本教材以結構與性能間的關系為主線,系統(tǒng)介紹了各類功能高分子材料與生物醫(yī)用高分子材料的功能或特性原理、分類與制備方法、實際應用與展望等,展示近年來國內外這些領域的研究成果,引導讀者了解特種高分子材料的基本類型和功能原理,尤其是其結構設計思想,啟發(fā)創(chuàng)新思維。
全書共分七章,著重介紹化學功能、分離功能、光功能、電磁功能和致動功能及生物醫(yī)用高分子材料共六大方面,主要包括高分子化學反應試劑與高分子催化劑;分離樹脂與分離膜、高分子絮凝劑和高吸水性樹脂;光學塑料和塑料光纖、高分子非線性光學材料、光刻膠、光致變色高分子材料;高分子絕緣與導電材料、光導高分子材料、高分子壓電、熱電和鐵電材料、高分子磁性材料和高分子吸波材料;高分子致動材料也叫人工肌肉和智能凝膠,包括能對各種物理或化學刺激做出伸縮響應的高分子材料;生物醫(yī)用高分子材料則包括人工臟器、高分子修復材料、高分子藥物及藥用高分子材料等。
本書是高等院校功能高分子材料和生物醫(yī)用高分子材料課程教材,也適合于其他學科學生課外閱讀,并可作為從事特種高分子科研與開發(fā)人員參考。
特種高分子材料包括常規(guī)高分子材料所不具備的特殊性能,是高分子材料領域的一個重要分支。
高分子材料通常具備基本力學性能和良好的加工性能。與其他材料相比,高分子材料在其Tg(或Tm)~Tf間,在受到不大的力的作用時即可發(fā)生很大的形變,并能以較快的速度回復,表現(xiàn)為明顯的高度彈性行為特征,稱為高彈性;而在Tg(或Tm)以下,這種高彈性通常難以表達,表現(xiàn)出硬質材料特征,只有在特定的溫度區(qū)間,在較大的應力下才會屈服而表現(xiàn)出大的應變,這種應變在Tg(或Tm)以下是法回復的,只有當溫度升高到Tg(或Tm)以上時才能回復,稱為強迫高彈性;在Tg(或Tm)附近,這種大的應變是可以回復的,但需要時間來逐漸回復,表現(xiàn)為明顯的黏彈性特征。因此在力學性能方面,高分子材料具有其他材料所不具備的高彈性和黏彈性。高分子材料可以表現(xiàn)得很軟,也可以表現(xiàn)得很硬;既可以很強,也可以很韌。一般高分子材料在具備基本力學性能的同時,還具有隔熱、絕緣特性,是熱、電的不良導體,且易于加工成型,可以滿足一般生產生活需要。
但是與其他材料相比,高分子材料的耐溫性、耐磨性等不盡如人意。為了應對極端條件,需要耐高溫或耐寒材料,需要有超強度、超耐磨材料;為了應對航空航天和各類導彈的需求,需要有耐燒蝕材料。顯然一般高分子材料難以勝任,一大批具有高性能的高分子材料應運而生。具有高強度、高模量和高耐熱特點的工程塑料在機械工業(yè)、國防科技、汽車等交通工具中都得到了廣泛的應用。
為了提高化學反應速率和選擇性,高分子試劑及仿照天然酶結構的高分子催化劑走上歷史舞臺;高分子固相合成方法使生物活性蛋白的合成周期大大縮短;模板聚合的方法使生物復制在實驗室進行成為可能。具有優(yōu)良分離功能的生物膜是大分子,因此,高分子成為優(yōu)良的分離材料,離子交換樹脂、螯合樹脂為電子工業(yè)、原子能工業(yè)提供超凈水、富集有用的金屬離子;反滲透膜使海水淡化簡便易行;滲析膜為尿毒癥患者帶來福音;高吸水性樹脂使荒漠少水的地帶披上了綠裝;高分子絮凝劑使廢水處理簡便易行。為了實現(xiàn)信息的高速、高保密性傳遞,光纖材料發(fā)揮了重要的作用;有機非線性光學材料因具有高的非線性系數(shù),從而使倍頻器件、光開關、光存儲器迅猛發(fā)展;與大規(guī)模集成電路相配套的光刻膠的不斷進步使芯片的集成度不斷飆升。導電高分子為新能源電極和電解質提供了新的材料選擇,電致發(fā)光高分子使柔性顯示屏成為可能。這些功能高分子的發(fā)明展示了高分子材料的獨特魅力。
