我對(duì)高分子未來(lái)的想象

1、start,我對(duì)高分子未來(lái)的想象,胡玉斌 張俊琪 尹杰 肖宇斐,計(jì)算機(jī)學(xué)院,Contents,目錄,擁有“生命”的智能高分子,形狀記憶聚合物讓時(shí)間倒流,醫(yī)用高分子材料重塑人體器官,高分子復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)以塑代鋼,石墨烯合成電池突破電池技術(shù)瓶頸,橡膠般柔軟的顯示器再也不怕摔壞,Part One,擁有“生命”的智能高分子,01,Intelligent polymer,塑料,皮膚,纖維,仿生,可以按人們的需要時(shí)而變硬時(shí)而變軟的塑料,智能纖維織物是指具備傳感、控制和驅(qū)動(dòng)3個(gè)基本要素, 能通過(guò)自身的感知進(jìn)行信息處理, 發(fā)出指令, 并執(zhí)行完成動(dòng)作, 從而實(shí)現(xiàn)自身的檢測(cè)、診斷、監(jiān)控、校正、修復(fù)和適應(yīng)等多種功能,

2、用仿生學(xué)的原理,以細(xì)胞作為智能材料的藍(lán)本,開(kāi)發(fā)出向生物體的多重功能逼近、功能上接近甚至超過(guò)生物體組織的智能高分子材料,與傳感器結(jié)合起來(lái)的高分子材料制造出與人體皮膚功能類(lèi)似的機(jī)器人皮膚,Intelligent polymer,德國(guó)著名的化學(xué)康采思巴斯夫公司正在研制一種智能塑料，它可以按人們的需要時(shí)而變硬時(shí)而變軟. 這種名為“施馬蒂斯”的塑料是由這家公司的工程師舒勒發(fā)明的。他在燒杯中倒人一種乳白色流體，用一根金屬棒攪拌，液體漸漸變稠，最后成為硬塊，接著硬塊又在頃刻之間變成液體。如果急速把金屬棒從液體中抽出，那么液體就會(huì)象膠水一樣把棒拉住，只有非常緩慢地提起，才能抽出金屬棒。據(jù)舒勒說(shuō)，造成這種現(xiàn)象的

3、原理是，這種塑料的溶劑是水，其微小的顆粒排列整齊時(shí)呈液體狀，受到干擾時(shí)就呈固體狀。因而人們可通過(guò)各種外因來(lái)變換它的物理狀態(tài)。這種塑料能自行消除外來(lái)的撞擊，特別適合于車(chē)輛的緩沖器,用這種塑料制成的油箱即使被坦克壓過(guò)也不會(huì)破裂）用于建房則抗震性能特強(qiáng)，如果在橋梁鋼架上套上一層用這種塑料制成的微型管道網(wǎng)，其中儲(chǔ)存有防銹劑，一旦鋼架生銹，管道會(huì)自行熔解，釋放出防銹劑。以此制成的膠囊丸服用后，可到體內(nèi)指定部位才釋放出藥物。,1-1 智能塑料,被稱(chēng)作柔性電子領(lǐng)域的突破之舉，來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員研發(fā)出了一種“智能”塑料，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力方面擁有前所未有的優(yōu)越性能。而且這種PET材料柔性足夠彎曲成

4、管狀，且不會(huì)損壞內(nèi)部植入電子。新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員和多方學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)合作，共同成功植入一款強(qiáng)大的PET材質(zhì)磁性記憶芯片，這種技術(shù)可讓顯示設(shè)備的隧道電阻效應(yīng)高達(dá)300%，柔性電子在不久未來(lái)會(huì)成為常態(tài)，所有的新電子元件應(yīng)該和柔性電子兼容。,1-2 智能塑料,1-3 智能塑料,Intelligent polymer,Intelligent polymer,把高分子材料和傳感器結(jié)合起來(lái)，已成為智能材料的一個(gè)新的特點(diǎn)。意大利在研制有“感覺(jué)”功能的“智能皮膚”，已處于世界領(lǐng)先地位。1994年，意大利比薩大學(xué)工程專(zhuān)家德羅西根據(jù)人類(lèi)皮膚有表皮和真皮（外層和內(nèi)層）組織的特點(diǎn)，為機(jī)器人制造了一種由外層和內(nèi)層構(gòu)成的

