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材料的性能是指材料对外场作用(如力、热、光、电、磁等)产生响应的状态,诸如热胀冷缩、受力变形、加热沸腾、冷却结晶等。而功能一词对材料的意义是指输入信号后物质产生某种质或量的变化而输出另一种信号的性质。例如,压力致电、加热释电、光致变色、吸波隐身等。所以功能高分子材料是指由高分子制成的具有某种特性的材料。
20世纪60年代所建立的较完善的高分子科学理论为功能高分子的发展提供了基础,而航天技术、电子技术和生物工程技术的需要,则为功能高分子材料的研制提供了原动力。当前具有特殊功能的高分子已成为许多高新技术赖以发展的重要材料。这些高分子包括:具有光、电等物理性能的功能高分子(如高分子压电体和驻极体、感光树脂、光致导电高分子、高分子电解质、导电高分子等)；具有分离功能的高分子(如离子交换树脂、离子交换膜和中空纤维膜等)；高分子试剂及催化剂(如氧化剂、还原剂、卤化剂、酰化剂、缩合剂以及催化水解、酯化、加氢的催化剂等)；高分子药物(如高分子维生素、高分子抗癌药、抗凝血高分子等)；仿生高分子(如模拟酶)。
一．感光高分子
在光的作用下能迅速发生光化学反应,产生物理或化学变化的高聚物称为感光性高分子。这类高分子已广泛地应用于印刷、电子、涂料等工业。例如在印刷工业中,感光树脂印刷版可代替传统的铅字印刷版。在大规模集成电路芯片中使用光刻胶、电子束胶可以在1∼2cm2的面积上刻蚀成复杂的微形电路。印刷工业上应用的交联型的聚乙烯醇酸酯,在光照时交联为不溶解的产物,在溶剂冲洗时将保留下来,即得到印刷用的凸版。另一类感光高分子为光解型的光刻胶。将能吸收光能而分解的邻重氮醌通过化学键接到线型酚醛树脂链上,在光作用下重氮醌发生光解,用水显影时,图像即被保留,这是一种正性光刻胶,当用电子束曝光时,分辨率可高达0.01μm,是精密印刷所依靠的重要材料。
光致变色高分子是另一类有特殊用途的感光性高分子。在丙烯酸类高分子侧链上引人硫代缩氨基脲基团,在光照时由于分子内发生互变异构变化,从而呈现不同颜色,当光照停止时又恢复原来的颜色,或者用不同的波长照射,可出现不同的颜色。这类光致变色高分子在军事上是很好的伪装隐形材料,也可用在动态图像中储存信息。作为激光、电焊光、强烈阳光等强光照射下的护目镜,可以使眼睛免受伤害。作为玻璃窗的涂料,则可以自动调节室内光线,并美化了建筑物。
二．压电高分子
压电效应是指对电介质施加应力时,产生与应力成正比的极化,称正压电效应,反过来,当施加电场时则产生与电场成反比的应变现象称逆压电效应。本节开头所提到的PVDF即为一典型的压电高分子。随着研究的深入开展,通过PVDF与三氟乙烯或四氟乙烯共聚,又获得了压电性能更好的高分子。这类压电高分子是最早获得实际应用的功能高分子,在声学、电学、光学及医学中得到广泛应用,例如,作为音频换能器可制作各种麦克风、扬声器、呼机和电话发送器；作为电机械换能器用于今天广泛使用的电脑中的键盘、按触式电话盘、光学快关位移传感器以及体积小而轻巧的血压计等。在超声波诊断中,由VDF与TrFE制作的探头以其声学阻抗小,加工容易和超声波收敛性好而在医学诊断中发挥了重要作用。此外PVDF及VDF/TrFE还具有强的热电性,可用于制作红外热像仪,火灾报警器及外接触式的温度计等。
三．具有分离功能的高分子
物质的分离、纯化技术在化工、医药、环保等各方面有很重要的地位。人们一直在寻找比传统的萃取、蒸馏、过滤等更简单,能耗更低,而效率更高的方法,高分子离子交换树脂、膜和纤维以及各种聚合物分离膜的出现将分离技术推向一个新的局面,这些高分子材料以其选择性强、效率高、工艺简单、能耗低而成为分离技术的重要发展方向。离子交换树脂之所以能达到分离纯化的目的,是利用树脂上可离解的功能基(例如H+)与溶液中的同电荷离子(如Na+)发生交换,两种离子的浓度差是产生交换的动力。失去交换能力的离子交换树脂可以再生而重新使用。离子交换树脂粉碎后在化学化工上用作各种无机和有机物质的分离,水的纯制,天然物质的提纯,在环保中用于各种废水处理,食品工业中用作各种食品的脱色、脱臭、去杂味和纯化等。例如,酒的去浑脱色；奶成分的分离、改性和脱盐；在冶金工业中用作各种贵重金属的分离提纯；在医学上用于人工肝、肾的灌血医疗；在农业上用于制作长效化肥。将离子交换树脂粉碎后与高分子粘合剂制成的离子交换膜可实现溶液中的离子与膜之间的离子传递,实现离子的选择性透过,其作用原理与离子交换不同,所以不必经过再生,在化工、医药、食品、冶金、造纸的工业部门获得应用。如在膜两边加直流电场实现电渗析,实现水的脱盐、淡化和离子分离等。由于离子交换膜可以选择性地让某种离子通过,它又是铅蓄电池、碱蓄电池、隔膜电池和浓差电池的理想材料,例如宇宙飞船中使用的燃料电池即由离子交换膜制成。离子交换纤维是利用化学改性向天然纤维素引入带有酸性或碱性等离子基团制成的纤维,是生物化学上必须的试剂,并广泛地用于处理含有金属、有机物、色素的废水和贵重金属的回收。
