【正文】 料按基體材料可分為： 聚合物基復(fù)合材料 ， 金屬基復(fù)合材料 和 陶瓷基復(fù)合材料 。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 76 * 材料的未來(lái)與分子設(shè)計(jì) 材料、能源 和 信息 構(gòu)成現(xiàn)代文明的三大支柱。 新世紀(jì)對(duì)材料不僅功能上提出更高的要求，而且必須考慮資源、能源、環(huán)境和安全等與可持續(xù)發(fā)展有關(guān)的問(wèn)題。 對(duì)未來(lái)材料的發(fā)展趨勢(shì)大致可以概括為 “ 六化 ” ：即 智能化、仿生化，復(fù)合化、納米化、輕量化和高功能化 。 未來(lái)的材料 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 77 智能化是指其功能可隨外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知 ， 而自動(dòng)作出適時(shí) 、 靈敏和適當(dāng)?shù)捻憫?yīng) ， 并能自動(dòng)地調(diào)節(jié) 、 修飾和修復(fù) 。例如 ， 形狀記憶合金 便是一種智能材料 。 高分子屬于 軟物質(zhì) ，其特點(diǎn)是對(duì)弱的外界影響作出相對(duì)顯著的響應(yīng)和變化。因此研究高分子的軟物質(zhì)特征，利用外場(chǎng)的變化來(lái)調(diào)節(jié)高分子功能的變化，發(fā)掘高分子的自適應(yīng)性，尋找實(shí)現(xiàn)高分子功能材料智能化的途徑，將是人們今后的努力目標(biāo)。 1．智能化 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 78 通過(guò)研究自然界中生物體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其特有的功能，學(xué)習(xí)制造新材料的思路和方法，并在材料的設(shè)計(jì)和制造中加以模仿，稱(chēng)為 仿生材料學(xué) 。 科學(xué)家找到了貝殼硬而摔不破的原因，于是模仿貝殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一種摔不破的陶瓷。將涂有石墨層的 SiC陶瓷片用熱壓法層層疊起來(lái)，抗沖擊能力可提高100倍。英國(guó)科學(xué)家用其制造汽車(chē)陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，它耐高溫，不需要水冷系統(tǒng)。 2．仿生化 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 79 既堅(jiān)硬又柔韌的 仿生陶瓷 是航天航空理想的發(fā)動(dòng)機(jī)材料，也是制造裝甲車(chē)、坦克和防彈車(chē)的理想材料。 蜘蛛絲 是世界上最堅(jiān)韌的纖維之一，美國(guó)投入很大力量研究天然蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)、性能及生長(zhǎng)機(jī)理，已研制出仿生蛛絲。 如何獲取價(jià)廉的原料，也是科學(xué)家肩負(fù)的巨大責(zé)任。 植物的光合作用制造了大量有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)物質(zhì)有的已被人類(lèi)作為天然高分子材料使用著，如順式聚異戊二烯、反式聚異戊二烯、纖維素、木材等；有的可能是潛在的合成高分子的單體資源，如木質(zhì)素、纖維素和淀粉等。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 80 地球上以沙漠形式存在著大量SiO2，如能找到更方便、更廉價(jià)的將 SiO2轉(zhuǎn)化成高分子單體的方法，將無(wú)疑給合成高分子開(kāi)辟另一重要的單體來(lái)源。 若能模擬自然界的生物轉(zhuǎn)化和光合作用的催化功能，研究開(kāi)發(fā)光合作用合成碳?xì)浠衔锏男麓呋瘎瑢?huì)徹底解決合成高分子的原料問(wèn)題。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 81 材料的分子設(shè)計(jì)是指應(yīng)用已有的系統(tǒng)化的分子結(jié)構(gòu)和性能等知識(shí)和信息 ， 指導(dǎo)合成具有預(yù)期性能的材料 。 通常采用“ 逆向而行 ”的思維方法，即根據(jù)所需性能來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行制備。 科學(xué)家成功地設(shè)計(jì)了 半導(dǎo)體超晶格材料 ，通過(guò)人工設(shè)計(jì)和調(diào)控材料中的電子結(jié)構(gòu)，由組分不同的半導(dǎo)體超薄層交替生長(zhǎng)而成多層異質(zhì)周期結(jié)構(gòu)材料，從而極大地推動(dòng)了半導(dǎo)體激光器的研制。 