緩釋藥物和控制釋放的藥物使藥物有效成分在血液中維持正常濃度的時間大大延長,組織工程材料的出現(xiàn)使損傷修復趨于完美,人工腎、人工心臟等人工臟器使尿毒癥病人和心臟衰竭患者有了重生的希望。這些生物醫(yī)用高分子材料的發(fā)展為人類生命健康和生活品質的提升提供了材料的保障。
這些正是特種高分子材料的貢獻。特種高分子材料主要包括三大類型:第一類是具有特殊功能的材料,如具有化學反應功能的高分子試劑和高分子催化劑,具有分離功能的各種分離樹脂和分離膜,具有光傳輸功能的光學塑料和光導纖維、通過光化學反應產生成像特性或顏色變化的光刻膠與光致變色材料,具有電磁功能的導電高分子材料、電致發(fā)光高分子材料、磁性高分子材料和吸波材料等,通過化學或光電響應產生機械力的傳動功能高分子材料等;第二類是生物醫(yī)用高分子材料,此類高分子材料首先必須滿足所用場合的生物醫(yī)用基本要求,如毒、害、菌,有組織相容性或血液相容性等,同時還能滿足特定應用場合的功能需要,如心臟瓣膜的單向輸送功能、人工心臟的耐疲勞性能、人工血液的溶氧功能、組織工程材料支架的干細胞黏附與生長功能及可降解特性、高分子藥物的控制釋放功能及其殺菌治療功能等,是特殊的一類特種高分子材料;第三類是具有特別優(yōu)異性能的高分子材料,如特別耐高溫和特別耐低溫的高分子材料、超高模量或超高強度的高分子材料、超耐磨材料、自潤滑高分子材料、耐燒蝕高分子材料等。
本教材以具有特殊功能的功能高分子材料和具有特殊應用的生物醫(yī)用高分子材料為對象,以結構與性能間的關系為主線,系統(tǒng)地介紹各類功能高分子材料與生物醫(yī)用高分子材料的功能或特性原理、分類與制備方法、實際應用與展望等,展示近年來國內外這些領域的研究成果,引導讀者了解特種高分子材料的基本類型,尤其是其結構設計思路,啟發(fā)心智;瘜W功能高分子材料側重于高分子化學反應試劑、高分子催化劑及其所表現(xiàn)出的特有的高分子效應,介紹高分子在固相合成多肽等生命物質中所起的特殊作用及固定化酶在催化領域中的特殊意義;具有分離功能的各種高分子材料中,有些與化學反應有關,如離子交換樹脂、螯合樹脂等,而還有很多則與其樹脂的化學結構、物理形態(tài)有關,如分離膜、拆分樹脂、高吸水性樹脂等,因而我們把分離特性單獨列為一章,它包括了各種具有分離特性的高分子樹脂和膜材料;物理功能以光功能與電磁功能為主。光功能材料主要介紹光學塑料和塑料光纖、高分子強光物理材料、感光樹脂、光致變色高分子材料等;電磁功能材料主要介紹介電與導電高分子材料,光導高分子材料,高分子壓電、熱電和鐵電材料,磁性高分子材料和高分子吸波材料等;生物醫(yī)用高分子材料則主要介紹具有替代人體器官功能的人工臟器、人工血管與血液、與人體組織相容性好的高分子整形修復材料、在醫(yī)療過程中充任重要角色的各種高分子醫(yī)療用品,以及在藥物制劑、藥物控釋等方面有廣泛應用的藥用高分子材料和具有藥理功能的高分子藥物等。
本書可作為高等院校開設特種高分子材料課程的教材,也可以用作功能高分子材料或生物醫(yī)用高分子材料課程教材,適合于其他學科學生課外閱讀,也可以作為從事特種高分子科研與開發(fā)人員的參考用書。
