第八章 智能高分子材料第八章 智能高分子材料第八章 智能高分子材料第八章 智能高分子材料

主要内容主要内容 智能高分子材料概述

智能高分子凝胶

形状记忆高分子材料

展望

8.1 概述

智能材料

可以感知外部的刺激（传感功能），通过自我判断和自我结论（处理功能），实现自我指令的功能（执行功能）的材料

特点

具有感知功能：能够检测并识别外部的刺激强度，如光、电、热、应力、应变、化学等

具有驱动功能：能够响应外界变化能够按照设定的方式选择和控制响应反应灵敏、及时、恰当外部刺激消除后，迅速回到原状态

智能材料

智能金属材料

智能无机非金属材料

智能高分子材料

集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性的高分子材料

多水平结构层次 较弱的分子间作用力 侧链易引入官能团 便于分子设计和精细控制 质轻易涂覆

利于感知判断环境，实现环境响应

优点

智智能能高高分分子子材材料料的的分分类类及及应应用用

类别 性质 应用记忆功能高

分子材料对应力形状体积色泽等有记忆效应

医用材料、包装材料织物材料、热收缩管

智能纤维织物

聚乙二醇与纤维共混物；热适应性；可逆收缩性

服装保温系统、传感 / 执行系统、生物医用压力绷带

智能高分子凝胶

三维高分子网络与溶剂组成的体系；体积相转变

组织培养、环境工程化学机械系统、调光材料、智能药物释放体系

智能高分子复合材料

集成传感器、信息处理器和功能驱动器；多学科交叉产物

自愈合，自应变，自动修补混凝土；减震速造建筑材料；形状记忆合金与复合功能器件；压电材料

智能高分子膜

选择性渗透、选择性吸附和分离等；膜的组成、结构和形态的变化 -- 智能化

选择透过膜材、传感膜材、仿生膜材、人工肺

定义 体积相转变 刺激响应性与分类 制备 应用

8.2 智能高分子凝胶

1. 智能高分子凝胶定义三维高分子网络与溶剂组成的体系

含有亲溶剂性基团，可被溶剂溶胀

最大的特点 : 体积相转变

“ 软湿”材料，强度低，有特殊功能

水凝胶、有机凝胶

2. 智能高分子凝胶的体积相转变的体积相转变

内因： 范德华力、氢键、疏水作用及静电作用力 ---- 相互组合和竞争

溶胀相 收缩相

Robert, P. Advance in Colloid and Interface Sci , 2000 , 85 ,32 -33

外界环境变化

体积不连续变化

例如：在高分子凝胶中出现相转变，表现为网络的网孔增大、网络失去弹性、网络的体积急剧变化（可变化几百倍之多），甚至在三维网络结构中不再存在凝胶相。而且这些变化是可逆的和不连续的。

3. 智能高分子凝胶的刺激响应性与分类

温度响应性凝胶光响应性凝胶压力敏感性凝胶电场响应性凝胶

刺激响应性

刺激

化学、相分离、形状、表面、渗透性、机械强度、光、电

响应

分类物理刺激 化学刺激温度光压力电场

pH

生化盐浓度

4. 智能高分子凝胶的制备起始原料： 单体 ( 水溶或油溶单体 )

聚合物 ( 天然或合成聚合物 )

单体和聚合物的混合物两个前提 :

主链或侧链上带有大量的亲水基团 适当的交联网络结构

制备方法：

单体的交联聚合

接枝共聚

其它交联或转化等

引发剂

辐射引发

自由基均聚或共聚

智能凝胶

烯类单体共价连接 天然高分子（淀粉

纤维素）及衍生物

5. 智能高分子凝胶的应用 -- 调光材料 & 组织培养

高温白浊化

低温透明

调光材料溶胀收缩循环

组织培养细胞

温敏性高分子水凝胶聚异丙基丙烯酰胺PNIPAM 接枝到 PS 培养板形成薄膜， 37℃ ，疏水，能与细胞很好的结合； 20℃ ，凝胶表面变得亲水，细胞可自动的与凝胶表面脱离

R.,Yoshida. et al. Science and technology of Advanced materials, 2002, 3, 95-102

智能高分子凝胶的应用 -- 化学机械器件化学机械器件

Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)3)

循环提供的动力

自振动凝胶作成毛状传动装置

智能高分子凝胶的应用 -- 智能药物释放系统

释放机理

刺激响应脉冲释放 网孔的可控性

葡萄糖响应高分子配合物形成的胰岛素释放微囊

聚乙二醇

感知葡萄糖浓度 交换键合释放药物 患者的血糖浓度维持正常水平

　凝胶用于污泥脱水过程

智能高分子凝胶的应用 -- 环境工程溶胀收缩循环

智能高分子凝胶的应用—人工肌肉

利用高分子凝胶的溶胀，收缩，设计具有肌肉功能的装置，制成的机械手

智能高分子凝胶的应用—智能膜

智能型高分子的构象会因外部某种条件的微小变化而发生突变 ,而且这种变化可因外部条件变化的消失而消失。

可以设计制作各种截留分子量可调控分离膜。例如，将末端带二硫键的聚 L 谷氨酸接枝到聚碳酸酯膜的孔道结构中，利用这种大分子在 pH 低时构象收缩， pH 高时构象伸展调控膜的孔道大小。

高分子人造树胶质——聚丙烯酸。白色粉末，加水生成粘度低的酸性溶液，加碱中和可得澄明且稳定的凝胶。可用作优良的悬浮剂、稳定剂、乳化剂，高级化妆品的透明基质及药用辅料基质，也是最有效的水溶性增稠剂。

定义

反应过程

种类

应用

8.3 8.3 形状形状记忆高分子材料

记忆高分子材料应力记忆高分子材料形状记忆高分子材料体积记忆高分子材料色泽记忆高分子材料

利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交联后具有形状记忆效应

先决条件：高弹形变，分子构象

分类：热致感应型；光致感应型；电致感应型；化学感应型

形状记忆高分子材料

热致形状记忆反应过程反应过程

T. Ohki et al. Composites: Part A 35 1066 ,2004, 1065–1073

热致形状记忆高分子种类

聚烯烃类： 耐高温 耐腐蚀场合

聚酯类：耐热、耐化学药品 -医用

聚氨酯类：建筑 医学

热致形状记忆高分子的应用

医疗器材 -固定创伤部位的器材

加热安装冷却固定

加热脱下

医疗器材 -手术缝合线

A., Lendlein and R, Robert L. Science, 2002, 296, 1673-1676.

热致形状记忆高分子的应用

异径管接合材料 --- 热收缩管

包装材料

变形物的复原，如紧固铆钉等

热致形状记忆高分子的应用

8.4 8.4 展 望展 望 加快响应速率 仿生化

以细胞作为蓝本 , 向生物体的多重功能逼近、功能上接近甚 至超过生物体组织 模糊化

刺激响应性不限于一一对应 , 判断 --依次发挥调节功能