá)探測系統(tǒng)、紅外探測系統(tǒng)以及光學(xué)觀測系統(tǒng)日趨嚴(yán)重的威脅,導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展使目標(biāo)幾乎處于“被發(fā)現(xiàn)即等于被命中摧毀”的程度,因此,提高軍事目標(biāo)的生存能力,降低被探測和發(fā)現(xiàn)的概率,對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭來說,具有十分重要的意義。智能隱身材料是伴隨

著智能材料的發(fā)展和裝備隱身需求而發(fā)展起來的一種功能材料,它是一種對外界信號具有感知功能、信息處理功能、自動調(diào)節(jié)自身電磁特性功能、自我指令并對信號作出最佳響應(yīng)功能的材料/系統(tǒng)。區(qū)別于傳統(tǒng)的外加式隱身和內(nèi)在式雷達(dá)波隱身思路設(shè)計,為隱身材料的發(fā)展和設(shè)計提供了嶄新的思路,是隱身技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,高分子聚合物材料以其可在微觀體系即分子水平上對材料進(jìn)行設(shè)計、通過化學(xué)鍵、氫鍵等組裝而成具有多種智能特性而成為智能隱身領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。

2.1.1紅外智能隱身材料

隨著紅外探測技術(shù)的不斷進(jìn)步以及背景環(huán)境的快速變化,傳統(tǒng)意義的紅外偽裝---單一被動抑制目標(biāo)紅外輻射、改變輻射特性已經(jīng)越來越不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場的要求,對紅外隱身材料的研究也在不斷發(fā)展,尤其是在動態(tài)紅外智能隱身材料研究方面。1995年,P.Chandrasekhar對導(dǎo)電高分子電致變色材料的紅外發(fā)射性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在中遠(yuǎn)紅外寬頻范圍(0.4μm～45μm)具有可控的紅外發(fā)射率變化(0.3～0.7)以適應(yīng)背景的紅外發(fā)射率,實現(xiàn)動態(tài)紅外偽裝。美國陸軍應(yīng)用導(dǎo)電高分子電致變色材料(PEDT/PPS)制作士兵服裝,使士兵能夠在夜間不被敵方的探測器發(fā)現(xiàn)。對艦船、坦克、車輛等武器裝備在不同環(huán)境下的偽裝要求,采用導(dǎo)電高分子電致變色涂層(聚苯胺/聚二苯胺涂層),利用其紅外發(fā)射率不同而達(dá)到夜間或白天紅外偽裝的目的,此種材料還可使武器裝備表面涂層呈現(xiàn)不同的可見光迷彩偽裝效果。為了調(diào)節(jié)目標(biāo)表面溫度變化范圍,可以采用考慮大熱慣量材料,其中相變材料是其中一種很有發(fā)展前途的材料,相變材料是在某一溫度發(fā)生相變時,吸收熱量,因而達(dá)到蓄熱調(diào)溫的作用,使物體表面溫度下降,輻射率減小,達(dá)到紅外隱身的效果,而且此過程是可的,Mckinney

等將相變高分子材料(主要是鏈烷烴和某些塑性晶體如2,2二甲基21,3丙二醇(DMP)、2烴甲基222甲基21,3丙二醇(HMP))用無機(jī)或有機(jī)高分子材料進(jìn)行包覆制成微膠囊,再將這種微膠囊作為填料加入到涂料中,或者加入到樹脂中擠壓形成纖維,將涂料或織物覆蓋于物體表面,當(dāng)溫度升高時,相變高分子材料發(fā)生相變吸熱,塑性晶體分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化吸熱,降低表面溫度,溫度降低時,相變高分子材料發(fā)生相變放熱,升高表面溫度,利用高相變熱儲材料的可逆過程,達(dá)到紅外偽裝的目的,當(dāng)然在具體應(yīng)用時,還應(yīng)該考慮隱身材料所應(yīng)用目標(biāo)的溫度和環(huán)境因素等來動態(tài)調(diào)節(jié)物體表面溫度。雖然這種高分子材料還未見應(yīng)用于紅外智能隱身材料的報道,不過從材料特性看,這種高分子材料具有未來應(yīng)用于紅外智能隱身的潛力。

2.1.2可見光智能隱身材料

為了提高目標(biāo)在可見光背景下的偽裝能力,有些國家致力于偽裝材料在可見光背景下的環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)研究,其中電致、光致變色高分子材料成為可見光智能隱身的一個重要研究方向。據(jù)報道,美國空軍研究了一種導(dǎo)電聚苯胺復(fù)合材料,可用于調(diào)節(jié)飛機(jī)蒙皮的亮度和顏色,它是通過安裝在飛機(jī)各個側(cè)面的可見光傳感器控制它的光電等特性,在不加電時,它是透光的,在加電時,可同時改變亮度和顏色,使用這種蒙皮的飛機(jī),在飛行中從上往下看,它的上部顏色與它下面地表的主體顏色相近,從下往上看,它的底部顏色與太空背景一致,而且蒙皮加電時,能夠散射雷達(dá)波,使跟蹤雷達(dá)的探測距離縮短一半以上。美國佛羅里達(dá)大學(xué)研制出一種電致變色聚合物材料,將這種材料制成薄板覆蓋在目標(biāo)表面,板在加電時能發(fā)光并改變顏色,在不同電壓的控制下會發(fā)出藍(lán)、灰、白等不同顏色的光,必要時還可產(chǎn)生淡淡不同的色調(diào),以便與太空的色調(diào)相一致,能夠消除目

