科技论文综述
硕士研究生课程作业
课程名称：材料软件及其应用
题目：功能高分子材料
学院：材料科学与工程学院
专业（方向）：材料科学与工程
学号： 212014153
学生：李净植
授课老师：罗鲲
完成时间：
文摘
功能高分子材料是高分子学科中的一个重要分支，它的重要性在于所包含的每一类高分子都具有特殊的功能。本文在论述功能高分子的基本理论和设计思想的基础上，主要论述了在工程上应用较广和具有重要应用价值的一些功能高分子材料，如吸附分离功能高分子、反应型功能高分子、光功能高分子、电功能高分子、医用功能高分子、液晶高分子、高分子功能膜材料等。在阐述这些功能高分子材料时，对涉及的基本概念、基本原理作了介绍，阐明了功能高分子材料的结构和组成与功能性之间的关系，同时也对发展方向以及最新成果作了一定的介绍。
引言
功能高分子材料是研究功能高分子材料规律的科学，是高分子材料科学领域发展最为
迅速，与其他科学领域交叉度最高的一个研究领域。它是建立在高分子化学、高分子物理
等相关学科的基础之上，并与物理学、医学、甚至生物学密切联系的一门学科。由于涉及
面广，因此给人的感觉是资料零散，规律性不强。但是任何一门科学总有其自身的发展现
律，随着功能高分子材料科学研究的深入，有关信息的日趋丰富，为功能高分子材料学科
在摸清自身发展规律以及完善其理论提供了有利条件。本章试图对来自于科学研究前沿的
丰富而较散在的大量相关文献资料进行归纳、分类、总结，从中找出功能高分子材料学科
中的一般发展规律。此课程主要介绍功能高分子材料性能与结构的一般关系，制备功能高
分子材料的总体策略和功能高分子化学的研究方法等内容，使学生对功能高分子材料科学
有一个概括性的认识。
高分子材料科学与工程，顾名思义，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、科研和国防等各个领域，成为我国科学研究的一个重点领域。近代科学技术与工业的进步，为高分子材料学科的发展开拓了更广泛的前景。高分子材料已由传统的有机材料向具有光、电、磁、生物和分离效应的功能材料延伸。高分子结构材料正朝着高强度、高韧性、耐高温、耐极端条件的高性能材料发展，为航天航空、近代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和环境保护等各个方面提供各种新型材料。
高分子材料与工程属于理工科类，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。高分子科学的形成可以追溯到19世纪30年代，但直到20世纪70年代，才得到全面的发展。80年代初，高分子的三大合成材料（塑料、橡胶、纤维）的总产量超过亿吨，高分子工业体系在整个经济中占有举足轻重的地位。目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、科研和国防等各个领域，成为我国科学研究的一个重点领域。
但俗话说万事开头难，高分子学说创立之前，高分子学科历史上的几次重要事件给我们带来的思想上得冲击，是值得我们去瞻仰的。
1 功能高分子材料总论
1.1 功能高分子材料概述
功能高分子材料的定义为：与常规聚合物相比具有明显不同的物理化学性质，并具有某些特殊功能的聚合物大分子(主要指全人工和半人工合成的聚合物)都应归属于功能高分子材料范畴。而以这些材料为研究对象，研究它们的结构组成、构效关系、制备方法，以及开发应用的科学，应称为功能高分子材料科学。
功能高分子研究的主要目标和内容包括新材料的制备方法、物理化学性能表征、结构与性能之间的关系、应用开发研究等几个方面。其中结构与性能之间的关系研究建立起聚合物结构与功能之间的关系理论，以此理论可指导开发功能更强的，或具有全新功能的高分子材料。与其他材料一样，功能高分子材料的性能与其化学组成、分子结构和宏观形态存在密切关系，即构效关系。
高分子材料科学与工程，顾名思义，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、科研和国防等各个领域，成为我国科学研究的一个重点领域。近代科学技术与工业的进步，为高分子材料学科的发展开拓了更广泛的前景。高分子材料已由传统的有机材料向具有光、电、磁、生物和分离效应的功能材料延伸。高分子结构材料正朝着高强度、高韧性、耐高温、耐极端条件的高性能材料发展，为航天航空、近代通讯、电子工程、生物工程、医疗卫生和环境保护等各个方面提供各种新型材料。
高分子材料与工程属于理工科类，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的高新技术专业。高分子科学的形成可以追溯到19世纪30年代，但直到20世纪70年代，才得到全面的发展。80年代初，高分子的三大合成材料（塑料、橡胶、纤维）的总产量超过亿吨，高分子工业体系在整个经济中占有举足轻重的地位。目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、科研和国防等各个领域，成为我国科学研究的一个重点领域。
但俗话说万事开头难，高分子学说创立之前，高分子学科历史上的几次重要事件给我们带来的思想上得冲击，是值得我们去瞻仰的。
1.2 功能高分子材料的发展与展望
1.2.1 功能高分子发展的背景
经济发展的需。自从1920年施道丁格（H.Staudinger）建立大分子概念以来，高分子材料以惊人的速度得到发展。至20世纪60年代，高分子材料工业化已基本完善，解决了人们的衣着、日用品和工业材料等需求。通用高分子和工程用高分子的世界总产量已超过几千万吨/年，特种高分子则为几十万吨/年。1973年和1978年两次世界性的石油大危机，使原油价格猛涨。以石油为主要原料的高分子材料成本呈直线上升，商品市场陷入极为困难的处境。在这样的经济背景下，迫使人们试图用同样的原材料，去制备价值更高的产品。功能高分子在这种外部条件促使下迅速地发展了起来。
表1—1
从表1—1的数据可以看出，发展功能高
分子材
料可以获得较高的经济效益。
新能源的要求。太阳能和氢将成为今后的主要能源。光电转换材料就成为太阳能利用的关键。硅材料已进入了实用阶段。然而，按现在的能量转换效率，对单晶硅的需要量实在太大。以日本为例，若利用太阳能达到当前日本电力的1％，就需100 μ的单晶硅至少2.7万吨。这相当于日本目前单晶硅总产量的90倍。为此，人们把注意力转向可高效转换太阳能的功能高分子材料。如换能型高分子分离膜的利用。
交通和宇航技术的要求。既高速又节约能源是交通运输和宇航事业迫切需要解决的课题。采用功能高分子材料，在一定程度上解决了该难题。就目前的成就来看，波音757，767飞机采用Kavlar 增强材料（一种由高分子液晶纺丝而成的高强纤维增强的材料），可省油50％。汽车工业采用高分子材料而实现轻型化，从而达到省油和高速的目的。
微电子技术的要求。高度集成化是微电子工业发展的趋势。存储容量将从目前的16K 发展到256K 。此时相应的电路细度仅为1.5μm 。因此，高功能的光致抗蚀材料（感光高分子）已成为微电子工业的关键材料之一。生命科学的要求。人类对生命奥秘的探索，对建立一个洁净、安全的世界的渴望，对征服癌症等疾病的努力，均对高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分离介质的研制成功，使生命组成的各种组分能得以精细地分级，对生命科学的贡献将是十分重大的。可降解性高分子材料的问世，将大大减缓白色公害对人类的危害。
