高分子材料智能化应用前景有哪些问答题

高分子材料智能化应用前景有哪些问答题
高分子材料智能化应用前景有哪些
问答题

高分子材料智能化应用前景有哪些问答题
智能高分子材料
1．概述
材料的智能性是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识地调节、修饰和修复[i].智能高分子材料的品种多,范围广,智能凝胶、智能膜、智能纤维和智能粘合剂等均属于智能高分子材料的范畴.由于高分子材料与具有传感、处理和执行功能的生物体有着极其相似的化学结构,较适合制造智能材料并组成系统, 向生物体功能逼近, 因此其研究和开发尤其受到关注.其主要分类及应用如下所示：[ii]


2．应用举例
对其中两类智能高分子材料的基本原理和应用进行说明.

2.1具有形状记忆功能的高分子材料
形状记忆高分子就是在一定条件下被赋予一定智能高分子材料的形状(起始态),当外部条件发生变化时,它可相应地改变形状,并将其固定(变形态) .如果外部环境发生变化, 智能高分子材料能够对环境刺激产生应答,其中环境刺激因素有温度、p H 值、离子、电场、溶剂、反以待定的方式和规律再一次发生变化,它便可逆地应物、光或紫外线、应力、识别和磁场等,对这些刺激恢复至起始态.至此,完成记忆起始态固定变形态恢复起始态的循环.
产生有效响应的智能高分子材料和自身性质如相、高分子材料的形态记忆功能由其特殊的内部结构所决定.在其内部存在着互相结合成网状的架桥,架桥的存在使高分子链间不发生滑动.把它加热到高于Tg 温度使之变形后,再冷却至室温,由于高分子链运动变形使之保持一定状态.再重新加热到Tg 以上温度,残留的翘棱被释放出来,恢复到原来架桥出现时的状态.
此外,由于高分子材料的这种形状记忆智能,可制成热收缩管、容器外包及衬里等,也可用于医用器材和航空设备上.将形状记忆高分子材料加热软化成管状,趁热向其内部插入直径比该管内径大的棒状物,得到的制品为热收缩管,使用时将此管套在需要包覆或连接的物体上.用加热器将膨胀的管加热到初始状态,紧紧包覆在被包物体上.热收缩管主要用于仪器内线路集合、线路终端的绝缘保护,通讯电缆的接头防水以及钢管线路接合处的防腐工程.在医用器材上,应用形状记忆树脂来固定创伤部位可以代替传统的石膏绷扎.还可使用具有生物降解性的形状记忆高分子材料作医用组合缝合器材、血管阻塞防止器、止血钳等.在航空上,被用作机翼的振动控制.

2.2刺激应答性高分子凝胶
水溶性高分子经交联或与疏水单体共聚可形成水凝胶.刺激响应性高分子凝胶是结构、物理性质、化学性质可随外界环境而变化的凝胶,当这种凝胶受到环境刺激时就会随之响应,即当溶液的组成、pH值、离子强度、温度、光强、电场等刺激信号发生变化时,或受到特异的化学物质刺激时,凝胶就会发生突变,呈现相转变行为,这种响应体现了凝胶的智能性.
高分子凝胶由三维高分子网络与溶剂组成,其网络的交联结构使之不溶解而保持一定的形状,而凝胶结构中的亲溶剂性基团使它可被溶剂溶胀而达到一平衡体积.当外部环境的pH值、离子强度、温度、光照、电场和化学物质变化时,凝胶的体积也会相应地变化,有时出现相转变; 网孔增大、网络失去弹性、凝胶相区不复存在、体积急剧膨胀(数百倍变化) 等,并且这种变化是可逆的、不连续的.高分子凝胶能随环境刺激因子变化而发生相转变的内因是体系内存在的几种相互作用力,即范德华力、氢键、疏水相互作用力及静电作用力.由于这些力的相互组合和竞争使凝胶溶胀或收缩,因而产生体积相转变[iii].高分子凝胶的膨胀-收缩循环可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料；循环提供的动力可以用来设计“化学发动机”; 网孔的可控性适用于智能药物释放体系.由于凝胶的体积变化是不连续的和可以预测的,凝胶可作为记忆元件和开发的新型材料.
Heller 等以聚( 甲基乙烯醚-共-马来酸酐) (PMVEMA) 为载体材料设计了如图1 所示装置[iv]:
图1 载体材料设计图
外层为包埋有脲酶的水凝胶,内层为包埋有药物的PMVEMA .外界脲浓度增大时, 系统p H 值升高,PMVEMA 逐渐溶解而使药物释放.
2.3智能织物[v]
将聚乙二醇与各种纤维（如棉、聚酯或聚酰胺聚氨酯）共混物结合,使其具有热适应性与可逆收缩性.所谓热适应性是赋予材料热记忆特性,温度升高时纤维吸热,温度降低时纤维放
热,此热记忆特性源于结合在纤维上的相邻多元醇螺旋结构间的氢键相互作用.温度升高时,氢键解离,系统趋于无序状态,线团弛豫过程吸热.当环境温度降低时,氢键使系统变为有序状态,线团被压缩而放热.这种热适应织物可用于服装和保温系统,包括体温调节和烧伤治疗的生物医学制品及农作物防冻系统等领域.
此类织物的另一功能是可逆收缩,即湿时收缩,干时恢复至原始尺寸,湿态收缩率达到可用于传感执行系统、微型发动机及生物医用压力与压缩装置,如压力绷带,它在血液中收缩
在伤口上所产生的压力有止血作用,绷带干燥时压力消除.
当前,分子纳米技术与计算机、检测器、微米或纳米化机器的结合,又使织物的智能化水平得到了进一步提高.自动清洁织物和自动修补的织物等更加引起人们的关注.

3．结语
目前,我国智能高分子材料的研究与开发存在着不足,与世界先进水平相比尚有相当大的差距,影响了我国信息、航天、航空、能源、建筑材料、航海、船舶、军事等诸多部门的发展,有时甚至成为制约某些部门发展的关键因素.国外智能高分子材料正处于研究开发阶段,各发达国家都对其相当重视.我们可以看到,世纪智能高分子材料会被更加广泛的应用,从而引导材料学的发展方向.