5、人造皮膚，這種皮膚不僅富有彈性，厚度也和真的皮膚差不多，為了使人造皮膚能“感知”物體表面的質(zhì)感細(xì)節(jié),德羅西的研究小組還研制了一種特殊的表皮，這種表皮由兩層橡膠薄膜組成，然后在兩層橡膠薄膜之間到處放置只有針尖大小的傳感器，這些傳感器是由壓電陶瓷制成的，在受到壓力時(shí)，就產(chǎn)生電壓，受壓越大，產(chǎn)生的電壓也就越大。據(jù)報(bào)道，德羅西制成的這種針尖大小的壓電陶瓷傳感器很靈敏，對(duì)紙張上凸起的斑點(diǎn)也能感覺(jué)到，鋪上德羅西研制的人造皮的機(jī)器人，可以靈敏地感覺(jué)到一片膠紙脫離時(shí)產(chǎn)生的拉力，或靈敏地感覺(jué)到一個(gè)加了潤(rùn)滑劑的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承脫離時(shí)摩擦力突然變化的情況，迅速作出握緊反應(yīng)。,1-4 智能皮膚,智能纖維織物是指具備傳感、控

6、制和驅(qū)動(dòng)3個(gè)基本要素, 能通過(guò)自身的感知進(jìn)行信息處理, 發(fā)出指令, 并執(zhí)行完成動(dòng)作, 從而實(shí)現(xiàn)自身的檢測(cè)、診斷、監(jiān)控、校正、修復(fù)和適應(yīng)等多種功能。智能纖維織物可以在現(xiàn)有纖維織物的改性、功能化、智能化基礎(chǔ)上進(jìn)行組合設(shè)計(jì), 如日本提出的干涉發(fā)色纖維17和中國(guó)的結(jié)構(gòu)生色彩虹絲18,模仿生物功能的自振動(dòng)高分子凝膠19,太陽(yáng)光蓄熱保溫纖維20,吸濕發(fā)熱素材21,日本小松精練公司開(kāi)發(fā)的保溫纖維22等等。將這些單功能和多功能纖維組合一起,就可以設(shè)計(jì)出智能化織物或智能化系統(tǒng)服裝。,什么是智能纖維？,Intelligent polymer,1-5 智能纖維,Intelligent polymer,1-6 智能纖

7、維,喬治亞理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出了一種新型的智能織物纖維，利用這種織物纖維就可以制成會(huì)發(fā)電的運(yùn)動(dòng)服。據(jù)喬治亞理工學(xué)院的納米技術(shù)專(zhuān)家王中林介紹， 他們團(tuán)隊(duì)花了11年的努力才開(kāi)發(fā)出這種纖維。他們?cè)谶@種智能織物纖維中加入了太陽(yáng)能板來(lái)收集光能，同時(shí)配合納米發(fā)電機(jī)以及跑步者運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能進(jìn)行發(fā)電，最后將電能儲(chǔ)存在細(xì)長(zhǎng)的電容器中，從而對(duì)小型電子產(chǎn)品供電。,Intelligent polymer,智能是生物體所特有的現(xiàn)象,生物體的最大特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)。細(xì)胞是生物體的基礎(chǔ),可視為具有傳感、處理和執(zhí)行3種功能的融合材料,人們可以用仿生學(xué)的原理,以細(xì)胞作為智能材料的藍(lán)本,開(kāi)發(fā)出向生物體的多重功能逼近

8、、功能上接近甚至超過(guò)生物體組織的智能高分子材料,1-7 仿生高分子,Part Two,形狀記憶聚合物讓時(shí)間倒流,02,形狀記憶塑料是一種新型的熱敏性功能材料。它是在室溫以上定溫度下變形，并能在室溫下固定形變且長(zhǎng)期存放，當(dāng)再升溫至某一特定溫度時(shí)，它能很快恢復(fù)到變形前形狀的高分子材料。 形狀記憶塑料的技術(shù)特點(diǎn)在于控制形狀記憶材料中具記憶功能的分子鏈段的形變溫度在一定范圍內(nèi)，并通過(guò)調(diào)節(jié)形狀記憶材料的非記憶功能分子鏈段，使最終制品的形變溫度在一定的溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而在稍高于室溫的溫度條件下即可產(chǎn)生形變和形變恢復(fù)。 形狀記憶塑料是一類(lèi)能夠暫時(shí)固定在臨時(shí)形狀，受到外界刺激后回復(fù)到初始形狀的智能材料，在柔