总之，功能高分子材料在国民经济建设和日常生活中将发挥越来越重要的作用，发展前景不可估量。当然，目前的成就尚处于十分初级的阶段，有待于进一步研究和探索。
1.2.2 功能高分子的发展历程与展望
高分子的概念始于20世纪20年代，但应用更早。
1839年，美国人Goodyear 发明硫化橡胶。
1855年，英国人Parks 用硝化纤维素与樟脑混合制得赛璐珞。
1889年，法国人De Chardonnet （夏尔多内）发明人造丝。
1907年，酚醛树脂诞生。
1920年，德国人Staudinger 发表了“论聚合”的论文，提出了高分子的概念，并预测了聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物的结构。 高分子溶液理论在30年代建立，并成功测定了聚合物的分子量。Flory 为此获得诺贝尔奖。 40年代，二次大战促进了高分子材料的发展，一大批重要的橡胶和塑料被合成出来。 50年代，Ziegler 和Natta 发明配位聚合催化剂，制得高密度PE 和有规PP ，低级烯烃得到利用。
60年代以后，特种高分子和功能高分子得到发展。
特种高分子：高强度、耐高温、耐辐射、高频绝缘、半导体等。
功能高分子：分离材料（离子交换树脂、分离膜等）、导电高分子、感光高分子、高分子催化剂、高吸水性树脂、医用高分子、药用高分子、高分子液晶等。 品 种
主要产品举例 产量 /万吨/年 价格比 通用高分子材料
LDPE ，HDPE ，PVC ，PP ，PS ＞1000 1 中间高分子材料
ABS ，PMMA 100～1000 1～2 工程高分子材料
PA ，PC ，POM ，PBT ，PPO 20～80 2～4 特种高分子材料 有机氟材料，耐热性高分子，各
种功能高分子 1～20 10～100
80年代以后，新的聚合方法和新结构的聚合物不断出现和发展。
新的聚合方法：阳离子活性聚合、基团转移聚合、活性自由基聚合、等离子聚合等等；
新结构的聚合物：新型嵌段共聚物、新型接枝共聚物、星状聚合物、树枝状聚合物、超支化聚合物、含C60聚合物等等。
虽然特种与功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的。
最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。
20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子工业。
1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。
1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。
1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。
20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。
1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。
这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。
其中从20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。
近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。
反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。
电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。
高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨/日纯水设备的能力。
医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个领域，高分子药物、高分子人工组织器官、高分子医用材料在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。
特种与功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及内容包括有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、生物化学、电子学、甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。
可以说，特种与功能高分子材料在高分子科学中的地位，相当于精细化工在化工领域内的地位。因此也有人称特种与功能高分子为精细高分子，其内涵指其产品的产量小，产值高，制造工艺复杂。
特种与功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它们具有独特的“性能”和“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。
可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。
1.3 功能高分子材料的类型
日本著名功能高分子专家中村茂夫教授认为，功能高分子可从以下几个方面分类。
1. 力学功能材料
1) 强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；
2) 弹性功能材料，如热塑性弹性体等。
2. 化学功能材料
1) 分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；
2) 反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；
3) 生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。
3. 物理化学功能材料
1) 耐高温高分子，高分子液晶等；
2) 电学功能材料，如导电性高分子、超导高分子，感电子性高分子等；
3) 光学功能材料，如感光高分子、导光性高分子，光敏性高分子等；
4) 能量转换功能材料，如压电性高分子、热电性高分子等。
4. 生物化学功能材料
1) 人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；
2) 高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；
3) 生物分解材料，如可降解性高分子材料等。国内一般采用按其性质、功能或实际用途划分
特种和功能高分子材料的方法，具体可划分为8种类型。
1. 反应性高分子材料，包括高分子试剂、高分子催
化剂和高分子染料，特别是高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。
2. 光敏型高分子，包括各种光稳定剂、光刻胶，感光材料、非线性光学材料、光导材料和光致变色材料等。