標(biāo)與背景的色差,達(dá)到可見光隱身的效果。

美國研制出一種電致變色高分子材料可用于可見光偽裝智能材料,據(jù)稱,在聚氨酯分子中嵌入高活性的丁二炔鏈段,在適當(dāng)?shù)臈l件下,丁二炔聚合成聚丁二炔,形成具有自由電子的共軛結(jié)構(gòu),從而改變了整個材料的顏色和光強(qiáng)度,在此基礎(chǔ)上,在材料系統(tǒng)中加入傳感器和控制器,使用帶有SiC光探測器的窄帶通濾波器可以識別環(huán)境的波長和光強(qiáng)度,再將輸出信號經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器傳輸給微處理器進(jìn)行識別和數(shù)據(jù)處理,并發(fā)出控制指令以改變材料的顏色和強(qiáng)度,從而達(dá)到智能隱身的效果。

目前正在研究的可用于可見光智能隱身的光致變色高分子材料主要還有:含硫卡巴腙配合物的光致變色高分子材料;含偶氮苯的光致變色高分子材料;含螺苯并吡喃的光致變色高分子材料;氧化還原型光致變色高分子材料。

3.新型高分子材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

高分子材料具有質(zhì)輕、耐酸堿等特點,在電子電氣、機(jī)械等領(lǐng)域己得以廣泛應(yīng)用相對而言,其在醫(yī)藥制劑領(lǐng)域的應(yīng)用,不論從品種上,還是數(shù)量上均較少。不過,近幾年來,隨著許多新性能高分子材料的涌現(xiàn)及醫(yī)藥制劑工業(yè)的迅猛發(fā)展,高分子材料越來越廣泛地應(yīng)用于新藥的研究與開發(fā)中,并在其中發(fā)揮了十分重要的作用。

3.1高分子材料在治療哮喘藥物上的應(yīng)用

沙丁胺醇屬選擇性β受體激動劑,是目前治療哮喘的常用藥物。但普通藥劑口服后很難在凌晨3:00—4:00時哮喘發(fā)作高峰期發(fā)揮療效。郭濤等以硫酸沙丁胺醇為原料,以梭甲基淀粉鈉作崩解劑,不溶性淀粉作填充劑,經(jīng)適當(dāng)工藝制作成片芯,然后選用PEG6000作致孔劑,再加入調(diào)節(jié)劑、隔水層等制成包衣片。由

PEG6000在包衣隔水層中能形成孔道,通過調(diào)節(jié)其用量可控制水分子向片芯內(nèi)滲透的速度,從而使片芯逐漸獲得水分且在到達(dá)遲滯時間時產(chǎn)生足夠的膨脹力。利用這種方法所制備的片劑能使主藥硫酸沙丁胺醇在226士12min時得到脈沖釋放,可望在體內(nèi)用藥4一5h時達(dá)到有效治療濃度,從而達(dá)到利用時辰治療學(xué)原理治療哮喘病的目的。

3.2高分子材料在消炎鎮(zhèn)痛藥物上應(yīng)用

陳鴻清等用卡波姆（CBM）一940做凝膠基質(zhì),加入雙氯芬酸鈉、無水乙醇等制備了一種白色、質(zhì)地均勻、半固體的凝膠制劑一一舒寧軟膏。該凝膠制劑透皮吸收速率快,為零級擴(kuò)散,藥物性質(zhì)穩(wěn)定,起效快,療效持久,是種較令人滿意的外用消炎鎮(zhèn)痛藥。

4.新型高分子材料在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

在環(huán)境保護(hù)中,由于高分子具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易加工、價格低等優(yōu)點,在各種處理設(shè)施中的應(yīng)用也日趨廣泛。但當(dāng)高分子材料被廣泛應(yīng)用時,由廢棄的高分子材料引起的污染也日趨嚴(yán)重。一方面,人們使用高分子材料來改善生活條件;另一方面,廢棄的高分子材料又破壞了生活環(huán)境,這種矛盾在我國現(xiàn)階段表現(xiàn)非常突出。下面，就具體地研究環(huán)保與高分子材料的關(guān)系,分析我國高分子在環(huán)保中的使用情況和發(fā)展趨勢，探討高分子材料污染的治理方法和發(fā)展情況。

4.1離子交換樹酯

在給水處理中,合成高分子的離子交換樹酯主要用于水的軟化,除鹽及制備高純水。在工業(yè)廢水處理中,主要用于廢水中的重金屬離子的去除和回收。離子交換樹酯是一種不溶于水的多孔性固體物質(zhì),在其孔表面及孔隙內(nèi)一定部位附

有特定的離子交換基團(tuán),它能從溶液中吸附某種陽離子或陰離子,同時把本身所含的另外一種相同電荷符號的離子等當(dāng)量地交換,放出到溶液中。離子交換劑包括天然沸石、人造沸石、磺化煤、離子交換樹酯等四種,前三種只能交換陽離子,只能用于水的軟化,而離子交換樹酯有陽離子型和陰離子型兩大類,又有強(qiáng)性(強(qiáng)酸、強(qiáng)堿)樹酯及弱性(弱酸、弱堿)樹酯之分。尤其弱性樹酯的出現(xiàn),由于它的交換容量大,選擇性高和再生容易等特點,使它在處理工業(yè)廢水中的重金屬離子方面有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。比如用陰樹酯處理回收含鉻廢水,用鈉型陰樹酯回收化纖廠含鋅廢水。離子交換樹酯雖然比沸石、磺化煤價格高,但它的交換能力是前者的八倍,并且出水效果穩(wěn)定,逐漸替代了前者。隨著離子交換樹酯品種的逐漸增多,尤其是高選擇性樹酯的開發(fā),使它在工業(yè)廢水中的應(yīng)用更加廣泛。

4.2廢氣處理中的應(yīng)用

以泡沫塑料為基材的過濾器,在廢氣處理中有很好的效果。如