材料的分子設(shè)計(jì) 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 82 目前作為針對(duì)性的或局部性的高分子設(shè)計(jì)已取得很大進(jìn)展。 纖維分子設(shè)計(jì)中的 仿絲綢 纖維設(shè)計(jì)，難燃性、耐熱纖維的設(shè)計(jì)等； 塑料的分子設(shè)計(jì)中的 ABS系樹(shù)脂的分子設(shè)計(jì)，透明聚氯乙烯用的助劑的分子設(shè)計(jì)等； 為了保護(hù)環(huán)境、消除 “ 白色污染 ” 的 自然降解高分子 的分子設(shè)計(jì)，具有某種生物效能的高分子的分子設(shè)計(jì)等。 研制 自然降解型高分子 的基本方法就是在原料聚合物中引進(jìn)或造成感光性或感氧性結(jié)構(gòu)或可發(fā)生微生物降解結(jié)構(gòu)。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 83 (1) 用共聚法在高分子鏈上引入極少量羰基 乙烯與一氧化碳、苯乙烯與丙烯醛共聚可得： C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C C H 2 C H 2 C H C H 2 C H C H 2 C HC H OO聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈及它們的共聚物等也可以用通過(guò)共聚引入羰基的方法達(dá)到類(lèi)似的效果，獲得具有預(yù)期壽命的聚合物。 由于 羰基 的存在，制品易被陽(yáng)光降解。 現(xiàn)以光降解和微生物降解的分子設(shè)計(jì)為例，舉例簡(jiǎn)介于下： 可降解高聚物的分子設(shè)計(jì) 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 84 天然高分子如淀粉、纖維素等可被微生物分解。但合成高分子由于硬度、疏水性等原因，酶不能滲入其內(nèi)部，無(wú)法被分解。 方法一 ：采用 改性天然高分子 如改性淀粉與合成高分子共混，使其制品在自然條件下因天然高分子組分被生物分解而粉碎。但是殘留的碎片是合成高分子。 方法二 ：采用 聚合物改性 方法，把少量親水性基團(tuán)引入聚烯烴分子中，使微生物能夠滲入到材料內(nèi)部從而發(fā)生微生物降解。 (2)合成可為微生物分解的聚合物 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 85 選讀材料 醫(yī)用功能高分子材料 功能高分子材料指除傳統(tǒng)使用性能外，還具有某種特定功能的高分子材料。 功能高分子材料 電磁功能高分子材料 如導(dǎo)電高分子材料、高分子磁性體、磁記錄材料等。 光功能高分子材料 如光導(dǎo)材料、光記錄、光敏劑、感光材料等。 分子材料和化學(xué)功能材料 如分離膜、離子交換樹(shù)脂、高分子催化劑等。 生物醫(yī)用高分子材料 如人造器官、醫(yī)用高分子器械、醫(yī)用高分子藥物、仿生高分子等。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 86 作為 醫(yī)用高分子材料 ，應(yīng)符合以下要求： ④ 不因高壓煮沸 、 干燥滅菌 、 藥液等發(fā)生變質(zhì) 。 ① 化學(xué)性能穩(wěn)定，對(duì)生理組織的適應(yīng)性良好，無(wú)毒； ② 無(wú)致癌性和生理排異性，不導(dǎo)致血液凝固與溶血，不產(chǎn)生新陳代謝的異?，F(xiàn)象，不引起生理機(jī)能的惡化與降低； ③ 耐生物老化； 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 87 表 77 醫(yī)用高分子材料和用途 應(yīng)用范圍 材料名稱(chēng) 人造血管 人造絲 、 尼龍 、 腈綸 ， 硅橡膠 、 聚四氟乙烯 人工心臟 聚氨酯橡膠 、 硅橡膠 、 天然橡膠 、 聚甲基丙烯酸甲酯 、 尼龍 、 聚四氟乙烯 、 滌綸 人工心臟瓣膜 聚氨酯橡膠 、 硅橡膠 、 聚四氟乙烯 、 聚甲基丙烯酸甲酯 、 聚乙烯 心臟起搏器 硅橡膠 、 聚氨酯橡膠 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 88 (續(xù)上表 ) 人工食道 聚乙烯醇 、 聚乙烯 、 聚四氟乙烯 、 硅橡膠 人工氣管 聚乙烯 、 聚四氟乙烯 、 硅橡膠 、 聚乙烯醇 人工輸尿管 聚四氟乙烯 、 硅橡膠 、 水凝膠 人工頭蓋骨 聚甲基丙烯酸甲酯 、 聚碳酸酯 、 碳纖維 人工喉 硅橡膠 、 聚乙烯 人工膀胱 硅橡膠 人工血漿 右旋糖肝 、 聚乙烯醇 、 聚乙烯吡咯酮 人工眼球 泡沫硅橡膠 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 89 高分子材料應(yīng)用于醫(yī)療上的很多方面：塑料注射器、血液袋、避孕器具、牙科材料、人造器官、人造關(guān)節(jié)、人造骨骼等。 