3. 电性能高分子材料，包括导电聚合物、能量转换型聚合物、电致发光和电致变色材料以及其他电敏感性材料等。
4. 高分子分离材料，包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高分子絮凝剂等。
5. 高分子吸附材料，包括高分子吸附性树脂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。
6. 高分子智能材料，包括高分子记忆材料、信息存储材料和光、磁、pH、压力感应材料等。
7. 医药用高分子材料，包括医用高分子材料、药用高分子材料和医药用辅助材料等。
8. 高性能工程材料，如高分子液晶材料，耐高温高分子材料、高强高模量高分子材料、阻燃性高分子材料和功能纤维材料、生物降解高分子等。
1.4 功能高分子材料的结构与性能的关系
1.4.1功能高分子材科的结构层次
1. 构成材料分子的元素组成
2. 材料分子中的官能团结构
3. 聚合物的链段结构
4. 高分子的微观构象结构
5. 材料的超分子结构和聚集态
6. 材料的宏观结构
1.4.2 功能高分子材料构效关系分析
功能高分子材料之所以能够在应用中表现出许多独特的性质，主要与其上述结构有关。不同的功能高分子材料，因为所需功能不同，依据的结构层次也有所不同。其中比较重要的结构层次包括材料的化学组成和官能团的影响、聚合物链段的影响、材料超分子结构的影响和宏观结构的影响等几个方面。
1．官能团的性质与聚合物功能之间的关系
(1)功能高分子材料的性质主要取决于所含的官能团
(2)功能高分子材料的性质取决子聚合物骨架与官能团协同作用
利用电活性高分子材料对电极表面进行修饰制备化学敏感器，测定某些活性物质。利用在聚合物中引入第二种基团来控制敏感器的作用，利用氧化还原基团控制修饰层的离子交换能力。
(3)官能团与聚合物骨架不能区分
官能团是聚合物骨架的一部分，或者说聚合物骨架本身起着官能团的作用。
主链型聚合物液晶：有极好机械强度的梯形聚内酰胺等。
导电聚合物：具有线性共扼结构的大分子结构，如聚乙炔和芳香烃。
(4)官能团在功能高分子材料中仅起辅助作用
引入官能团改善溶解性能，降低玻璃化温度，改变润湿性和提高机械强度等作用。
在高分子膜材料中引入极性基团可以改变润湿性。在这种情况下，这类宫能团对功能的实现一般贡献较小，是次要结构。
2．功能高分子材料中聚合物骨架的作用
引入高分子骨架后产生的性能差别被定义为高分子效应
(1)溶解度下降效应
只能溶胀，而不能溶解。
例如：呈固相的高分子试剂易于与液相中其他组分分离，使高分子试剂容易回收再生，高分子催化剂可以反复多次使用，更重要的是使固相合成成为现实。
(2)高分子骨架的机械支撑作用
例如，在相对刚性的聚合物骨架上“稀疏”地连接功能基，制成的高分子试剂具有类似合成反应中的“无限稀释”作用，骨架上各功能基团之间没有相互作用和干扰。在用固相法合成肽时就需要这种“无限稀释”作用，以获得纯度高的产物。
(3)高分子骨架的模板效应
模板效应是指利用高分子骨架的空间结构，包括构型和构象，在其周围建立起特殊的局部空间环境，在有机合成和其他应用场合提供一个类似于工业上浇铸过程中使用的模板的作用，这种作用与酶催化反应有相近的效应。
(4)高分子骨架的稳定作用
由于引入高分子骨架之后分子的熔点和沸点均大大下降，其挥发性大大减小，扩散速度随之降低，这样可以大大提高某些敏感性小分子试剂的稳定性。
(5)高分子骨架在功能高分子材料中的其他作用
例如：大多数高分子骨架在体内的不可吸收性，可以将那些有害的食品添加剂，如色素、甜味素等高分子化，利用其不被人体吸收的特性消除其有害性。
1.4.3高分子材料与功能相关的其他性质
1．聚合物的溶胀和溶解性质
在良性溶剂中聚合物链趋向于伸展状态，在非溶剂中聚合物链趋向于收缩状态。聚合物的溶解过程不仅与溶剂的种类有关，还与聚合物的结晶度、环境温度和聚合物骨架的组成与性质有关。
交联聚合物的溶胀度与交联度成反比、与溶剂对聚合物的亲和能力成正比。
2．聚合物的多孔性
对于高分子吸附剂、高分子试剂、高分子催化剂等功能高分子材料，其比表面积的大小对于它们的使用性能影响很大。
3．聚合物的渗透性
任何一种高分子材料在一定程度下都是有渗透性的，作为功能高分子骨架的聚合物的渗透性是衡量其性能的另外一个重要指标。特别是对于高分子分离膜材料，聚合物的渗透性则是至关重要的指标。聚合物的渗透性一般通过气体或液体在一定条件下的渗透量来测定。
4．功能高分子材料的稳定性
聚合物的稳定性主要包括化学稳定性和机械稳定性两种。
影响功能高分子材料机械稳定性的主要因素是聚合物主链的种类、交联度和结晶度等。2 导电高分子材料
2.1 导电高分子材料的发展概况
复合型导电高分子材料在工业上的应用始于20 世纪60 年代。它是将导电的炭黑、金属粉末、金属丝或碳纤维混到高分子基质中而形成的导电材料。进入80 年代，美、德、日等国先后制定了有关限制电磁干扰/ 射频干扰(EMI/ RFI) 公害的规定，规定生产的各种电子电气设备必须有电磁屏蔽设
施，使得导电高分子材料的研究开发空前活跃，市场需求量增大。从1982~ 1987 年，美国对导电高分子材料的需求量增长了313 倍，日本从1980~ 1987 年需求量增长了414 倍。90 年代随着微电子工业的发展，导电高分子材料的市场越来越大。据预测，到21 世纪初，导电塑料总消费量将从上世纪90 年代初的5145 万t 增至2019 万t，保持年增长率15% 的势头。
结构型导电高分子材料是1971 年由日本白川研究用齐格勒- 纳塔催化剂合成聚乙炔时发现的。80 年代以来，发现聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚喹啉等共轭型聚合物均可通过掺杂形成高导电塑料。
90 年代，结构型导电高分子材料已部分进入实用化阶段，如德国Zippering Kessler 公司制成了用于生产高剪切的结构型导电高分子材料模塑部件的专用小型设备。BASF 公司研制的聚乙炔，在导电率与质量比上已经达到许多金属相同的量级虽然结构型导电高分子材料已开始进入实用化，但因其性能不稳定、难加工、成本高等缺点，使其占整个导电高分子材料的比重相当低，目前市场供应的产品90% 以上是复合型的。据预测，到2010 年结构型导电高分子材料将占总导电高分子材料销售额的1715% 。此外，日本的道化学、三菱气体化学、宇部工业、德国的BASF 等公司对导电塑料已经进入了更高层次的研究。目前聚乙炔是技术上最为成熟的结构型导电高分子材料，并且得到了推广应用。
2.2导电聚合物的分类
导电高分子材料可以分为结构型和复合型两大类。结构型导电高分子材料是高分子本身的结构具有一定的导电性能，或者经过一定的掺杂处理后具有导电功能的材料，例如聚乙炔、聚苯胺等。复合型导电高分子材料是由高分子基质与具有导电性能的材料通过各种复合方法形成的导电材料，复合材料中聚合物本身没有导电性能，起导电作用的是聚合物中添加的导电物质，例如炭黑、金属粉等。
2.2.1结构型导电高分子
结构型导电高分子又可以称为本征型导电高分子，本征型导电高分子是指聚合物本身具导电性能，例如聚乙炔、聚吡咯等。但这些本征型的导电聚合物由于其结构的限制，导电能力是极其有限的，一般在100S#cm- 1 以下，所以经常在聚合物中掺杂一定的物质以提高聚合物的导电性能。
2.2.2 复合型导电高分子
