1、第三节 功能高分子材料,概述 物理功能高分子材料 化学功能高分子材料 生物功能高分子材料 功能转换型高分子材料 其他功能高分子材料,1,概 述,功能高分子材料的含义： 除了力学功能、表面和界面功能及部分热学功能的高分子材料，主要包括物理功能、化学功能、生物功能和功能转换型高分子材料 分类: 按照功能来分类 1化学功能 2.物理功能 3.复合功能 4.生物、医用功能按照功能特性通常可分成以下几类 1.分离材料和化学功能材料 2.电磁功能高分子材料 3.光功能高分子材料 4.生物医用高分子材料,2,物理功能高分子材料,导电高分子材料 物质的导电性是由于物质内部的载流子（带电粒子）的移动引起的 电导
2、率：单位截面积、单位长度电阻的倒数 根据物质的电导率可把材料分为四类： （1）导体：102106/ -1 cm-1 （2）半导体： 10-10102/ -1 cm-1,3,（3）绝缘体： 10-10/ -1 cm-1 （4）超导体：在一定温度下具有零电阻超导电现象的材料,导电高分子材料,结构型,填充型,共轭高分子材料,电荷转移高分子材料,有机金属高分子材料,高分子电解质,在高分子材料中添加导电性物质如金属、石墨后具有导电性,4,化学功能高分子材料,高分子试剂和高分子催化剂 高分子试剂是通过官能基化把有机合成反应中的试剂或反应底物键合到高分子链上，并用该高分子支载的试剂或反应底物进行有机化学反应
3、,5,分类： （1）高分子支载的反应底物 将反应底物通过化学反应结合到高分子载体上得到高分子支载的底物，然后与小分子试剂反应得到高分子支载的产物 （2）高分子支载的小分子试剂 根据用途，分为以下几类： 氧化还原试剂：醌型、硫醇型、吡啶型、聚合三茂铁型和聚合多核杂芳环型,6,氧化试剂：聚苯乙烯过氧酸、高分子硒 还原试剂：聚苯乙烯金属锂化合物、聚苯乙烯磺酸肼 卤代试剂：二卤化磷型、N-卤化亚胺型和三价碘型 酰基化试剂：高分子活性酯、高分子酸酐 烷基化试剂：硫甲基锂型、高分子金属络合物和叠氮型 亲核试剂：,7,高分子催化剂：是将具有催化活性的功能基或小分子通过共价键、配位键或离子键结合到高分子载体上
4、形成的固体催化剂 作用是降低化学反应的活化能加快反应速度 主要有四类： （1）离子交换树脂 即高分子酸碱催化剂，在化学反应中取代小分子酸碱进行应用,8,（2）高分子金属催化剂 高分子负载催化剂：将具有催化作用的金属物质以物理方式固定到高分子链上得到的高分子金属催化剂 高分子键合催化剂：将具有催化作用的金属物质以化学键和的方式固定到高分子链上得到的高分子金属催化剂 树枝高分子催化剂：将具有催化作用的金属物质引入到树枝高分子的表面、支化单元或芯上得到的高分子金属催化剂,9,（3）有机-水相催化剂 指在反应中能与阴离子形成离子对或与阳离子形成络合物，从而增加这些离子化合物在有机相的溶解度使反应速度提
5、高的催化剂 含亲酯性的季铵盐、磷鎓盐、非离子型的冠醚类 （4）手性催化剂 合成手性化合物用的催化剂,10,医用高分子材料,医用高分子材料 生命科学是21世纪备受关注的新型学科，而与人类健康休戚相关的医学在生命科学中占有相当重要的地位。 医用材料是生物医学的分支之一，是由生物、医学、化学和材料等学科交叉形成的边缘学科。,11,医用高分子材料则是生物医用材料中的重要组成部分，主要用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断检查、患疾治疗等医疗领域。 众所周知，生物体是有机高分子存在的最基本形式，有机高分子是生命的基础。动物体与植物体组成中最重要的物质蛋白质、肌肉、纤维素、淀粉、生物酶和果胶等都是高分子化
6、合物。,12,因此，可以说，生物界是天然高分子的巨大产地。高分子化合物在生物界的普遍存在，决定了它们在医学领域中的特殊地位。在各种材料中，高分子材料的分子结构、化学组成和理化性质与生物体组织最为接近，因此最有可能用作医用材料。 医用高分子材料发展的动力来自医学领域的客观需求。,13,医用高分子作为一门边缘学科，融和了高分子化学、高分子物理、生物化学、合成材料工艺学、病理学、药理学、解剖学和临床医学等多方面的知识，还涉及许多工程学问题，如各种医疗器械的设计、制造等。上述学科的相互交融、相互渗透，促使医用高分子材料的品种越来越丰富，性能越来越完善，功能越来越齐全。,14,对医用高分子材料的基本要求