鑒于當前特種高分子材料的發(fā)展非常迅速,新的功能特性不斷被開發(fā),對結構與性能間的關系還在深入研究,原有的一些理論還在不斷地完善,新的理論還將出現(xiàn),因此,與之相應的特種高分子教材也不應是一成不變的。本書的內容僅能部分反映特種高分子發(fā)展的現(xiàn)有水平,尚不能全面反映這一領域的現(xiàn)有成果,同時限于作者的水平,在內容的選取、編排和總結上,偏頗、疏漏與不當之處在所難免,希望得到廣大專家、讀者的批評指正。
本教材在編寫過程中參考并引用了大量的書籍及文獻資料,在此,我要向這些書籍和文獻的作者表示衷心的感謝。在試講過程中,得到了我校十多屆學生的熱情鼓勵,在此我也要向他們表示衷心的感謝。最后,尤其要感謝華家棟先生,在功能高分子科研和特種高分子教學中,他始終給予我親切的教誨和私的幫助。
編著者
2017年5月
第一章緒論1
第一節(jié)特種高分子材料的定義與分類1
一、特種高分子材料的定義2
二、特種高分子材料的分類3
第二節(jié)特種高分子材料的設計與制備6
一、結構設計的主要途徑6
二、特種高分子的制備方法7
第三節(jié)特種高分子材料的發(fā)展前景10
一、發(fā)展動力10
二、發(fā)展趨勢11
思考題12
第二章化學功能高分子材料13
第一節(jié)高分子效應13
一、高分子參與反應的一般優(yōu)點14
二、高分子效應15
第二節(jié)高分子試劑23
一、高分子試劑的種類23
二、高分子載體上的固相合成31
三、影響因素38
第三節(jié)高分子催化劑39
一、高分子酸和高分子堿39
二、高分子金屬絡合物催化劑41
三、固定化酶49
思考題52
第三章分離功能高分子材料54
第一節(jié)離子交換樹脂54
一、離子交換樹脂的分類和命名54
二、離子交換樹脂的制備57
三、離子交換功能原理及評價61
四、離子交換樹脂的其他功能64
五、離子交換樹脂的應用65
第二節(jié)其他分離樹脂66
一、螯合樹脂66
二、拆分樹脂73
第三節(jié)高分子分離膜82
一、分離膜的分類84
二、膜分離過程與機理85
三、影響膜分離性能的因素92
四、膜材料及其制備93
第四節(jié)高吸水性樹脂98
一、分類與制備98
二、高吸水機制101
三、影響因素102
四、功能特性103
五、高吸水性樹脂的應用104
第五節(jié)高分子絮凝劑105
一、分類與制備106
二、絮凝機理108
三、影響絮凝效果的因素112
四、高分子絮凝劑的應用113
第六節(jié)高分子超疏水材料115
一、疏水性的表征115
二、天然超疏水材料的表面結構117
三、超疏水理論118
四、分類與制備121
五、超疏水材料的應用125
思考題129
第四章光功能高分子材料132
第一節(jié)光學塑料與光纖133
一、光學塑料133
二、光盤基材138
三、塑料光纖140
第二節(jié)有機非線性光學材料147
一、非線性光學現(xiàn)象147
二、有機非線性光學材料147
三、聚合物非線性材料149
四、非線性光學材料的應用151
五、聚合物電光效應、光彈效應與光折變效應153
第三節(jié)感光性高分子156
一、概述156
二、光化學反應基本原理158
三、感光高分子體系的基本要求161
四、感光高分子體系165
五、感光高分子的應用176
第四節(jié)光致變色高分子177
一、光致變色機理177
二、光致變色功能膜制備方法184
三、影響光致變色性能的因素185
四、光致變色材料的應用185
思考題187