复合型导电高分子材料中高分子基质可以选择普通塑料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，也可以选择工程塑料例如ABS，橡胶也能作为复合型导电高分子的基质，例如硅橡胶。而导电填料有炭黑、碳纤维、金属粉、金属镀层的玻璃片和纤维以及金属氟化物等。
2.3 高分子导电机理
导电过程是载流子在电场下作定向运动的过程。高分子聚合物要能导电，必须具备两个条要能产生足够数量的载流子电子、空道件穴或离子等大分子链内和链间要能形成导电通在离子型导电高分子材料中，聚醚、聚醋等的大分子链形成螺旋体空间结构，与其配位络合的碱金属阳离子在大分子链段运动促进下，便能在其螺旋孔道内通过空位迁移“自由体积模型”，或被大分子“溶剂化”了的阳阴离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散“动力学扩散理论”。对于电子型导电高分子材料，作为主体的高分子聚合物，大多为共扼体系至少是不饱和键体系，长链中一键电子较为活泼，特别是与掺
杂剂形成电荷转移络合物后，容易从轨道上逃逸出来而形成自由电子。大分子链内和链间二一电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。在外加能量和大分子链振动的推动下，便可传导电流川。
2.4 应用
防止静电与电磁屏蔽静电的积累不仅给人们生活带来许多危害，在炸药、石油、化工、纺织等行业还可能因静电引起燃烧和爆炸事故。导电塑料在防止静电方面已经得到广泛应用。电子产品容易发生由于外界电磁波干扰而造成的错误动作、图象障碍等故障，而且电子产品本身产生的电磁波对人体也有一定危害，电子产品的外壳应有一定的电磁波屏蔽性。导电塑料代替金属不仅可以起到防静电和电磁屏蔽作用，而且质量轻、抗腐蚀。
全固态高能电池材料离子型导电高分子材料是开发全固态高能二次电池的理想电解质材料。电极也可选用合适的导电高分子材料，这种全塑电池体积小、质量轻、比能量高、不易发生漏液，且每次充放电的时间也缩短了，许多国家都将此项研究列为重点研究课题。目前，这种材料已步入商业化的初级阶段。
显示材料有些导电高分子材料能随所施加的电流电压、电流强度、电流频率等的不同而改变颜色，这类电致变色功能高分子材料，许多都在显示元件、仪器仪表等方面得到了应用。
轻小装配导线导电高分子材料代替金属作输电导线是最大的潜在市场，有专家估计，这种导线很可能是由结构型导电高分子材料为芯线，外表包覆绝缘性高分子材料而构成的。但是，至今世界上这方面的报道还很少，因为尚有一些关键性问题未解决。由于高分子聚合物电线质量轻、体积小，特别适合于作飞机、航天器等的装配电线。此外，还可用来制造多种形式的无线电收发报机的各种天线。
2.5 展望
虽然导电高分子材料的发展史只有短短的30年，但当前导电高分子聚合物在国民经济中的地位，在许多方面不亚于20世纪50年代初传统塑料的地位。在合成、加工和应用方面取得了突破性进展，走向了实用化，同时很多潜在的应用正在探索研究中。目前，其研究方向可以概括为以下几个主要方面高导电性，通过复合、改变分子结构等手段挖掘导电高分子材料潜在性能。最近，已成功研制出导电率达3000S/cm的聚苯乙炔。多功能化，其中包括光、电、磁之间的转换，改善稳定性、可加工性。提高导电材料的实用性，按实用要求确定攻关方向。多行业多学科交叉结合，开发导电高分子材料应用新领域，加速其商品化进程。
3 医用高分子材料
3.1 概述
医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的合成高分子材料，可以利用聚合的方法进行制备，是生物医用材料的重要组成之一。由于医用高分子材料可以通过组成和结构的控制而使材料具有不同的物理和化学性质，以满足不同的需求，耐生物老化，作为长期植入材料具有良好的生物稳定性和物理、机械性能，易加工成型，原料易得，便于消毒灭菌，因
此受到人们普遍关注，已成为生物材料中用途最广、用量最大的品种，近年来发展需求量增长十分迅速。目前全世界应用的有90 多个品种，西方国家消耗的医用高分子材料每年以10% ~ 20% 的速度增长。以美国为例，每年有数以百万计的人患有各种组织、器官的丧失或功能障碍，需进行800 万次手术进行修复，年耗资超过400 亿美元，器官衰竭和组织缺损所需治疗费占整个医疗费用的一半。随着人民生活水平的提高和对生命质量的追求，我国对医用高分子材料的需求也会不断增加。
3.2 生物医用高分子的分类及其特点
目前医用高分子材料主要有非降解型和生物降解型2 种。
1) 非降解型医用高分子材料主要是聚氨酯、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯酸酯等，广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、人工脏器、骨和牙齿等人体软、硬组织及器官的修复和制造、粘合剂、材料涂层、人工晶体等。其特点是大多数不具有生物活性，与组织不易牢固结合，易导致毒性、过敏性等反应;
2) 生物降解型医用高分子材料的主要成分是聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多糖和蛋白质等，在临床上主要用于暂时执行替换组织和器官的功能，或作药物缓释系统和送达载体、可吸收性外科缝线、创伤敷料等。其特点是易降解，降解产物经代谢排出体外，对组织生长无影响，目前已成为医用高分子材料发展的方向。
3.3 医用高分子材料的特殊要求
A 生物功能性: 因各种医用高分子材料的用途而异，如: 作为缓释药物时，药物的缓释性能就是其生物功能性。
B 生物相容性: 医用高分子材料的生物相容性包括2 个方面: 一是材料反应，主要包括材料在生物环境中被腐蚀、吸收、降解、磨损和失效等;二是宿主反应，包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏、致畸和免疫反应等。对于非降解型医用高分子材料，稳定性和相容性是重要的，这些问题包括与细胞组织( 包括血液) 的相容、水解的稳定性，与药物和药物处理的反应，钙化作用，长期的功能，诱变的或致癌的作用以及无菌性。对于生物降解型医用高分子材料，关键问题是可吸收性和它的测量及定义界限以及对细胞组织部位的效果，酶和其他活性物质对于高分子材料吸收性的作用，退化产品的吸收作用，消毒对于功能度和退化性能不稳定的释放媒介物渗到高分子材料行为的作用，以及材料对于伤口愈合的效果。
C 可加工性: 能够成型、消毒( 紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等) 。正因为对于医用高分子材料的要求严格，相关的研发周期一般较长，需要经过物理性能、化学性能实验、型式检验、动物实验、临床实验等不同阶段的试验，材料市场化需要经国家和地方食品药品
3.4 医用高分子材料的主要用途
3.4.1 人工脏器
作为软组织材料的一个重要组成部分的人工器官，其应用前景已为人们所看好。随着人工脏器性能的不断完善，其在临床上的应用必将越来越广泛。主要包括: 人工肺、人工肾( 透析型、过滤型、吸附型) 、人工肝脏、人工胰脏( 如: 可采用包膜法，即在移植的异体胰岛或动物胰岛表面覆盖一层高分子半透膜，能允许胰岛素向膜外渗透，但阻止淋巴细胞和抗体进入膜内而引起排异损伤) 、人工