7、医用高分子材料是一类特殊用途的材料。它们在使用过程中，常需与生物肌体、血液、体液等接触，有些还须长期植入体内。由于医用高分子与人们的健康密切相关，因此对进入临床使用阶段的医用高分子材料具有严格的要求，要求有十分优良的特性。归纳起来，一个具备了以下七个方面性能的材料，可以考虑用作医用材料。,15,（1）化学隋性，不会因与体液接触而发生反应人体环境对高分子材料主要有以下一些影响：1)体液引起聚合物的降解、交联和相变化；2)体内的自由基引起材料的氧化降解反应；3)生物酶引起的聚合物分解反应；4)在体液作用下材料中添加剂的溶出；5)血液、体液中的类脂质、类固醇及脂肪等物质渗入高分子材料，使材料增塑，强
8、度下降。,16,（2）对人体组织不会引起炎症或异物反应有些高分子材料本身对人体有害，不能用作医 用材料。而有些高分子材料本身对人体组织并无不 良影响，但在合成、加工过程中不可避免地会残留 一些单体，或使用一些添加剂。当材料植入人体以 后，这些单体和添加剂会慢慢从内部迁移到表面， 从而对周围组织发生作用，引起炎症或组织畸变， 严重的可引起全身性反应。,17,（3）不会致癌根据现代医学理论认为，人体致癌的原因是由于正常细胞发生了变异。当这些变异细胞以极其迅速的速度增长并扩散时，就形成了癌。而引起细胞变异的因素是多方面的，有化学因素、物理因素，也有病毒引起的原因。,18,当医用高分子材料植入人体后，
9、高分子材料本身的性质，如化学组成、交联度、相对分子质量及其分布、分子链构象、聚集态结构、高分子材料中所含的杂质、残留单体、添加剂都可能与致癌因素有关。但研究表明，在排除了小分子渗出物的影响之外，与其他材料相比，高分子材料本身并没有比其他材料更多的致癌可能性。,19,（4）具有良好的血液相容性当高分子材料用于人工脏器植入人体后，必然 要长时间与体内的血液接触。因此，医用高分子对 血液的相容性是所有性能中最重要的。高分子材料的血液相容性问题是一个十分活跃 的研究课题，但至今尚未制得一种能完全抗血栓的 高分子材料。这一问题的彻底解决，还有待于各国 科学家的共同努力。,20,（5）长期植入体内不会减小
10、机械强度许多人工脏器一旦植入体内，将长期存留，有 些甚至伴随人们的一生。因此，要求植入体内的高 分子材料在极其复杂的人体环境中，不会很快失去 原有的机械强度。事实上，在长期的使用过程中，高分子材料受 到各种因素的影响，其性能不可能永远保持不变。 我们仅希望变化尽可能少一些，或者说寿命尽可能 长一些。,21,（6）能经受必要的清洁消毒措施而不产生变性高分子材料在植入体内之前，都要经过严格的灭菌消毒。目前灭菌处理一般有三种方法：蒸汽灭菌、化学灭菌、射线灭菌。国内大多采用前两种方法。因此在选择材料时，要考虑能否耐受得了。,22,（7）易于加工成需要的复杂形状人工脏器往往具有很复杂的形状，因此，用于
11、人工脏器的高分子材料应具有优良的成型性能。否 则，即使各项性能都满足医用高分子的要求，却无 法加工成所需的形状，则仍然是无法应用的。此外还要防止在医用高分子材料生产、加工工 程中引入对人体有害的物质。应严格控制原料的纯 度。加工助剂必须符合医用标准。生产环境应当具 有适宜的洁净级别，符合国家有关标准。,23,医用高分子材料的分类,1）按照生物医学用途分类 硬组织相容性高分子材料 软组织相容性高分子材料 血液相容性高分子材料 高分子药物,24,2）按照性能分类 生物可降解型高分子材料 生物非降解型高分子材料 3）按照使用性能分类 植入性高分子材料 非植入性高分子材料,25,生物可降解医用高分子材
12、料,生物可降解医用高分子材料是指能在生物体内生理环境中逐步降解或溶解并被机体吸收代谢的高分子材料 高分子材料在体内最常见的降解反应为水解反应，包括酶催化水解和非酶催化水解。 能够通过酶专一性反应降解的高分子称为酶催化降解高分子；而通过与水或体液接触发生水解的高分子称为非酶催化降解高分子。,26,从严格意义上讲，只有酶催化降解才称得上生物降解，但在实际应用中将这两种降解统称为生物降解。 高分子材料在中性水介质中的降解难易顺序：聚酸酐、聚原酸酯、聚羧酸酯、聚氨酯、聚碳酸酯、聚醚、聚烯烃 常用的有：聚羟基乙酸、聚乳酸、聚羟基丁酸酯、聚己内酯、聚酸酐、聚磷腈、聚氨基酸、聚氧化乙烯,27,组织器官替代的
13、高分子材料,胶原是人体组织中最基本的蛋白质类物质，至今已经鉴别出13种胶原，其中 IIII、V和 XI 型胶原为成纤维胶原。I 型胶原在动物体内含量最多，已被广泛应用于生物医用材料和生化试剂。牛和猪的肌腱、生皮、骨骼是生产胶原的主要原料。 由各种物种和肌体组织制备的胶原差异很小。最基本的胶原结构为由三条分子量大约为1105的肽链组成的三股螺旋绳状结构，直径为11.5nm，长约300nm，每条肽链都具有左手螺旋二级结构。,28,胶原分子的两端存在两个小的短链肽，称为端肽，不参与三股螺旋绳状结构。研究证明，端肽是免疫原性识别点，可通过酶解将其除去。除去端肽的胶原称为不全胶原，可用作生物医学材料。
