高分子功能材料

第11讲　高分子功能材料

1970年，日本化学家白川英树教授的一个朝鲜籍研究生正在按照导师的指示进行乙炔的聚合实验。这个研究生的日语不太好，他把导师要求的催化剂浓度听错了，实验用的催化剂浓度比以往大了近100倍，然而这一错误竟然导致了奇迹——世界上第一张聚乙炔薄膜诞生了。随后，科学家们对聚乙炔的性能展开了全面的研究，结果表明：聚乙炔不像一般的高分子材料那样是良好的绝缘材料，它的性能中最突出的是导电性能。这一特性使得聚乙炔一下子成了材料科学家的“宠儿”。

目前，从事导电高分子材料研究的科学家们都充满信心，一致认为21世纪导电高分子材料研究将有突破性的进展。

导电高分子材料

近年来高分子材料发展迅速，由于它具有质轻、耐蚀、美观等优点，在各个应用领域就可与传统的金属材料展开竞争。在我们的衣、食、住、行各方面可说是无处不见，无孔不入。但是高分子材料的绝缘特性引起的静电积聚、电磁波干扰等问题却给人们生产和生活带来了危害，如用塑料传送带输送煤炭引起过火灾和爆炸；油船因保温泡沫塑料带静电引起失火；仪器、电视机等因外部电磁波的干扰，引起仪器误动作、图像失真等。导电高分子材料就是为解决这些问题而发展起来的一种功能高分子材料。

高分子材料

高分子是一种由许许多多原子通过共价键连接而成的分子量很大的化合物。如果把一般的小分子化合物看作“点”分子，则高分子恰似“一条链”或“一串珠子”。从人类及动植物本身的构成到人们的日常衣、食、住、行，从古代文明到现代高科技产品的发展，高分子材料无处不在。

人工合成的高分子材料主要包括塑料、合成纤维和合成橡胶三大类。它们加上不断涌现出的许多功能高分子材料，已形成了一个庞大的高分子材料家族。

导电高分子材料所导通的电流，不完全是指我们生活与生产中常见的220伏的交流电，它还包括弱电、静电、电磁波等。对它的导电性也不能完全与金属材料相比。金属材料的电导率一般在10⁵西/厘米以上，而导电高分子材料则因应用对象不同有一个较宽的范围，一般电导率低于10^-10西/厘米被认为属于绝缘材料，高于此值则属于导电高分子材料。

导电高分子材料可分两大类：一类高分子材料由于本身结构特性具有导电功能，称为结构型导电高分子材料；另一类高分子材料本身不具导电性，而在加工成型过程中掺入导电性良好的填充物（如炭黑、石墨和银、铝、铜这类金属粉末），而使制品具有导电性，称为复合型导电高分子材料。

导电高分子膜片

复合型导电高分子材料的导电性可在材料成型前加入，电导率可根据用途在较宽范围（10^-10~10³西/厘米）内调节。这种材料成本低，加工性好，已获得了较广的应用。如用作煤矿中使用的运输带、塑料管道、电子设备外壳；在家用电器如电话、电视机、风扇塑料件中添加抗静电剂可以减少灰尘吸附。炭黑填充型导电高分子材料的电导率可在10^-8～1西/厘米之间调节，可用作集成电路生产车间的地板、桌垫，操作人员手套、鞋底；可作为低温发热体用于地板保暖，防寒衣、靴，管道防冻，电话线路、保安器等。金属填充型导电高分子材料的电导率为1～10³西/厘米，主要用于作电磁波屏蔽。电子仪器、某些家用电器，在使用中都会产生电磁波，它们在大气中传播，会侵入其他电子设备，产生干扰，使其他设备误动作，引起图像、声音失真等。为了防止电磁波的扩散和侵入，采用这类导电高分子材料来制造机壳或屏蔽罩。