心脏瓣膜、心脏起搏器电极的高分子包覆层、人工心脏、人工血管、人工喉、人工气管、人工食管、人工膀胱等。
3.4.2 人工组织
指用于口腔科、五官科、骨科、创伤外科和整型外科等用材料，主要包括: 牙科材料( 蛀牙填补用树脂、假牙和人工牙根、人工齿冠材料和硅橡胶牙托软衬垫等) ，眼科材料( 人工角膜、人工晶状体、人工玻璃体、人工眼球、人工视网膜、人工泪道、隐型眼镜) ，骨科材料( 人工关节、人工骨、接骨材料等) ，肌肉与韧带材料( 人工肌肉、人工韧带) ，皮肤科材料( 人工皮肤，含层压型人工皮肤、甲壳素人工皮肤、胶原质人工皮肤、组织膨胀器等) ，整形外科材料( 人工乳房，一般为硅橡胶包膜内填充硅凝胶或空气，人工鼻及鞍鼻整形、人工下颔骨、人工耳朵) ，假肢( 支撑或外层装饰等) ，人造血液( 含人造血浆) ) ) 水溶性聚合物辅以营养液) 。
3.4.3 护理和医疗用具相关的医用材料
一次性高分子用品( 注射器、输血输液袋等) 、高分子绷带材料( 弹性绷带、高分子代用石膏绷带、防滑脱绷带) 、医用缝合线、护理用高分子材料，如: 吸水性树脂( 尿不湿、卫生巾、弹性冰、防褥疮护理材料) 等。
3.4.4 药用高分子
A 高分于缓释药物载体: 时间控制缓释体系( 如康泰克等，理想情形为零级释放) 、部位控制缓释体系( 脉冲释放方式) ;
B 高分子药物( 带有高分子链的药物和具有药效的高分子) : 抗癌高分子药物( 非靶向、靶向) 、用于心血管疾病的高分子药物( 治疗动脉硬化、抗血栓、凝血) 、抗菌和抗病毒高分子药物( 抗菌、抗病毒) 、抗辐射高分子药物、高分子止血剂;
C 药物制剂和包装用高分子材料( 这里的包装材料不涉及外包装材料，特指药物在制备过程中需要的高分子材料，它们往往对提高药效、方便药物起作用等方面有一定效果) : 药物制剂用高分子材料( 液状制剂中的高分子增稠剂、稀释剂、分散剂和消泡剂; 固体制剂中的高分子粘合剂、包衣剂、膏剂和涂膜剂) 、微胶囊等。
3.4.5 其它
除上述4 个方面的用途之外，医用高分子材料还可用于医疗诊断( 如免疫荧光微球) 和生物工程试剂等方面。
3.5 展望
生物技术将是21世纪最有前途的技术，医用高分子材料将在其中起到重要的作用，其性能将不断提高，应用领域也将进一步拓宽。今后将主要从以下几方面发展：
A 生物可降解高分子材料的应用前景十分广阔。其中医用可生物降解高分子材料因其具有良好的生物降解性和生物相容性而受到广泛的重视，它在缓释药物、促进组织生长的骨架材料方面具有极大的发展潜力。尤其是可对生物降解型聚合物进行物理和化学修饰，研发出适合于不同药物的聚合物基材料，使之达到理想的控制释放效果。
B 复制具有人体各部天然组织的物理力学性质和生物学性质的生物医用材料，达到高分子的生物功能化和生物智能化，是医用高分子材料发展的重要方向。
C 人工代用器官在材料本体及表面结构的有序化、复合化方面将取得长足进步，以达到与生物体相似的结构和功能，其生物相容性也将明显提高。
D 继续扩大药用高分子和医药包装用高分子材料的应用。由于医用高分子材料的研究对保障人体健康、促进人类文明的发展具有重要意义，因此，世界各国都投入了极大的精力进行研究开发，并正在形成新的高科技产业，因此，我国也要积极开展研制工作并使研究成果得以产业化，缩短我们与发达国家的差距，摸索出一条适合于我国国情发展的医用高分子材料的道路。总之，从长远角度看，继续大力发展我国医用高分子材料的研究和开发具有重大意义。
4 高分子纳米复合材料
4.1 概述
纳米材料科学是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学。由于纳米材料体系具有许多独特的性质，应用前景广阔，而且涉及到原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值，所以成为近些年来材料科学领域研究的热点之一，被誉为“21 世纪最有前途的材料”。
早在1959 年，著名物理学家Richard Feyn2man在美国物理学会年会的讲演中首次提出了“What would happen if we could arrange the atomsone by one the way we want them ?”的思想，日本科学家Kubo在1962 年就对纳米粒子的量子尺寸效应进行了理论上的研究，而日本名古屋大学上田良二教授则定义纳米微粒是用透射电镜TEM 能看到的微粒;但直至80 年代中期，随着介观物理的发展完善和实验观测技术的进步，纳米材料科学才得到迅速的发展。通常将纳米体系的范围定为1 nm～100 nm ，处于团簇(尺寸小于1 nm 的原子聚集体) 和亚微米级体系之间，其中纳米微粒是该体系的典型代表。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，表现出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，从而使纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新奇特性，展示了广阔的应用前景;同时它也为常规的复合材料的研究增添了新的内容，含有纳米单元相的纳米复合材料通常以实际应用为直接目标，是纳米材料工程的重要组成部分，正成为当前纳米材料发展的新动向，其中高分子纳米复合材料由于高分子基体具有易加工、耐腐蚀等优异性能，且能抑止纳米单元的氧化和团聚，使体系具有较高的长效稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能，而尤受广大研究人员的重视。
高分子纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料，所采用的纳米单元按成分分可以是金属，也可以是陶瓷、高分子等;按几何条件分可以是球状、片状、柱状纳米粒子，甚至是纳米丝、纳米管、纳米膜等;按相结构分可以是单相，也可以是多相，涉及的范围很广，广义上说多相高分子复合材料，只要其某一组成相至少有一维的尺寸处在纳米尺度范围(1 nm～100nm) 内，就可将其看为高分子纳米复合材料。对通常的纳米粒子/ 高分子复合材料按其复合的类型大致可分为三种:0 —0 复合， 0 —2 复合和0 —3 复合，纳米粒子在高分子基体中可以均匀分散，
也可以非均匀分散;可能有序排布，也可能无序排布，甚至粒子聚集体形成分形结构;复合体系的主要几何参数包括纳米单元的自身几何参数，空间分布参数和体积分数，本文主要涉及后两种类型的高分子纳米复合材料。此外，还有1 —3 复合型，2 —3 复合型高分子纳米复合材料，高分子纳米多层膜复合材料，有机高分子介孔固体与异质纳米粒子组装的复合材料等等。
4.2 高分子纳米复合材料的结构与性能
由于复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数( 复合度、联结型、对称性、标度、周期性等) ，改变这些参数可以在很宽的范围内大幅度地改变复合材料的物性; 且复合材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应，所以高分子基纳米复合材料的性能不仅与纳米粒子的结构性能有关，还与纳米粒子的聚集结构和其协同性能、高聚物基体的结构性能、粒子与基体的界面结构性能及加工复合工艺方式等有关。