作為人工器官材料，必須具備生物功能性質(zhì)，具備 生物相容性 ，由于各種器官在生物體中所處的位置和功能不同，對(duì)材料的要求也不能一概而論。 如 人工心臟 和 人工血管 ，具有高度機(jī)械性能和耐疲勞性能； 人工腎 ，具有高度選擇透過(guò)功能等。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 90 近年來(lái)開(kāi)展生物雜化人工器官已受到廣泛關(guān)注。 制備生物雜化人工器官的技術(shù)目前稱(chēng)為 組織工程 。 生物雜化人工器官 是指由活體細(xì)胞或組織與醫(yī)用高分子材料構(gòu)成的器官。 由于活體細(xì)胞的介入，使得高分子材料與生物體間的排異性大大降低。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 91 本章小結(jié) (1) 相對(duì)分子質(zhì)量大，一般在 1萬(wàn)以上。 1. 高分子化合物的特性 (2) 鏈的長(zhǎng)短參差不齊，是多分子的混合物 —— 多分散性。 (3) 幾乎無(wú)揮發(fā)性，僅以固態(tài)或液態(tài)存在，無(wú)氣態(tài)。固態(tài)可以兼具晶態(tài)和非晶態(tài)。 (4) 有線(xiàn)型和體型兩種分子結(jié)構(gòu)。線(xiàn)型高聚物可溶于溶劑、受熱會(huì)熔化，具有熱塑性、柔順性和彈性。體型高聚物具有熱固性。 (5) 高分子化合物中添加助劑制成的高分子材料，不同于無(wú)機(jī)及金屬材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電絕緣性好、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)。不耐高溫、易老化是其主要缺點(diǎn)。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 92 ① 高聚物的彈性和塑性與分子鏈的柔順性和分子鏈間的作用力有關(guān)。分子鏈的柔順性越大．分子鏈間的作用力越小， Tg越低，彈性越好。分子鏈的側(cè)基空間位阻大或側(cè)鏈含有極性基團(tuán)，分子的柔順性降低， Tg值升高彈性降低，呈現(xiàn)玻璃態(tài)的傾向增大 。 2. 高分子化合物的性能與其結(jié)構(gòu)緊密相關(guān) 線(xiàn)型非晶態(tài)高聚物由于分子鏈很長(zhǎng)且單鍵可以?xún)?nèi)旋轉(zhuǎn)，賦予高聚物鏈柔順性，在一定溫度范圍內(nèi)呈高彈態(tài)，溫升變?yōu)檎沉鲬B(tài)，溫降變?yōu)椴ＡB(tài)。 Tg、 Tf的高低直接影響高聚物的性能和應(yīng)用。 高分子化合物的結(jié)構(gòu)與其性能有直接關(guān)系。 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 93 ③ 電絕緣性能與分子的對(duì)稱(chēng)性及所含基團(tuán)的極性大小等因素有關(guān)。分子對(duì)稱(chēng)性好，極性小，高聚物的電絕緣性好。分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)且含有極性基團(tuán)，即分子的極性大，高聚物的電絕緣性差。高聚物的靜電作用可以加入抗靜電劑來(lái)消除。例如 電絕緣性： ② 機(jī)械性能也與分子間作用力等有關(guān)，分子間作用力大，分子中極性基團(tuán)多，結(jié)晶度高，交聯(lián)程度大，高聚物的機(jī)械性能好。例如強(qiáng)度： 天然橡膠（ M r= 20萬(wàn)） 丁苯橡膠（ M r= 4~5萬(wàn)） 高結(jié)晶度聚乙烯 低結(jié)晶度聚乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 首頁(yè) 上一頁(yè) 下一頁(yè) 末頁(yè) 94 ⑤ 高聚物一般具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。但受光、熱、氧等因素影響，會(huì)發(fā)生交聯(lián)或降解，使高聚物老化，老化是物理性能變壞的不可逆過(guò)程。 ④ 高聚物的溶解性與高聚物的組成、結(jié)構(gòu)、分子間作用力有關(guān)。分子間交聯(lián)大、結(jié)晶度高，溶解性能差。溶劑的選擇大致服從“ 相似相溶 ” 原則。有些高吸水性樹(shù)脂可用做保水材料。 、結(jié)構(gòu)和特性 可以聚氯乙烯、 ABS工程塑料、聚甲基丙烯酸甲酯、尼龍 6硅橡膠等為例，熟悉其單體、合成反應(yīng)、高聚物名稱(chēng)與結(jié)構(gòu)及性能。