功能高分子材料的性能及应用研究

摘要：功能高分子材料因为独特的性能和广泛的应用潜力，已成为材料科学研究的一个重要分支。综述了功能高分子材料的最新研究进展，重点讨论了它们在传感器、自修复材料、生物医药、能源存储等领域的应用。通过对不同功能高分子的结构性能关系、功能化策略，以及它们在特定应用中的表现进行分析，旨在为未来的材料设计和功能开发提供科学的指导和参考。

1功能高分子材料概述

功能高分子材料是指具有某方面特定功能，能响应外部刺激（如温度、pH、光、电磁场或化学物质）并据此改变其物理化学性质的高分子材料。由于其独特的适应性和可调控性，功能高分子材料已经成为材料科学领域的研究热点，并在生物医学、智能传感、环境工程、能源存储与转换等众多前沿领域展现出广阔的应用前景。

功能高分子材料的种类繁多，从传统的导电聚合物、光敏聚合物到近年来兴起的刺激响应性聚合物等，其多样性源于不同单体的合成、聚合方式以及后续的功能化处理。例如通过引入特定的官能团，高分子可以设计成为具有自修复、自清洁或变色等特性的智能材料。此外，高分子的微观结构如链段排列、亲疏水平衡也可以通过分子工程技术进行精确控制，以实现对目标功能的精准调控。

近年来，随着纳米技术和高分子科学的发展，功能高分子材料的研究正逐渐深入到分子层面。分子自组装、多尺度结构控制以及界面工程等策略被广泛应用于创建具有复杂结构和优化性能的新型高分子材料。同时，功能高分子材料的环境友好性和可持续性也越来越受到关注，生物基和可降解高分子材料的研发已成为未来发展的重要方向［1］。

2功能高分子材料国内外研究

2.1功能高分子材料国外研究

在高分子材料领域，国外的研究呈现出深度与广度的结合。基础研究方面，国际科研团队在理解功能高分子材料的基本行为和特性方面取得了显著进展，涉及高分子链结构、聚集态结构以及高分子与其他物质的相互作用等关键问题。这些研究成果为揭示材料的性能和行为提供了重要的理论支撑。在制备技术上，国外研究者开发了一系列先进的制备方法，如高分子纳米复合材料、薄膜和纤维的制备技术，极大地推动了功能高分子材料性能的提升和应用范围的拓展。同时，高分子材料的应用研究也非常活跃，特别是在能源、环境、电子和航空航天等前沿领域，这些研究不仅促进了新材料的开发，也为材料的实际应用提供了坚实的基础，显示了高分子材料科学在当代科技发展中的重要地位和作用。

2020年4月，Csarnovics István在Development and Study of Biocompatible PolyurethaneBased PolymerMetallic Nanocomposites中采用链转移和可逆加成断裂技术合成了带有吲哚侧基团的功能性高分子，并对其进行了详细表征。研究发现这些高分子材料具备热逆转和自愈合的特性。

2020年4月，Prof. Satoshi Horike在A New Dimension for Coordination Polymers and MetalOrganic Frameworks： Towards Functional Glasses and Liquids中提出了研究配位聚合物中非晶态和功能性的新途径，这涉及金属离子与有机桥接配体的复合以及它们之间的液态/玻璃态转变，这一过程为制备离子液体以及其他类型的柔性离子材料打开了大门。通过同步辐射源进行的实验和理论计算相结合的方法，我们能更加深入地了解液态及玻璃态的结构和动态性质。这些研究开辟了通过微调孔隙性、电导率、光学透明度等材料属性的新途径和可能性。

2021年，Xie Wei chao等在Co/Ncodoped porous carbons derived from poly（Schiff base）/Co（II） complex as ultrahighly efficient catalysts for CTH of nitroarenes中通过热解聚（希夫碱）/Co（II）络合物可伸缩地合成Co/N共掺杂多孔碳（Co/NC）催化剂，其催化作用通过配体中毒和酸蚀刻实验得到确认和估计［2］。

2023年8月，Kumar等在Functional Polymer Material with Efficient Optical Tunability中通过DFT计算和荧光穆勒矩阵（FLMM）分析验证了其能量可调性和光学响应。从FLMM的光学参数荧光双向衰减率和荧光偏振度可以看出，相对于基态，激发态的分子取向更加有序。这类材料在光催化、化学传感等方面具有作为促进剂的应用可能［3］。