通过调控高分子基纳米复合材料的可变结构参数，利用其复合效应可以使材料在物理功能、化学和机械性能等方面获得最佳的整体性能。在化学性能方面，主要表现出优良的催化性能: 纳米粒子负载在高分子衬底上，既发挥了纳米粒子的特异催化性，又保证了其催化稳定性( 高分子基体阻止纳米粒子团聚) 。在机械性能方面，纳米粒子的加入能极大地改善材料的力学性能: 日本丰田中央研究院和宇部研究所、中国科学院化学研究所等在尼龙6/ 粘土纳米原位复合材料方面做了大量工作，发现该复合材料具有高强度、高模量、高热变形温度等优异性能。在物理功能方面，一方面由于纳米粒子自身的量子尺寸效应和界面效应，另一方面由于纳米粒子之间的相互作用及粒子与高分子基体的相互作用，造成高分子纳米复合材料在声、光、电、磁、介电等功能领域与常规复合材料有所不同。纳米金属粒子与高聚物复合材料的导电渗滤阈值比常规复合材料的要小，纳米TiO2、Fe2O3、ZnO 等半导体纳米粒子加入树脂中可获得良好的静电屏蔽性，而且可以改变材料的颜色; 纳米粒子加入高分子基体中能较自由地控制复合体系的折射率，并提高三阶非线性系数; 纳米氧化物粒子与高聚物复合具有良好的微波吸收性能; 纳米Al2O3 粒子与橡胶复合可以提高橡胶的介电性和耐磨性; 当高分子基体本身具有功能效应时，纳米粒子与之耦合又能产生新的性能，如纳米粒子TiO2、WO3 等与聚苯胺的复合材料具有光致变色性，在半导体高分子MEH ) PPV 中复合入TiO2 纳米粒子， TiO2 纳米粒子体系能通过散射放大发射光，成为窄光谱的固体高分子激光二极管等等。本文讨论的主要是3( 或2) 型高分子纳米复合材料的物理功能效应，即活性组元是标度在纳米尺度的微粒，它的效应对复合材料的主体性能起主要作用，因此着重研究纳米粒子的聚集结构和其协同性能等对材料性能的影响，以及纳米粒子聚集结构的形成机制。
4.3 高分子纳米复合材料的制备
高分子纳米复合材料的涉及面较宽，包括的范围较广，可分为四大类: 纳米单元与高分子直接共混; 在高分子基体中原位生成纳米单元; 在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子及纳米单元和高分子同时生成。
1 纳米单元与高分子直接共混此法是将制备好的纳米单元与高分子直接共混，可以是溶液形式、乳液形式，也可以是熔融形式共混。
A 纳米单元的制备可用于直接共混的纳米单元的制备方法、种类很多，通常有两种形式的制备: 从小到大的构筑式，即由原子、分子等前体出发制备; 从大到小的粉碎式，即由常规块材前体出发制备，总体上又可分为物理方法、化学方法、物理化学方法三种。
B 纳米单元的表面改性纳米单元的表面改性方法根据表面改性剂和单元间有无化学反应可分为表
面物理吸附方法和表面化学改性方法两类，可以采用低分子化合物主要为各种偶联剂改性，也可以在用微乳液法制备纳米粒子时，采用聚磷酸盐或硫醇作为捕获剂，过终止微晶表面而使晶核停止生长，同时避免粒子团聚，也可以通过锚锢聚合在粒子表面形成聚合物改性。锚锢聚合改性法可分为吸附包裹聚合改性和表面接枝聚合改性两类。
C 在高分子基体中原位生成纳米单元此法是利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空间位阻，或是基体提供了纳米级的空间限制，从而原位反应生成纳米复合材料，常用于制备金属、硫化物和氧化物等纳米单元复合高分子的功能复合材料。
2 在纳米单元存在下单体分子原位聚合生成高分子此法主要是指在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的溶液中单体分子原位聚合生成高分子，其关键是保持胶体粒子的稳定性，使之不易发生团聚。
3 纳米单元和高分子同时生成此法包括插层原位聚合制备聚合物基有机- 无机纳米复合材料，蒸发沉积法制备纳米金属- 有机聚合物复合膜及溶胶- 凝胶法等。
4.4 高分子纳米复合材料的应用及前景
由于高分子纳米复合材料既能发挥纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应和量子效应，以及粒子的协同效应，而且兼有高分子材料本身的优点，使得它们在催化、力学、物理功能等方面呈现出常规材料不具备的特性，有广阔的应用前景。
4.5 展望
纳米科学技术是一门跨学科、跨行业的高新科学技术，近几年来发展迅速，成为各国研究与发展的重点。尤其是纳米氧化颗粒技术应用于开发新功能的复合材料方面，更成为该学科的研究热点，并将成为下个世纪科技发展的，个重要方向。21 世纪将是信息、生物、材料三大学科的发展变革的时代，足以可见与材料科学息息相关的纳米科学技术发展的重要。
5 高分子液晶材料
5.1 概述
液晶的发现最早可追溯到1888 年，奥地利植物学家莱尼茨尔在做加热胆甾醇苯甲酸酯结晶的实验时发现。第二年，德国物理学家莱曼通过偏光显微镜发现这种材料具有双折射现象，并提出了“液晶”这一学术用语，现在人们公认这两位科学家是液晶领域的创始人。液晶高分子材料发展较晚，但目前已成为液晶中最令人关注的领域，世界各国都加大投入了围绕研究与开发液晶高分子系列产品的力量。
5.1.1 定义
物质有固、液、气三种相态，固态又可分为晶态和非晶态。在外界条件发生变化时，物质可在三种相态间转换，即发生相变。一般情况下，物质发生相变是从一种相态直接转变成另一种相态，不存
在中间过渡阶段，如液态无序状态的水受冷在0℃时转变为有序排列的固态晶体冰。然而，又存在某些物质，受热熔融或溶解后，外观呈现液态的流动性，却又仍然保留着晶态物质的分子有序排列，在物理性质上呈现出各向异性，这种兼有晶体和液体部分性质的中间过渡相态称为液晶态。处于这种状态下的物质称为液晶。那么，将这类具有过渡相态的分子连接成大分子，或将其连接到聚合物骨架上，仍保持液晶性质的材料就称为高分子液晶材料。
5.1.2 结构特征
高分子液晶是由刚性部分和柔性部分组成。从外形上看，刚性部分通常近似棒状或片状，因为这样有利于分子的有序堆积。刚性部分高分子液晶是近十几年迅速兴起的一类新型高分子材料，它具有高强度、高模量、耐高温、低膨胀系数、低成型收缩率、低密度、良好的介电性、阻燃性和耐化学腐蚀性等一系列优异的综合性能，作为液晶自增强塑料、高性能纤维、板材、薄膜及光导纤维包覆层，被广泛应用于电子电器、航天航空、国防军工、光通讯等高新技术领域以及汽车、机械、化工等国民经济各工业部门。正是由于其优异的性能和广阔的应用前景，使得高分子液晶成为当前高分子科学中颇有吸引力的一个研究领域。
5.1.3 高分子液晶的研究现状
从高分子科学本身来讲，其历史短于液晶研究的历史，早在1888 年奥地利植物学家F. Reinitzer 就发现了液晶，但直到1941 年Kar gin 提出液晶态是聚合物体系的一种普遍存在状态，人们才开始了对高分子液晶的研究。1966 年， Dupont 公司首次使用各向异性的向列态聚合物溶液制备出了高强度、高模量的商品纤维—— Fibre B，使高分子液晶研究走出了实验室。20 世纪70 年代， Dupont 公司的Kevlar 纤维的问世和商品化开创了高分子液晶的新纪元。接着，美国人Economy 和前苏联的Plate 和Shibaev 分别合成了热熔型主链聚酯液晶和侧链型液晶聚合物。20 世纪80 年代后期，德国的Ringsdorf 合成了盘状主侧链型液晶聚合物。到目前为止，高分子液晶的研究已成为高分子学科发展的一个重要方向。