14、高分子材料作为组织替代材料是组织工程的重要任务。 作为替代材料需要考虑的因素： 在材料方面：力学性能、表面性能、孔度、降解速度和加工成型性 在生物学和医学方面：生物活性和生物相容性、如何与血管连接、营养、生长因子、细胞黏合性和免疫性,29,高分子药物,这类高分子包括大分子化学药物和药物高分子。前者是指将传统的小分子药物大分子化，如聚青霉素；后者则指本身就有药理功能的高分子，如阴离子聚合物型的干扰素诱发剂。,30,功能转换型功能高分子材料,智能高分子材料 智能材料是集功能材料、复合材料和仿生材料为一身的新材料 具有以下特征： （1）传感功能 （2）反馈功能 （3）识别和处理功能,31,（4）响应
15、功能 （5）自诊断功能 （6）自修复功能 （7）自适应功能 智能材料分为：智能金属材料、智能陶瓷材料、智能高分子材料、智能复合材料 智能高分子材料主要有：形状记忆树脂、智能凝胶、智能包装膜等,32,其他功能高分子材料,树枝聚合物,33,树枝聚合物的分类:,34,树枝体的组成：芯、支化单元、表面,树枝聚合物具有高支化的三维分级结构和纳米尺寸，因此具有独特的光、电、热、力学和流变性能 （P294，表7-14）,35,树枝聚合物的功能化设计,36,树枝聚合物的形状,37,树枝聚合物的合成：,38,根据结构和功能，树枝聚合物的分类：,39,重要性,高分子材料是材料领域中的新秀，它的出现带来了材料领域中
16、的重大变革。目前高分子材料在尖端技术、国防建设和国民经济各个领域得到广泛应用，已成为现代社会生活中衣、食、住、行、用各个方面所不可缺少的材料。高分子材料由于原料来源丰富，制造方便，品种繁多，用途广泛，因此在材料领域中的地位日益突出，增长最快，产量相当于金属、木材和水泥的总和。高分子材料不仅为工农业生产及人们的日常生活提供不可缺少的材料，而且为发展高新技术提供更多更有效的高性能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料。,40,发展历史,高分子材料的发展大致经历了三个时期 天然高分子的利用与加工 天然高分子的改性和合成 高分子的工业生产(高分子科学的建立)。,41,发展趋势,高分子材料的
17、发展总趋势是提高性能，发展功能。但总的来说，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。,42,1高性能化,为了满足航空和航天、电子信息、汽车工业、家用电器等多方面技术领域的需要，要求材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等性能进一步提高。 因此高性能材料的开发和研究是高分子材料科学近年来发展的一个主要方面。,43,2高功能化,功能高分子是高分子材料科学中充满活力的新领域，目前虽处于发展的初期，但正十分广泛而活跃地进行研究、开发、创新，并且已在深度和广度上取得进展，出现了一大批各种各样的高功能高分子材料。 主要包括电磁功能高分子材料，光学功能高分子材料，物质传输
18、、分离功能高分子材料，催化功能高分子材料，生物功能高分子材料和力学功能高分子材料等。,44,3复合化,复合材料可以克服单一材料的缺点，发挥各自组成材料的优点，扩大材料的应用范围，提高材料的经济效益。复合材料是材料的发展方向。复合材料与高分子材料紧密相关。 高分子树脂是结构复合材料的最主要的基体材料，许多高性能的增强材料也是由高分子材料所构成。,45,4.精细化,近年来电子信息技术迅猛发展，这就要求所用的原材料及采用的加工工艺技术，进一步向高纯化、超净化、精细化、功能化方向发展。,46,5智能化,材料智能化是一项富有挑战性的重大课题。智能材料是使材料本身带有所具有的高级功能，例如具有预知预告、自我诊断、自我修复、自我增值、认识和识别能力、刺激反应性、环境应答性等种种特性，对环境条件的变化能做出合乎要求的答应。,47,高分子材料的历史与其发展趋势使然，注定其必将在未来的世界里得到不断的创新和利用。高分子材料性能上的独特优越性也将会得到不断的巩固和提高，相信在不久的将来，高分子材料的研究领域将会更加的活跃和繁荣。,48,