结构型导电高分子材料发展较迟。1958年，意大利著名化学家、诺贝尔化学奖获得者纳塔首先合成了黑色粉状的聚乙炔，后来日本科学家白川英树经过10年的努力，才制出了一张聚乙炔膜，其电导率为10^-10西/厘米，比一般高分子材料的电导率提高了1000倍以上。1977年，白川英树与美国物理学家麦克第阿密特合作，用碘对白川英树制成的聚乙炔膜掺杂后，其电导率达到了10³西/厘米，被公认为是第一个结构型导电高分子材料。1987年，经德国的纳尔曼改进，其电导率进一步提高到1.5×10⁵西/厘米，已接近铜在室温下的电导率5.5×10⁵西/厘米。当初研究导电高分子材料是企图用以替代铜、铝，做成各类电器元件、导线等。目前从加工性能、成本等方面来衡量还没有理想的材料，但在某些领域则已显示出其诱人的应用前景，如作为蓄电池电板材料，因其密度较铅电极低，其单位质量的蓄电能量大大高于铅（酸）蓄电池，可为电动汽车提供理想的动力源。另外，其吸收光谱与太阳光谱相近，因此也可作为有机太阳能电池材料。

塑　料　王

在塑料大家庭中，有一种塑料具有极为突出的化学稳定性，即使在高温下与强酸、强碱、强氧化剂等也不起反应；可在-195～250℃的温度范围内长期使用，既耐高温又耐极寒；集众多优异性能于一身，这是其他塑料所不具备的，这就是“塑料王”——聚四氟乙烯。

氟原子一旦和碳原子结合，就结合得十分牢固，不易破坏。同时氟原子的大小刚好能在碳原子的表面形成一道“保护墙”，防止碳链受到外来能量的破坏。用其制成的管道、阀门等化工设备，使用寿命长，可靠性高；利用它的耐磨、自润滑性能，制成的人工关节比不锈钢更轻，使用寿命长，给残疾人带来了福音；塑料王也逐渐走进了我们的日常生活，用它制成的不粘锅给家庭主妇带来了便利。

电阻式触摸屏使用了导电高分子材料

高分子分离膜

淡水对人类生存的重要性不言而喻，不幸的是虽然地球表面70.8%被水覆盖，但其中仅有0.64%的水是可以利用的淡水。随着工业化的进展，淡水河、湖的污染日趋严重，更加深了人类的淡水危机。面对着浩瀚无际的海水，人们难道只能望洋兴叹吗?

为解决人类的淡水危机，海水淡化日益受到重视。海水淡化的方法虽然有多种，但能耗最少的一种要数反渗透法。反渗透法的关键材料是高分子反渗透膜，水分子能通过反渗透膜迁移，而溶质原子或分子则不能通过。反渗透的过程是：当膜的两侧分置纯水和溶液时，水分子将从纯水侧向溶液迁移，即两侧有使溶液浓度趋向一致的自发趋势。但只有在溶液加压并压力超过渗透压时，水分子才从溶液通过膜向纯水中迁移，由于水分子的迁移方向与自发渗透方向相反，故称为反渗透。

人工肾脏使用了高分子分离膜

高分子分离膜也可用于钢铁冶炼

已被工业应用的分离膜材料有醋酸纤维素、聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺等。典型的反渗透膜由活性层、粗孔层和增强层等组成，其关键部分为很薄的活性层，它允许水分子通过而不允许杂质或溶质原子通过。粗孔层和增强层则是为了让膜形成一定厚度和强度，在压力下不致破裂。活性层做得很薄，则是为了缩短水分子迁移路程，提高膜的渗透效率。

分离膜不仅可用作海水淡化，同样也可以用作淡水的净化。生产纯净水的有些厂家就应用了反渗透法来处理水，使它达到饮用水的标准。高分子分离膜的一个重要应用就是在医学上被用作人工器官。如人工肾脏，可过滤体内产生的尿素并将其排出体外，维持体液平衡。高分子分离膜的另一个应用领域就是用于气体分离，它是利用不同气体透过膜的速度不同而实现气体分离的，如用于空气分离，可获得富氧空气，用于医疗、钢铁冶炼等。