5.2 液晶高分子的分类
液晶是一类具有特殊性质的液体，既有液体的流动性又有晶体的各向异性特征。现在研究及应用的液晶主要为有机高分子材料。一般聚合物晶体中原子或分子的取向和平移都有序，将晶体加热，它可沿着2 个途径转变为各向异性液体。一是先失去取向有序而成为塑晶，只有球状分子才可能有此表现，另一途径是先失去平移有序而保留取向有序，成为液晶[2 ] 。近年来，高分子液晶的开发已成为当今高分子科学中的一个热门课题。研究表明，形成液晶的物质通常具有刚性的分子结构，同时还具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的结构因素，这种结构特征常常与分子中含有对位次苯基、强极性基团和高度可极化基团或氢键相联系。液晶高分子分类方法有3 种。从液晶基元在分子中所处的位置可分为主链型和侧链型2 类。从应用的角度可分为热致型和溶致型2 类，这2 种分类方法是相互交叉的，即主链型液晶高分子同样具有热致型和溶致型，而热致型液晶高分子又同样存在主链型和侧链型。从液晶高分子在空间排列的有序性不同，液晶高分子又有近晶型、向列型、胆甾型和碟型4种不同的结构类型。
5.2.1 主链型液晶高分子
主链型液晶高分子是刚性液晶基元位于主链之中的液晶高分子，它可分为热致和溶致型两类。
1 溶致型主链液晶高分子
溶致型主链液晶高分子主链中有刚性结构，它的分子溶解在溶液中达到一定浓度后，高分子主链在溶液中呈有序排列，具有晶体性能。为了使液晶相在溶液中容易形成，溶致型液晶分子中一般都会有双亲活性结构。在溶液中当液晶分子的浓度达到一定时，双亲性分子可在溶液中形成胶束，形成油包水或水包油的胶束结构。当液晶分子浓度进一步增加时，双亲性分子便可聚集形成排列有序的液晶结构。溶致型主链高分子主链上液晶基元一般含有芳环和杂环结构，可用于制造高强度及高模量的高分子纤维和膜材料。
2 热致型主链液晶高分子
热致型液晶高分子的刚性结构即液晶基元在聚合物主链上，这些液晶基元多是芳烃和杂环结构的化合物。热致型液晶是指高分子在熔化成熔融态时分子的刚性链仍保持按一定规律排列。刚性分子热稳定性高，有利于高分子的有序排列，但若刚性太大，则很难使其在低于分解温度下熔化。热致型主链高分子液晶制得的材料制品，最大特点是机械性能好，拉伸强度高，热稳定性好，线性热膨胀系数小，适于制造精度高的制品。另外，这种液晶透气性低，有良好的抗水解和耐有机溶剂的能力。
5.2.2 侧链型液晶高分子
侧链型液晶高分子是刚性液晶基元位于大分子侧链的高分子，又称梳形液晶高分子。其性质在较大程度上取决于支链液晶基元，受聚合物主链性质的影响较小。液晶基元基本上保持其在小分子时作为液晶基元的尺寸，主链结构的变化对其影响较小，同样，侧链型液晶高分子也可以分为溶致型和热致型两类。但是目前按热致和溶致两类进行分类没有什么意义，而是按液晶基元的结构进行分类，即将侧链液晶高分子分成非双亲侧链液晶高分子和双亲侧链液晶高分子，非双亲侧链液晶高分子是聚合物与液晶基元组成的杂化系统，既具有聚合物的性质，又能较好地呈现小分子液晶基元的性质。正由于这种双重特征使其类似小分子液晶被用于光电转换、非线性光学和色谱。
5.3 功能高分子液晶材料
功能高分子液晶材料包括: 光学非线性高分子液晶，铁电性和反铁电性高分子液晶，光导高分子液晶，生物性高分子液晶和高分子液晶膜等。由于它们的特殊性能将会有非常广阔的重要应用前景。例如，吴壁耀等报道了具有肉桂酸酯侧链基的热熔型高分子液晶的光交联行为。指出在20 min紫外光照射的条件下，形成液晶相的液晶高分子膜的光交联凝胶百分率要明显高于尚未形成液晶的同种高分子膜。由于液晶高分子中介晶基元的聚集和有序排列形成的微区结构也影响了大分子链铡基肉桂酸酯的聚集状态，从而使其光化学性质发生了变化，可望用于光固化涂料的改性。任何一种材料的开发都必须有完善的理论作基础，都必须以满足社会的发展需要为根本目的，同样，高分子液晶也不例外。对于高分子液晶材料的开发，在继续加强以上四方面的研究外，还应加强如下几方面的研究开发工作。
(1) 加强高分子液晶的基础研究和应用基础研究工作从已报道的大量文献看，合成、表征及其性能测试方面的报道占主要地位，而理论方面探讨性文章较少，因此有必要加强诸如: 高分子液晶理论，液晶态结构，相变动力学与热力学，液晶共聚物的序列结构，高分子液晶的结构与功能关系，高分子液晶的分子设计等重要基础理论问题的研究。李敏等[ 6] 报道了一种新型高分子液晶的分子设
计方法，即，将分子间相互作用( 如分子间氢键、离子间相互作用及电荷转移相互作用等) 引入高分子液晶体系。其原理是通过分子间的复合而形成有序超分子聚集体。这种新型的高分子液晶体系具有高的热稳定性和高有序性，可望在导电材料等领域中得到应用。
(2) 发展热熔型高分子液晶结构材料，特别是共聚酯类的液晶自增强塑料可以按其热形温度的高低开发不同档次的液晶聚合物，以满足高科技领域、国民经济各部门和家用电器等不同层次的需要。
( 3) 发展高比强、高比模和耐高温的热熔型液晶高分子纤维，包括芳纶纤维和共聚酯纤维。
(4) 搞好配套项目的发展应加强为开发高分子液晶材料所必须的单体等原料的开发和高分子液晶成型加工技术及设备的研究，包括工程技术和应用开发等。
总之，随着高分子液晶的理论日臻完善，其应用也日益广泛，人们不仅开发了大量的高强、高模以及具有显示和信息存储功能的高分子液晶材料，同时还在不断探索在其它领域的应用。可以肯定，作为一门交叉学科，高分子液晶材料科学在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面的开发中必将发挥越来越重要的作用。__
5.4 展望
我国液晶高分子研究始于20 世纪70 年代初，1987 年在上海召开的第一届全国高分子液晶学术会议标志着我国高分子液晶的研究上了一个新的台阶。此后，全国高分子液晶态学术会议每两年召开一次，共召开了8 次。1994 年在北京召开IUPAL 国际液晶高分子会议，20 世纪80 年代周其凤等提出了新的甲壳型液晶高分子的概念并从化学合成和物理性质等角度给出了明确的结论，得到了国内学者的关注。而北京大学在该研究一直处于领先地位，已成功合成了上百个具有不同化学结构的甲壳型液晶高分子，并从不同的视角对其结构和性质开展了研究。
甲壳素及10 余种衍生物都有液晶性，已形成了天然高分子液晶中主要的一类。而且由于甲壳素的巨大蕴藏量和衍生途径的多样性，甲壳素类液晶的研究有着重要的科学价值，但目前深入的基础研究还很少，特别是国内的研究只是刚刚起步。除了进一步研究甲壳素液晶形成的结构因素和液晶结构的产生规律等液晶态基本问题外，还有以下几个方面值得关注: ①有使用价值的热致性甲壳素液晶的研制，含甲壳素液晶的复合材料的开发; ②研究衍生物结构与胆甾相螺距的关系，制备可控螺距范围是材料用于热色显示等; ③液晶膜在分离方面的应用; ④甲壳素在活体组织中的液晶行为。总之，随着高分子液晶的理论日臻完善，其应用日益广泛，人们不仅开发了大量的高强、高模以及具有显示和信息存储功能的高分子液晶材料，同时还在不断探索在其他领域的应用。可以肯定，作为一门交叉学科，高分子液晶材料科学必将在高性能结构材料、信息记录材料、功能膜及非线性光学材料等方面发挥越来越重要的作用。
6 高分子染料
6.1 概述