2.2功能高分子材料国内研究

2019年11月，王志勇等分析最新的功能性高分子材料在柔性电子行业的研究动态，从柔性电子设备的构建要素和制造工艺2个维度进行探讨，着重说明了柔性电子中3个核心材料类型：柔性衬底、界面改性剂、柔性功能材料的当前研究状态及其未来的发展潜力［4］。

2020年3月，张芬铭等发表《基于PHPMA的生物医用功能高分子》一文，基于聚合物键合药物方式的独特分类视角，分别从共价键键合以及非共价键键合的角度进行归纳整理，同时对于外界刺激可断裂型的功能高分子材料进行了详细的论述［5］。

2020年4月，耿悦等在《高分子功能材料图案化制备及其在光电领域的应用》中总结了各类高分子材料的图案化技术，归纳了高分子图案化技术在光电器件领域的研究进展，对未来发展的挑战与机遇进行了展望［6］。

2022年7月，张馨壬等［7］在《功能高分子材料在锌负极保护中的应用》一文中综合评述了利用功能性高分子材料保护锌负极的最新研究成果，并对该领域的未来趋势提出了预测。为了解决锌离子电池中锌离子不均匀沉积导致的枝晶生长，以及电解质分解引起的不良副作用，采用了高离子传导性高分子层来作为保护膜，这可以促进 Zn2+ 快速穿过保护层并在锌电极上均匀沉积;同时，也有研究开发了带有大量极性基团的聚合物链，这为 Zn2+ 提供了迅速移动的通道。

2023年5月，韩迪、傅强探讨大型号POSS的合成方法，开展基于T8、T10和T12 POSS衍生的功能化高分子材料（例如具有超低介电常数和多孔结构的材料）的研究［8］。

3功能高分子材料在工程中的应用

3.1光电功能高分子材料

光电功能性高分子材料在特定环境中展示出多种光电特性，并可根据它们的功能分为高分子驻极体、导电高分子和电活性高分子等类型。从成分结构上看，这些材料分为具有多种功能的复合材料和构造型电功能材料两大类。这些材料目前主要应用于制造电子设备和特种电池。光电高分子材料以有机高分子为基础，通过掺入石墨、金属粉末、碳纤维、金属纤维和金属氧化物等导电组分，形成了具有导电特性的复合材料。这些材料结合了金属的导电性和高分子材料的加工便利性。此外，它们还具备诸多优势，如调节电阻率的范围宽、易于加工、工艺简化、耐腐蚀和成本低廉，因此在许多领域都有着巨大的应用潜力。经过数十年的研究和行业实践，这一领域已经取得了显著进步，功能性高分子材料的种类也在不断增加，带动了相关电子器件性能的大幅提升。目前，这些材料已经基本能够满足电子纸、微处理器、柔性显示屏、化学和生物传感器等多个领域的需求，并正推动着电子学、柔性电子学及可穿戴电子设备等领域的快速发展［8］。

3.2高分子功能膜材料

高分子材料因为独有的选择性渗透特性，适合被用作膜状结构。它们通常具备区分物质的独特功能，适用于分离膜或功能性膜。与其他种类的材料相比，高分子功能膜能够在膜的一侧和另一侧分别收集渗透后的产物和未渗透的原始产物，这有助于有效地回收选定的产物。此外，使用这些膜进行分离时，不会引发异常状态或伴随相变能耗。高分子功能膜不仅能够识别并分离不同的物质，还能够转换物质和能量。在工程实践中，这种材料能根据不同的工作条件展现出其多变的特性。

3.3功能高分子材料在生物医学中的应用

在生物医学中对功能高分子材料的应用主要包括3种情况，即人体器官、医用塑料和药用高分子。部分功能高分子材料由于生物相容性好，排斥反应小，可用于制作移植器官。此类高分子材料在实践中将植入人体，替代原有的器官，在人类的生命活动中发挥一定的作用。截至目前，我国研制的高分子材料髋关节已在临床上被证实有效，且排异作用较小，组织相容性好。在多种癌症治疗中，都用到了靶向药，而功能高分子材料本身具有一定的选择性，将其与药品结合，可用于制造具有靶向作用的新型高分子药物，从而更加准确地清除病灶。医用塑料当前已较为常见，全部医疗器械中15%以上的原材料都是医用塑料［9］。

