功能高分子材料

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功能高分子材料

  功能材料主要包括功能高分子材料,跟能源有关的材料,具有生理机能和生物活性的材料,以及具有“感觉”和“记忆”功能的材料。这些材料不是利用它们的机械强度来作设备或器物,而是利用它们的物理和化学的特殊性能,如光电效应、生理机能、催化活性、记忆功能等。高分子材料是功能材料的主要部分。

  (1)医用功能高分子材料

  用人造材料来再造人体的组织和器官,用以替换已经坏死或不能正常工作的器官,从而治愈各种疾病,是几百年来人类梦寐以求的愿望。要实现这个愿望有许多难题:首先,这类材料植入人体后,长期处于酸碱体液中,再加上体内酶的影响,材料的物理、化学性质容易发生变化,这要求材料具有高度的稳定性。其次,材料要具有一定的生理性能,在体内不致发生排异作用,不致引起过敏反应,如组织变态、发炎、凝血、致癌等副作用。经过多年研究,这方面已取得重大进展,人造血、人造皮肤、人造心脏等已经开始用于临床。

  氟碳乳液是一种人造血液,代号FC,它性能稳定,加乳化剂后成为乳化液。它的溶解氧的能力比血红蛋白大1倍,同时还能把二氧化碳释放出来,它吸氧和释放二氧化碳的速度都比血红蛋白快几倍,并且没有血型,对任何病人都可直接输入动脉。

  人造心脏主要由动力部分、血泵和监控系统组成,其中血泵是关键,制造血泵的材料要求机械强度高、无毒、不致癌、良好的生化稳定性和高度的抗挠曲性。具有这些综合性能的材料目前尚未找到,但人造心脏用于动物试验已取得部分成功。

  人工肾脏是研究最早而又最成熟的人工器官,关键是研制出高选择性的半透膜,可采用聚丙烯腈硅橡胶、赛璐玢、聚酰胺等,美国有个人移植人工肾已活了20多年,并担任了某学院的副院长。

  聚丙烯腈硅橡胶薄膜的选择透过能力很高,可用于制造人工肝脏;聚丙烯薄膜可透析血液中的二氧化碳,可用于制造人工肺,在日本,这种人工肺已使数十人获得了新生;用金属骨架外包超聚乙烯材料制成的人工关节,弹性适中,耐磨性好,在临床中已取得满意效果。

  (2)液晶材料

  1888年,科学家发现:有一些有机化合物的晶体,在加热到一定温度时会变成一种浑浊、粘滞的塑性物质,再升温至某一温度,又突然变成完全清澈透明的液体,这种介于固态和液态之间的物质就是液晶。目前已知有2000种以上的有机化合物具有液晶性质。

  液晶材料按分子排列的不同可分三类:

  ①近晶型液晶。其分子排列整齐,近似于晶体,它对电和磁都不发生效应,尚未得到开发利用。

  ②向列型液晶。向列型液晶的分子,在长轴方向排列一致,而层状却不整齐,像一把上下交错的筷子,当外加电场时,分子排列变乱,由透明转向浑浊,形成光的散射体。可用它制造电控亮度玻璃,如照相机上的自动光圈和数码显示器。

  ③胆甾型液晶。它的分子排列是:一个个条状的分子层层相叠,错开一定角度,扭转成螺旋型结构。它除具有特殊的光学效应外,还具有显著的温度效应。随温度升高,其颜色按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫变化;温度降低,则按反方向变化。它的这种温度效应可用于金属的无损探伤和医疗上检查血栓和肿瘤。

  在工业上多把三种液晶混合使用,或者在混合液晶中加入添加剂,这样效果会更好。液晶材料体积小,耗能少,在电子计算机、电视、钟表、微波测量、医疗、宇航上有重要用途。日本1991年已研制出液晶显示的电影放映机,图像比普通电影清晰许多倍。1991年5月,在英国皇家学会庆典上展示了一件令人瞩目的紧身衣,它是用液晶材料制成的,它会随温度变化而变幻出五彩缤纷的颜色。在低温下为黑色,在28℃时为红色,在33℃时为蓝色,在28℃~33℃之间为其他颜色,这标志着液晶材料的发展已进入一个崭新的阶段。

  (3)其他功能高分子材料

  离子交换树脂和离子交换膜也是一种高分子材料。离子交换树脂是由聚苯乙烯、聚氯乙烯或其他树脂的高分子链为骨架,在主链或侧链上连上容易与金属离子或酸根离子相作用的基团,而生成的高聚物。它能把稀溶液中的离子固定在树脂上,达到淡化溶液的目的;反过来又可把固着在树脂上的离子洗脱下来,以达到富集或浓缩微量元素的目的。在实验室中它可用于生产超纯水和提炼微量元素。在工业上它可用于淡化海水或富集海水中的镭、铀、钚等原子工业的原料,也可用于净化废水、废气以回收有用物质,防止环境污染。

  另一种对光敏感的感光树脂在印刷工业上有重要的用途。这种高分子在光线作用下发生交链聚合作用生成不溶性树脂,未曝光的部分可用溶剂冲掉,由此得到的是具有立体浮雕式的图像,可直接用于印刷制版,使制版过程完全自动化。

  1964年,美国人洛普研制成一种有机硅聚合物薄膜,它能从水中离析氧气,也能可逆地离析二氧化碳。用这种薄膜制成容器放入水中,容器中的老鼠活了4天4夜。这种薄膜有鱼类鳃的功能,如能制出高效产品,也许人类就可以在深海里长期停留而不需要潜水设备。这样人就可以住在美丽的海底龙宫中了。

  高分子还可作为储能材料。人们已发现环庚二烯在吸收光能后变成环庚烷,当它释放出热量后又回复到环庚二烯。如果能提高其储能指标,将非常有用。

  1987年,人们用泡沫塑料加工出一种增大型生长聚合物,它的奇特之处在于:与一般材料受拉变细相反,它受拉后横截面变粗。1988年研制出的多孔聚四氟乙烯,泊松比为负12。这种材料作铆钉抗拉性好,用它作为密封、减震、吸音材料,也有优良的效果。