高分子染料是高分子材料与染料分子在分子水平上的结合，在具有染料色彩性、透明性的同时还具有高分子材料的可加工性等特性，是有发展前途的功能高分子材料。它是通过一定的化学反应将发色基团引入高分子的主链或侧链而形成的一类有色高分子化合物，这种结合方式赋予了高分子染料的双重功能:即高分子的高强度、易成膜性、耐溶剂性、耐迁移性和耐热性以及有机染料对光的选择吸收性和多彩性。本文拟综述高分子染料的分类、合成方法以及研究进展。
6.2 高分子染料的分类及合成方法
高分子染料可依据不同的方法进行分类。按聚合方式可分为加聚型和缩聚型等;按所连结的高分子单体的性质可分为苯乙烯类、聚丙烯酸酯类、有机硅类等。本文以染料发色体与高分子骨架的相对位置将高分子染料分为嵌段式高分子染料、垂挂式高分子染料以及金属络合高分子染料。高分子染料不同类型与合成方法间同时也存在着一定的联系。下文分别以不同类型的高分子染料介绍它们的合成方法。
6.2.1 嵌段式高分子染料
嵌段式高分子染料是一类发色体处于高分子骨架中的高分子染料，主要以单体聚合法为主，该法是通过发色体结构中带有的可聚合基团进行本体聚合或与其它单体共聚反应生成高分子染料，这种方法又包括加成聚合法和缩合聚合法两大类。加成聚合法是采用带有可聚合基团的发色体与其它单体或含有可聚合基团的高分子进行加成聚合制备高分子染料的方法。可反应的染料单体多含有丙烯酰基、腈丙烯基、乙烯基或乙烯砜基等不饱和基团。大量研究发现，由于染料结构中的一些如芳香醇类、胺类基团和硝基等很强的阻聚基团的存在，使得不饱和键的染料和乙烯、丙烯等单体的共聚反应相当困难。通常情况下，共聚法得到的高分子染料不改变该染料的最大吸收波长，而摩尔消光系数有所减小。到目前为止，国内外学者对这类反应进行了大量的研究。吴致宁等对乙烯砜型染料与丙烯腈的溶液共聚合反应合成高分子染料进行了研究，考察了单体组成对聚合物转化率、共聚组成和共聚物分子量的影响; Konstantinova 等研究了苯乙烯与一些石油馏分衍生物染料的加成聚合作用。
缩合聚合法制备高分子染料，通常使用分子中含有两个或两个以上的N H2 、OH、COOH 或CO2OR 基团的发色体参与缩合反应而最终获得产品。目前使用的缩合聚合工艺包括界面聚合和熔融反应两种，较少采用溶液聚合。庞孝铁等分别采用1 ，52二氯蒽醌、1 ，42二羟基蒽醌和乙醇胺反应生成染料单体，然后再用染料单体与对苯二甲酸二甲酯进行缩合聚合反应得到了含蒽醌发色基团的高分子染料;辛忠等应用PPP2MO 理论计算了多种缩合型偶氮类高分子染料单体的最大吸收波长;严宏宾等合成萘酰亚胺类高分子染料，此类染料具有强烈的荧光，可作为染料单体形成聚酯型高分子染料。与加成聚合法相比，缩合聚合法合成出的彩色高分子具有较好的耐日晒、耐漂洗和抗有机溶剂等性能，可用于纺织、原液着色、油漆、色母粒和光学材料中。
6.2.2 垂挂式高分子染料
垂挂式高分子染料主要是通过化学改性法将发色体接技到高分子链上去的。由聚合法合成高分子染料存在着各自的弊端，化学改性法合成高分子染料方法灵活易行，产品的性质可根据使用的发色体结构和用量进行控制，成为近年来研究的热点。化学改性法是利用高分子化合物中的反应性基团与染料分子中的活性基团进行化学反应生成高分子染料。含反应性基团的高分子化合物根据反应基团的性质，可分为亲电性高分子、亲核性高分子两种，对发色体也可以进行类似的分类，化学改性方法原则上分为下述两类:
Poly2E + Dye2N → Polymeric Dye
Poly2N + Dye2E → Polymeric Dye
式中，E 为亲电性基团，N 为亲核性基团。利用含亲核性基团的高分子与亲电性基团的染料合成高分子染料是较常用的方法。亲核性高分子结构中含有的基团可以是巯基、羟基、酰胺基、氨基等，因此聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、藻酸盐类、琼酯、壳聚糖等均可以作为亲核性高分子。化学改性时，由于空间位阻
等因素的影响，高分子化合物中只有少数官能团参与反应。高分子染料中高分子骨架上的取代基以及发色体都对其牢度、溶解性、吸附性、老化性能、电解质稳定性、热稳定性、p H 稳定性等产生影响。但当染料用量不太大时，基本上不影响高分子本身所具有的溶解性、可加工性等。张淑芬等采用聚丙烯酸作高分子骨架，并在高分子骨架的亚甲基上引入氨基，与对乙酰氨基苯磺酰氯进行磺酰胺化反应，重氮化后与2 - 萘酚- 6 磺酸偶合成高分子染料。Harvey 等使用琼脂糖、葡萄糖或丙烯酰胺聚合物作高分子骨架，与偶氮和蒽醌的一氯或二氯三嗪染料进行化学连接合成有色高分子。Copper 等曾采用各种化学改性方法合成高分子染料，如醋酸乙烯/ N2乙烯基吡咯烷酮缩水甘油醚共聚物与含12(N2正丙氨基) 氨基蒽醌进行化学反应合成高分子染料、聚丙烯酰氯与1 ，42二氨基蒽醌反应得到醇溶的有色聚丙烯酰氯。
6.2.3 金属络合高分子染料
金属络合高分子染料是采用配位聚合法得到的，配位聚合法是制备一系列有机金属络合聚合物的有效方法之一，它是通过金属原子配位将有机化合物交联。配位聚合得到的聚合物颜色，除与原色素结构有关外，主要取决于配位金属离子。不同的金属离子使得色泽差别很大，一般以深色为主。Kor shak 等采用锌、镍、钴、铜或锰原子与双2(82羟基喹啉) 甲烷及1 ，42二羟基蒽醌反应得到金属络合高分子染料。
6.3 高分子染料的应用
1973 年，Marechal= 等真正实现了无色高分子材料和染料分子的化学键结合，从此拉开了高分子染料研究的序幕。大量的科学研究发现高分子染料具有如下优点: (1) 可明显地改善了一般小分子染料易迁移的缺点，尤其是偶氮染料和蒽醌染料的耐迁移性大大提高; (2) 在溶剂中的溶解度较低，不易褪色; (3) 分子量极大，不能为细胞膜所透过，故不为生物体所吸收，对生物体无害; (4) 具有较高的熔点，耐热性大大提高。高分子染料的独特性能使得它在纤维着色、塑料加工、涂料工业、油墨生产、食品制造、化妆品、医药、感光材料等很多领域都具有广泛应用。
6.3.1 纤维着色
高分子染料的成功运用开辟了一个新时代，20世纪70 年代初，Gangneux=和Marechal 制备了一系列的聚酰胺和聚酯，并利用高分子染料在常规条件下对其进行着色，所得产品具有良好的机械性能和热稳定性，与以往添加颜料进行着色的纤维相比，色素不易被溶剂萃取，而且具有优异的耐洗和耐光牢度，通过纤维切片观察，具有很好的均匀度。
Champenois用含腈乙烯基的染料单体与苯乙烯、丙烯腈、氯乙烯、醋酸乙烯酯、甲基丙烯酰胺等单体进行共聚反应，合成制得的有色高聚物可直接进行纺丝加工，这种高聚物着色均匀、色泽鲜艳，并具有优良的牢度。另外，他还采用含丙烯酰胺、丙烯酸酯、丙烯腈基的染料单体与丙烯酰胺先在水溶液中进行短时间的预聚反应，然后再加入其他的聚合单体进一步聚合，由此获得的有色聚合物可直接用于制备腈纶。英国ICI 公司的Parton 采用含丙烯酸酯基的染料单体与甲基丙烯酸甲酯进行乳液聚合，将聚合得的高分子乳液用于棉和涤纶织物的印花和连续染色，加入叔丁基丙烯酸酯类的粘合剂，染色印花后的棉和涤纶织物具有优良的耐光牢度、耐洗牢度、耐热性能，手感也较好。Libert [29 ] 制备了高浓度的有色酰胺齐聚物用于锦纶66 的染色得到了满意的效果。Pape[ 30 ] 等采用萘二甲酰胺、喹吖啶酮、二噁嗪、苯甲酰咪唑等结构的缩聚型色素与对苯二甲酸(二乙酯) 和乙二醇体系共聚得到一系列用于纺丝