吸　水　树　脂

在一般人的概念中，塑料、树脂是不吸水的，所以可以做盛水容器、输水管道。但在树脂家族中却偏偏出了个“叛逆者”，它不但能吸水，而且其吸水能力大得惊人。一杯水中放入米粒大一颗吸水树脂，它就可将整杯水吸干。吸水树脂不但可以吸水，在受热后又能缓缓释放水分，而且这个过程是可逆的、能反复进行。吸水树脂的这一特性为人类与沙漠和干旱斗争提供了有力的武器。科学家们设想，如果在沙漠地区的土地中放置吸水树脂，将能保存水分，不蒸发而为树木采用，这样，沙漠将逐步被改造成绿洲。

除了在改造自然上显身手，吸水树脂在建筑上可用作防水材料，如在橡胶中加入吸水树脂堵漏，一旦漏水，橡胶就吸水膨胀，将泄漏处堵死；在生活上可做婴儿、病人的自干性尿布。

除了选择性分离功能膜外，还有能将光能转换成电能、光能转换成化学能等的能量转换功能膜。据报道，日本已试验成一种高分子膜，可利用太阳能使水分解获得氢，一旦该技术成熟，则将为利用太阳能开辟新的途径。

医用高分子材料

人工心脏

由于工业技术的发展，人类已创造出了数以万计的各种机械、电子产品，并能对其中任何零部件进行修复和置换，但人类对自身的零件即各类人体器官的更新问题却没有很好地解决。问题的难点是人体对植入器官的材料要求十分苛刻，它要有高的化学稳定性，不能因血液、体液产生腐蚀；要有良好的组织相容性，不能与人体产生排斥反应；要有耐生物老化性，在体内几十年性能不能有明显降低；要有无毒、无致癌性，不能因植入而引起其他疾病。有机高分子材料与人体组织最相近，因此是人工器官用得最多的一类材料。在中国宝贵的医学遗产中就有“柳枝接骨”技术，利用天然高分子材料柳枝，加速骨折愈合，收到了很好的疗效。目前已用作医用高分子材料的有聚四氟乙烯、尼龙、硅橡胶、聚氨酯橡胶、涤纶等。用以制作的人工器官有人工心脏、人工心脏瓣膜、人工血管、人工膀胱、人工肌腱、人工关节等。目前全世界有数百万人靠人工器官维持生命。

我国在这方面也颇有成就，已研制出多种医用高分子材料，用以制作人工肾脏、人工血液等。由上海橡胶制品研究所和有关医院协作研制的硅橡胶心脏瓣膜，早已成功地植入人体，而且，植入人工心脏瓣膜的病人能有一定的存活期。由中国科学院上海有机化学研究所和第三军医大学研制成功的人工血液，经临床使用，其效果达到国际水平。人工血液不受血型限制，特别适用于战场急救等场合。可以说除了人脑目前尚无法人工制造，其他各种人体器官均可人工修复。随着科技与医学的发展，其功能将更加完善，使用年限也将会更加长。

光导高分子材料成为复印机的关键材料

光功能高分子材料

光功能高分子是指在光的作用下能发生特殊化学和物理变化的聚合物，它在高分子功能材料领域中占有十分重要的地位。

利用它的光选择反射及选择透过性能，可制备各种防伪材料，用于各种文件、证件和票券的防伪。如化妆品、饮料、药品瓶子包装的防伪。利用它的光化学反应，可以开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料及黏合剂。利用它的能量转换特性，可制成光导高分子材料和光致变色材料。由于光导高分子材料在光照时能引起电阻率的明显下降，它已成为复印机、激光打印机中的关键材料。利用它的折光率随机械应力变化的特性，还可开发出光弹材料，用于研究力结构材料内部的应力分布等。

学习活动

1.我们所用的饮用水的净化方法有哪些?试比较它们的优缺点。

2.去医院作实地考察，有哪些医用高分子材料制品在医院中得到广泛应用?

3.在日常生活中有哪些现象是由于电磁波干扰所引起的?