3.4液晶高分子材料

液晶高分子材料是通过分子层面上的纤维与树脂紧密结合形成的复合体，这种材料以其超高的强度、优良的质感和大规模生产能力在众多领域中得到了普遍应用。这些材料的种类包括光学非线性高分子液晶、具有生物活性的高分子液晶、用于光传输的高分子液晶以及高分子液晶薄膜等。它们独特的性能意味着在未来有着极为广泛和重要的应用潜力。

在众多应用领域中，液晶高分子材料在电子和电气行业中的需求巨大，并且增长速度迅猛，远超通信业、工业以及运输业的年增长率。这些材料主要被应用在光纤电缆组件、自动化机械手臂、复合材料结构、功能性部件、泵和阀门组件、连接器、开关、继电器以及模塑印刷电路板等方面，极大地推动了液晶高分子技术在其他高科技领域的发展。

4功能高分子材料发展趋势

最近几年，我国在功能性聚合物材料领域的探索和研究持续加深，这些材料的进步不仅推动了多个行业的发展，还为我们的生活提供了更多便利。在政府政策的鼓励下，新材料产业，尤其是功能性高分子材料产业正站在快速成长的风口上。功能性高分子材料的发展方向可以概述为追求更高的性能、功能、智能化以及环保性。

追求更高性能意味着提升材料的物理特性，比如耐热性、耐腐蚀性和抗老化性，这些对材料在工业领域，如机械、交通、汽车、航天、电子信息技术和家电制造等行业的应用至关重要。功能提升则关注增强材料现有的功能，并拓宽其应用领域。

智能化是功能性高分子材料研究的主要方向，旨在利用材料存储、传递和处理信息的能力，这一领域一旦取得实质性进展，就有可能在高分子智能材料和人工智能领域实现跨越式发展。

环保或绿色化则是改善高分子材料可能存在的毒副作用和难降解性，研发环保型的功能性高分子材料，以此促进社会的和谐进步。

功能性高分子材料的卓越性能为技术革新带来了巨大的潜力，甚至可能引发行业的革命性突破，带来经济效益和社会效益，同时催生新产品的开发。凭借其强大的机械性能和其他优势，功能性高分子材料在现代工业的多个领域有着广阔的应用前景，包括机械制造、电子产业、航空航天、船舶建造和军事工业等。

鉴于功能高分子材料的迅速发展和潜在应用，未来的研究将继续探索新的合成方法、功能化策略以及多功能一体化的设计理念，以满足日益复杂和精确的应用需求。同时，对于高分子材料的生命周期评估、环境影响以及经济可行性等方面的研究也将是不可或缺的一部分，以确保这一材料类别的可持续发展。

参考文献：

［1］郝丽娜，李莹莹，李俊.功能高分子材料的性能及应用［J］.化工设计通讯，2021，47（5）：67-68.

［2］XIE WEICHAO X， BEI L， YIJIANG L， et al.Co/Ncodoped porous carbons derived from poly（Schiff base）/Co（II） complex as ultrahighly efficient catalysts for CTH of nitroarenes［J］.Applied Catalysis A， General，2021，6（2）：3.

［3］KUMAR R， KUMAR N， CHANDEL S， et al.Functional polymer material with efficient optical tunability［J］.Chemistry Select，2023，8（2）：9.

［4］王志勇，汪韬，庄梦迪，等.功能高分子材料在柔性电子领域研究进展［J］.中国科学技术大学学报，2019，49（11）：878-891.

［5］张芬铭，田语舒，郑绩，等.基于PHPMA的生物医用功能高分子［J］.化学进展，2020，32（增刊1）：331-343.

［6］耿悦，高寒飞，吴雨辰，等.高分子功能材料图案化制备及其在光电领域的应用［J］.高分子学报，2020，51（5）：421-433.

［7］张馨壬，曲昌镇，苏延霞，等.功能高分子材料在锌负极保护中的应用［J］.功能高分子学报，2022，35（6）：493-508.

［8］韩迪，傅强.基于大尺寸POSS的功能高分子材料［C］//西安科技大学，高分子在线平台，中国电子节能技术协会.2023第四届全国功能高分子材料学术研讨会论文集.成都：四川大学高分子科学与工程学院，高分子材料工程国家重点实验室，2023：1.

［9］王若新.我国功能高分子材料发展现状及应用分析［J］.化工设计通讯，2020，46（3）：93，102.

基金项目：齐齐哈尔市科技计划创新激励项目：功能高分子PSB纳米材料的性能及应用研究（CGYGG—2023010）

作者简介：郝丽娜，女，内蒙古通辽人，副教授，硕士，主要从事高分子材料方面的研究。