9、性電子、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域展示了越來(lái)越廣的應(yīng)用前景。,形狀記憶高聚物簡(jiǎn)介,Memory polymer,Memory polymer,2-1 形狀記憶高分子,Memory polymer,Part Three,醫(yī)用高分子材料重塑人體器官,03,Medical polymer,生物醫(yī)用高分子材料 醫(yī)用高分子材料是指用以制造人體內(nèi)臟、體外器官、藥物劑型及醫(yī)療器械的聚合物材料，其來(lái)源包括天然生物高分子材料和合成生物高分子材料。天然醫(yī)用高分子材料來(lái)源于自然，包括纖維素、甲殼素、透明質(zhì)酸、膠原蛋白、明膠及海藻酸鈉等；合成醫(yī)用高分子材料是通過(guò)化學(xué)方法，人工合成的用于醫(yī)用的高分子材料，目前常用的有聚氨

10、酯、硅橡膠、聚酯纖維、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等。,3-1 生物醫(yī)用高分子,Medical polymer,醫(yī)用高分子材料多用于人體，直接關(guān)系到人的生命和健康，一般對(duì)其性能的要求是：安全性：必須無(wú)毒或副作用極少。這就要求聚合物純度高，生產(chǎn)環(huán)境非常清潔，聚合助劑的殘留少，雜質(zhì)含量為 ppm級(jí)，確保無(wú)病、無(wú)毒傳播條件。同時(shí)其高分子化合物本身以及單體雜質(zhì)、降解或磨損產(chǎn)物不對(duì)身體產(chǎn)生不良影響。,基本要求,甲殼素廣泛存在于低等植物菌類(lèi)、蝦、蟹、昆蟲(chóng)等甲殼動(dòng)物的外殼、高等動(dòng)物的細(xì)胞壁等，是地球上僅次于纖維素的第二大可再生資源，是一種線型的高分子多糖，也是唯一的

11、含氮堿性多糖。 膠原是動(dòng)物體內(nèi)含量最多、分布最廣的蛋白質(zhì)，占哺乳動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的25%-30%，它是細(xì)胞外基質(zhì)四大組分之一，廣泛分布于結(jié)締組織、皮膚骨骼、內(nèi)臟細(xì)胞間質(zhì)及肌腔、韌帶、鞏膜等部位。 硅橡膠是一種以Si-O-Si為主鏈的直鏈狀高分子量的聚有機(jī)硅氧烷為基礎(chǔ)，添加某些特定組分，按照一定的工藝要求加工后，制成具有一定強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的橡膠態(tài)彈性體。,常用種類(lèi),Medical polymer,與生物體組織不直接接觸的材料；如藥劑容器、血漿袋、輸血輸液用具、注射器、化驗(yàn)室用品、手術(shù)室用品等,與皮膚、粘膜接觸的材料，如手術(shù)用手套、麻醉用品（吸氧管、口罩、氣管插管等）、診療用品（洗眼用具、耳鏡、壓

12、舌片、灌腸用具、腸、胃、食道窺鏡導(dǎo)管和探頭、腔門(mén)鏡、導(dǎo)尿管等）、繃帶、橡皮膏等及人體整容修復(fù)材料（假肢、假耳、假眼、假鼻等）,與人體組織短期接觸的材料，如：人造血管、人工心臟、人工肺、人工腎臟、滲析膜 人造皮膚等,長(zhǎng)期植入體內(nèi)的材料，如腦積水癥髓液引流管、人造血管、人工瓣膜、人工氣管、人工尿道、人工骨骼、人工關(guān)節(jié)、手術(shù)縫合線及組織粘合劑等；,藥用高分子，包括大分子化藥物和藥物高分子。大分子化藥物是指將傳統(tǒng)的小分子藥物大分子化，如聚青霉素；藥物高分子是指本身就有藥理功能的高分子，如陰離子聚合物型的干擾素誘發(fā)劑。不同用途的醫(yī)用高分子材料需要根據(jù)使用環(huán)境以及對(duì)材料的物理、化學(xué)及生物學(xué)性能要求選用合適

