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1、浅谈智能高分子材料目前在新材料领域中，正在形成一门新的分支学科高分子智能材料，也有人称机敏材料。高分子智能材料是通过有机和合成的方法，使无生命的有机材料变得似乎有了“感觉”和“知觉”。这类材料在实际生活中已有了应用，并正在成为各国科技工作者的崭新研究课题，预计不远的将来，这些材料将进入到我们的生活中。 数千年来，人们建造的建筑物都是模拟动物的壳，天花板和墙壁都是密不透风，以便把建筑物内外隔开。科学家正在研制一种能自行调温调光的新型建筑材料，这种制品叫“云胶”，其成分是水和一种聚合物的混合物，这种聚合物的一部分是油质成分，在低温时这种油质成分把水分子以一种冰冻的方式聚集在这种聚合物纤维周围，就像
2、“一件冰茄克衫”，这种像绳子似的聚合物是成串排列起来的，呈透明状，可以透过90的光线。当它被加热时，这种聚合物分子就像“面条在沸水里”那样翻滚，并抛弃他们的像冰似的“冰茄克衫”，使聚合纤维得以聚合在一起，此事“云胶”有从清澈透明变成白色，可阻挡90的光。这一转变大部分情况下在两三度温差范围内就能完成，并且是可逆的。 建筑物如果具有像这样的“皮肤”，就可以适应周围的环境。当天气寒冷时，它就变成透明的让阳光照射进来。当天气暖和且必须把阳光挡住是，她就变得半透明。一个装有云胶的天窗，当太阳光从天空的一端移向另一端时，能提供比较恒定得进光量。充满云胶的多层玻璃，不仅可作天花板，而且可作墙壁。 德国著名
3、的化学康采思巴斯夫公司正在研制一种智能塑料，它可以按人们的需要时而变硬时而变软. 这种名为“施马蒂斯”的塑料是由这家公司的工程师舒勒发明的。他在烧杯中倒人一种乳白色流体，用一根金属棒搅拌，液体渐渐变稠，最后成为硬块，接着硬块又在顷刻之间变成液体。如果急速把金属棒从液体中抽出，那么液体就会象胶水一样把棒拉住，只有非常缓慢地提起，才能抽出金 属棒。据舒勒说，造成这种现象的原理是，这种塑料的溶剂是水，其微小的颗粒排列整齐时呈液体状，受到干扰时就呈固体状。因而人们可通过各种外因来变换它的物理状态。这种塑料能自行消除外来的撞击，特别适合于车辆的缓冲器,用这种塑料制成的油箱即使被坦克压过也不会破裂）用于建
4、房则抗震性能特强，如 果在桥梁钢架上套上一层用这种塑料制成的微型管道网，其中储存有防锈剂，一旦钢架生锈，管道会自行熔解，释放出防锈剂。以此制成的胶囊丸服用后，可到体内指定部位才释放出药物。 日本正在研制的用高分子聚碳酸酯与液晶结合而成的液晶膜或人工分离膜已在医药工业得到应用。比如，在医疗中，将薄膜做成胶囊状，把消炎剂放人里面，然后将胶囊埋入发炎部位，胶囊可依据患处发炎而引起的温度变化，及时释放出药剂，达到预期的治疗目的和治疗效果，在食品工业方面，利用人工膜可研制出“辨味机器人”的味觉感知器，并可改进或制造所需的各种食品成分，又如用薄膜技术可浓缩葡萄汁，提高匍葡酒的味质；可制造低盐分酱油，纯化果
5、汁，给食品着色等。这既可改进食品质量，增强人的食欲，又可扩大食品销售市场，堤高食品工业的经济效益。 把高分子材料和传感器结合起来，已成为智能材料的一个新的特点。意大利在研制有“感觉”功能的“智能皮肤”，已处于世界领先地位。1994年，意大利比萨大学工程专家德罗西根据人类皮肤有表皮和真皮（外层和内层）组织的特点，为机器人制造了一种由外层和内层构成的人造皮肤，这种皮肤不仅富有弹性，厚度也和真的皮肤差不多，为了使人造皮肤能“感知”物体表面的质感细节,德罗西的研究小组还研制了一种特殊的表皮，这种表皮由两层橡胶薄膜组成，然后在两层橡胶薄膜之间到处放置只有针尖大小的传感器，这些传感器是由压电陶瓷制成的，在
6、受到压力时，就产生电压，受压越大，产生的电压也就越大。据报道，德罗西制成的这种针尖大小的压电陶瓷传感器很灵敏，对纸张上凸起的斑点也能感觉到，铺上德罗西研制的人造皮的机器人，可以灵敏地感觉到一片胶纸脱离时产生的拉力，或灵敏地感觉到一个加了润滑剂的发动机轴承脱离时摩擦力突然变化的情况，迅速作出握紧反应。 美国的一些桥梁专家正在研究主动式智能材料，能使桥梁出现问题时自动加固；美国密执安大学则在研究一种能自动加固的直升飞机水平旋翼叶片，当叶片在飞行中遇到疾风作用而猛烈振荡时，分布在叶片中的微小液滴就会变成固体而自动加固;人们还研究一种住宅用的“智能墙纸”，当住宅中的洗衣机等机器产生噪音时，智能墙纸可以
7、使这种噪音减弱。 总之，高分子智能材料已成为材料科学的一个重要研究领域，各国科学家正在为此作不懈的努力。从人类发展的历史证明，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化，把人类物质文明和精神文明向前推进一步。可以肯定的说，终有一天各种各样实用的智能材料会大量出现在我们的面前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。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
8、,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。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
9、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
10、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
11、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
12、。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。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
13、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
14、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智能高分子是一类新型高分子材料，在遇热、遇光、遇电，甚至遇到磁场时会急剧膨胀或收缩。它能够膨胀到自身体积的1,000倍以上，然后恢复原状。要做到这一点的关键，是使它们在扩张力和收缩力之间保持一种极其微妙的平衡。在特定状态下，智能凝胶的分子结构可以呈排斥水分的状态；但轻松地弹一下，就转为亲水状态了。本创业者在智能高分子领域曾进行长期研究，提出了此类高分子体积随外界因素变化的数学模型，此模型经实际检验可较准
15、确预测智能高分子在不同环境下的状态和体积变化。利用此原理结和实际应用结合可以开发出许多具有特殊用途的高新技术产品。高性能隧道掘进材料是一类具有特殊用途与功能的高分子复合材料。其主要用途是为隧道掘进机的顺利推进提供必要的介质和条件。其功能包括密封、润滑、防水、防塌陷等。国内外虽已有该类产品，但还不能完全满足要求。本项目的关键是利用智能高分子和不同地质条件下的水质相互作用从而起到提高尾密封性能，实现顺利推进，减少事故的目的。企业的发展战略目标是成为全国领先的智能型高分子材料研究开发及生产机构，除开发系列地铁盾构机掘进材料外，还希望将智能高分子用于生物活性成分的控制释放领域，例如我们希望利用此类材料在酸性条件下收缩的特性将胰岛素包埋，使其顺利通过胃部器官，达到在肠道释放的目的，从而为口服胰岛素的开发提供可能；我们还希望将该技术应用于农业科技，开发价格合理，效果突出的控释肥料。