第五章電磁功能高分子材料189
第一節(jié)高分子絕緣材料190
一、高分子的介電特性190
二、高分子的絕緣特性193
三、應用特性195
四、高分子高溫絕緣材料197
第二節(jié)導電高分子材料199
一、復合型導電高分子材料200
二、離子導電型高分子210
三、共軛型導電高分子215
四、高分子電荷轉移絡合物221
五、金屬有機聚合物223
六、電子導電型高分子的應用224
第三節(jié)電致發(fā)光聚合物225
一、發(fā)光原理226
二、電致發(fā)光聚合物類型227
三、器件設計與制備230
四、聚合物發(fā)光電池231
第四節(jié)光電導高分子材料232
一、光電導高分子分類232
二、光電導機理233
三、光電導材料的應用236
第五節(jié)高分子壓電材料237
一、壓電性237
二、熱釋電性和鐵電性240
三、壓電高分子的類型242
四、壓電高分子的應用248
第六節(jié)高分子磁性材料250
一、結構型磁性材料250
二、復合型磁性材料252
第七節(jié)高分子吸波材料253
一、概述254
二、高分子吸波材料與制備257
三、吸波體系的結構設計261
四、高分子吸波材料的發(fā)展方向262
思考題263
第六章高分子致動材料265
第一節(jié)天然肌肉概述266
一、肌肉的組成與形貌266
二、天然肌肉的致動機制267
三、評價指標268
第二節(jié)外在伸縮式人工肌肉270
一、氣動型人工肌肉270
二、液壓型人工肌肉273
第三節(jié)化學響應型人工肌肉274
一、離子交換型人工肌肉274
二、介質響應型人工肌肉276
三、分子識別型人造肌肉277
第四節(jié)電子型人工肌肉的電場響應278
一、致動機制278
二、電子型人工肌肉類型279
三、磁致伸縮高分子材料281
第五節(jié)離子型人工肌肉的電場響應283
一、分類283
二、致動機制287
三、制備289
四、影響因素290
第六節(jié)其他刺激響應型人工肌肉292
一、溫敏型人工肌肉292
二、光敏型人工肌肉294
三、形狀記憶高分子294
四、液晶彈性體296
第七節(jié)機器人運動機構設計298
一、微位移系統(tǒng)299
二、傳動履帶302
三、抓手302
四、驅動微泵303
五、微型執(zhí)行器304
六、醫(yī)用304
七、人工肌肉的發(fā)展趨勢305
思考題306
第七章生物醫(yī)用高分子材料308
第一節(jié)概述310
一、分類310
二、生物醫(yī)用高分子材料的基本條件311
第二節(jié)人 工 血 液315
一、人工血漿315
二、人工血球315
第三節(jié)高分子人工臟器320
一、血液相容性321
二、人工心臟322
三、人工心臟瓣膜324
四、人工血管325
五、人工腎326
六、其他329
第四節(jié)整形與修復材料330
一、眼科材料330
二、齒科材料332
三、人工骨和人工關節(jié)334
四、人工肌腱與人工皮膚336
第五節(jié)其他醫(yī)用材料337
一、醫(yī)用黏結劑337
二、醫(yī)用縫合線和止血劑340
三、代石膏繃帶341
四、醫(yī)用診斷材料341
五、組織工程用支架343
六、其他344
第六節(jié)藥用高分子345
一、藥物載體345
二、靶向藥物載體346
三、藥物控制釋放348
四、高分子藥物352
五、高分子免疫佐劑353
思考題354
參考文獻356