13、的材料。,3-2 生物醫(yī)用高分子,Part Four,高分子復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)以塑代鋼,04,Composite polymer,目前，與全球42%的改性塑料用于汽車(chē)行業(yè)相比，在我國(guó)僅為10%左右，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年汽車(chē)行業(yè)將成為工程塑料消費(fèi)量增速最快的領(lǐng)域。其中汽車(chē)塑料保險(xiǎn)杠的需求日益增長(zhǎng)，以塑代鋼深入人心。 以塑代鋼是汽車(chē)輕量化的常用方案，部分汽車(chē)部件使用汽車(chē)專(zhuān)用塑料，代替金屬件，不僅能有效減重，提高汽車(chē)的燃油率，還能降低汽車(chē)造價(jià)成本。塑料不僅可減輕零部件約四成的質(zhì)量，而且還可以使采購(gòu)成本降低百分之四十左右。 這是為什么國(guó)內(nèi)外很多車(chē)企的汽車(chē)保險(xiǎn)杠都選用塑料。如今“以塑代鋼”和“以塑代木”的觀念逐漸深入

14、人心，人們對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠的理解和認(rèn)可也在不斷提升。,輕量化是汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要課題，相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)車(chē)身自重約消耗70%的燃油，若整車(chē)質(zhì)量減輕10%，燃油效率可提高6%8%;汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量每減輕100kg，其每行駛100km可節(jié)省0.30.6L燃油。換言之，廣泛采用輕量化技術(shù)，能使汽車(chē)在擁有高效動(dòng)力的同時(shí)兼具杰出的燃油經(jīng)濟(jì)性。,4-1 復(fù)合輕量高分子,4-2 復(fù)合輕量高分子,Composite polymer,隨著排放及油耗法規(guī)的進(jìn)一步加嚴(yán)，汽車(chē)減重愈加具有現(xiàn)實(shí)意義。援引相關(guān)數(shù)據(jù)，車(chē)重每減小10%，油耗可降低6%-8%，排放量可降低5%-6%。同時(shí)據(jù)高盛集團(tuán)預(yù)測(cè)，到2025年，整車(chē)制造企業(yè)（

15、OEMs）生產(chǎn)的每輛車(chē)將減重約200公斤以滿(mǎn)足相應(yīng)需求。而在眾多減重方案中，“以塑代鋼”以及其它塑料替代方案已經(jīng)開(kāi)始為業(yè)界所接受，并逐漸流行起來(lái)。蓋世汽車(chē)搜集的資料顯示，目前，德國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)的汽車(chē)塑料用量已達(dá)到10%15%，有的甚至達(dá)到了20%以上。從現(xiàn)代汽車(chē)使用的材料來(lái)看，無(wú)論是外裝飾件、內(nèi)裝飾件，塑料用量都在不斷地增加。且隨著工程塑料硬度、強(qiáng)度、拉伸性能的不斷提高，塑料車(chē)窗、車(chē)門(mén)、骨架乃至全塑汽車(chē)已逐步出現(xiàn)。,以塑代鋼的重要意義,4-4 復(fù)合輕量高分子,4-3 復(fù)合輕量高分子,Composite polymer,塑木，一個(gè)令人欣慰的發(fā)現(xiàn) 塑木是一種新型環(huán)保材料，原料為電子廢棄物、木屑

16、、秸稈等可再生材料。該產(chǎn)品生產(chǎn)工藝先進(jìn)，擁有多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保、強(qiáng)度高、不易變色、防蟲(chóng)蛀、易清潔、耐腐蝕性能好、美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，并且具有比純塑料和防腐木等制品倍增的使用壽命和抗老化性能，是塑料和防腐木制品的良好替代產(chǎn)品，被廣泛用作室外裝飾、園林工程建設(shè)、車(chē)間防腐工程、海洋防腐工程、環(huán)衛(wèi)設(shè)施等各種場(chǎng)合。,4-4 復(fù)合輕量高分子,4-5 復(fù)合輕量高分子,我國(guó)是木材資源匱乏的國(guó)家，人口占全世界22%，森林蓄積僅占世界總量的3.2%。隨著城鄉(xiāng)建設(shè)快速發(fā)展和人民生活水平不斷提高，木材消費(fèi)呈鋼性增長(zhǎng)，供需矛盾日益突出。隨著國(guó)家“天?！惫こ毯蛧?guó)有林區(qū)禁止天然林商業(yè)性采伐政策的實(shí)施，國(guó)產(chǎn)木材供應(yīng)量將近