中空纤维膜是分离功能高分子材料中的一个佼佼者。利用纤维素、醋酸纤维、尼龙、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚砜等高聚物纺制成的中空纤维,或者在它们的纤维壁多孔结构中引入离子交换树脂的中空纤维,可以粘结和组装成反渗透过滤器、超滤器、透析器和气体过滤器,它们在海水淡化,超纯水制备,人工肾制造,细菌病毒的分离消毒,生物碱、激素、抗菌素的分离浓缩以及H2、N2、CO、CH4等气体的分离富集等方面显示了独特优异的功能。肾病患者的血渗析应归功于中空纤维分离膜的功劳。电子工业和超大规模集成电路中所用到的超纯水,每毫升只允许3个以下细菌,只有依靠中空纤维超滤膜和反渗透膜来实现。采用分离膜法淡化海水较传统的蒸发法可以节约3/4的能源，使制水成本大大减小，所以近年来正逐步采用高分子分离膜技术淡化海水。
四．高分子试剂和高分子催化剂
高分子试剂是人们在高分子离子交换树脂的基础上萌发形成的一种产品,目的是想使功能化以后的高分子像普通试剂一样参加反应,而不是简单地进行离子交换。将有反应功能的一系列基团,如氧化还原基团、酸化基团、卤化基团等负载在高分子以后,可以使高分子载体在反应后与反应产物分离,简化产品的纯化精制过程并且在反应中可以起到分散和浓缩的效果,避免不必要的副反应或加快反应,而且通过高分子骨架的空间阻碍效应或极性效应使反应的选择性增加,可以进行一些特殊的反应。高分子试剂的另外一个突出优点是可以再生,或在反应中可以重复使用。这些特性促使高分子科学家们在过去的几十年中对高分子反应试剂进行了大量深入的研究。其中最突出的例子是1983年诺贝尔化学奖的获得者利用高分子试剂进行固相反应人工合成肽(由酰胺基连接的氨基酸单元序列称多钛链,它们构成了蛋白质分子。对生物体内发生的各种复杂生物反应产生催化作用的酶也是蛋白质),仅用8天的时间就完成了过去用溶液法用一年的时间才能完成的合成。
高分子催化剂也是以高分子为载体的一种催化剂。将具有催化活性的基团接在高分子上所形成的催化剂有很多优点,如反应属非均相,有利于催化剂的回收；产物的纯度高；显著提高了催化剂的稳定性。如在制备苯乙烯单体时所使用的AlCI3是脂肪族和芳香族化合物缩合反应的高效催化剂,但对水十分敏感,遇水即激烈反应而放出氯化氢,将其负载于高分子以后,在空气中放置1年仍不失活。催化剂高分子化后的另一优点是提高了反应的选择性。例如对山梨醇甲酯进行1,4-双键加氢的反应中,使用苯乙烯-二乙烯共聚物与Cr(CO)6配位物为催化剂时,可以得到96%∼98%的产物,
并且副产物极少。
将有催化活性的酶固定在高分子上是高分子催化剂的又一发展。通过化学键合的办法,或者是通过包埋、微胶囊等办法固定在高分子载体上,可以耐受较高的温度和酸碱性的变化,并且便于工业上的生产。例如使用固定化的天冬氨酸酶催化剂由反式丁烯二酸制备L-天冬氨酸,可在常温常压下进行,而且产物全部为L型。而采用传统方法,需用丁二烯在高温下加压加氨,且产品为D型和L型的外消旋产物,还需将二者分离。现在,固定酶催化技术已用于生产果葡糖浆、低乳糖牛奶、顺丁烯二酸、丙烯酰胺等产品。
固定化酶的进一步发展是固定化细胞。其优越性是省去酶的提取工艺,便于连续化生产。20世纪80年代日本使用固定化增殖酵母连续发酵生产乙醇,发酵时间比常规发酵缩短好几倍,生产能力提高了20倍。这种高分子负载细胞技术已成为工业发酵的新方向。
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五．生物医用高分子材料
人体器官能够人工制造吗?回答是肯定的。近年来．人工器官的研究取得了令人瞩目的成就，可以说现在除了大脑以外，几乎所有的人工器官都已取得进展，大部分人工器官已经成功地应用于临床治疗，取得了相当好的疗效。人工器官的发展给医学带来了巨大进步，可望逐步实现人类除大脑之外的所有患病器官都能用人工器官替代的愿望，到那个时候，人类的寿命将会大大延长。
人工器官与生物医学材料是分不开的，理想的人工器官首先得益于性能优良的生物医学材料。新一代材料的出现，必然会带来人工器官划时代的发展。
1．生物医学材料及其分类
2．人造硬组织材料
3．特种生物医学材料
4．人工器官及其关键材料
高分子材料工业从20世纪20年代建立以来,就以高于传统工业的速度高速发展,高分子合成化学、高分子物理、高分子成型加工科学伴随其不断发展,高分子材料以其原材料丰富、性能优异、质量轻、成本低、便于成型加工、不腐蚀、易着色等突出优点,在工业、农业、交通运输、建筑、国防、高技术、医疗卫生等领域迅速得到广泛应用。随着生产和科学技术的发展,不断对材料提出了各种各样新的要求,总的来说,今后高分子材料发展的主要趋势是高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化。人类的文明史表明材料的进步决定着人类文明的结构和经济模式、生产方式、生活方式和行为规范,当今世界充满竞争,正在展开一场全球性的新技术革命竞赛,高分子作为最年轻的一类材料,生机勃勃,风华正茂,可以肯定它一定会在人类未来的历史中显示出更巨大的作用。
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