17、一步縮減，難以滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。我國(guó)又是塑料生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，2015年僅PVC產(chǎn)能就達(dá)到2216萬(wàn)噸。相關(guān)調(diào)查顯示，建材、包裝、家裝等木材主要耗費(fèi)行業(yè)推動(dòng)“以塑代木”工作將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展起到帶動(dòng)示范作用。國(guó)家住建部明確指出：在建筑行業(yè)，用塑料模板替代木膠合板模板，并對(duì)廢舊塑料模板進(jìn)行再生利用，可以節(jié)約大量的木材資源，符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)減量化、再利用和資源化的發(fā)展方向，也是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的重要工作之一。,Composite polymer,以塑代木，推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展,4-6 復(fù)合輕量高分子,Part Five,石墨烯合成電池突破電池技術(shù)瓶頸,05,Graphene polym

18、ers,Li-Polymer 當(dāng)今流行的電池技術(shù),鋰離子聚合物電池是由鋰離子電池演化而來(lái)。最主要的差異是電池中鋰鹽的電解質(zhì)是由固態(tài)的聚合物如聚乙二醇或聚丙烯腈所攜帶、而非鋰離子電池使用的有機(jī)溶液。鋰聚電池比起鋰離子電池，具有更低的制造成本的可能性、更有彈性的包裝形狀選擇、可靠度、和耐用性的優(yōu)點(diǎn)。而缺點(diǎn)是其充電電容量較小。鋰聚電池最初大約在1995年的消費(fèi)性電子產(chǎn)品中出現(xiàn)。所有的 iPhone 和所有的 iPad 都使用鋰離子聚合物電池（Li-ion Polymer Battery），從 2007 年的第一代 iPhone 開(kāi)始便是這樣，最新發(fā)布的 iPad mini with Retina d

19、isplay,Graphene polymers,傳統(tǒng)鋰離子聚合物電池,5-1 鋰離子高聚物,5-2 鋰離子高聚物,Graphene polymers,石墨烯超級(jí)電容電池技術(shù),美國(guó)俄亥俄州的Nanotek儀器公司利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，開(kāi)發(fā)出一種新的電池。這種新的電池可把數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間壓縮至短短不到一分鐘。分析人士認(rèn)為，未來(lái)一分鐘快充石墨烯電池實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化后，將帶來(lái)電池產(chǎn)業(yè)的變革，從而也促使新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的革新。 最近美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員就開(kāi)發(fā)出一種以石墨烯為基礎(chǔ)的微型超級(jí)電容器，該電容器不僅外形小巧，而且充電速度為普通電池的1000倍，可以在數(shù)秒內(nèi)

20、為手機(jī)甚至汽車(chē)充電，同時(shí)可用于制造體積較小的器件。,Graphene polymers,Graphene polymers,應(yīng)用前景,許多國(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專(zhuān)利。歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來(lái)10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所(NGI)，力圖使這種材料在未來(lái)幾十年里可以從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入生產(chǎn)線和市場(chǎng)。 石墨烯電池或?qū)⒁I(lǐng)改革：充電10分鐘跑1000公里”4 報(bào)道：西班牙Graphenano公司(一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的公司)同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作

21、研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車(chē)最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。雖然此電池具有各種優(yōu)良的性能，但其成本并不高。Graphenano公司相關(guān)負(fù)責(zé)人稱(chēng)，此電池的成本將比鋰電池低77%，完全在消費(fèi)者承受范圍之內(nèi)。此外，在汽車(chē)燃料電池等領(lǐng)域，石墨烯還有望帶來(lái)革命性進(jìn)步。 華為中央研究院瓦特實(shí)驗(yàn)室最新發(fā)布的消息稱(chēng)，華為已經(jīng)在鋰離子電池領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大研究突破，將會(huì)推出業(yè)界首個(gè)高溫長(zhǎng)壽命石墨烯基鋰離子電池。主要特色是借助新型耐高溫技術(shù)，可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10，而使用壽命則是普通鋰離子電池的2倍。,Part Six,橡膠般柔軟的顯示器再也不怕摔壞,06,Flexible display,柔性顯示器由柔軟的材料制成，可變形可彎曲的顯示裝置。 像紙一樣薄，及時(shí)切掉電源，內(nèi)容也不會(huì)消失，也被叫做“電子紙”. 柔性顯示屏使用了PHOLED磷光性O(shè)LED技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是，低功耗，體積小，直接可視柔性。,簡(jiǎn)介,6-1 柔性顯示器,Flexible display,柔性顯示屏可以彎曲成任意