【正文】 料按基體材料可分為： 聚合物基復合材料 ， 金屬基復合材料 和 陶瓷基復合材料 。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 76 * 材料的未來與分子設計 材料、能源 和 信息 構成現(xiàn)代文明的三大支柱。 新世紀對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)展有關的問題。 對未來材料的發(fā)展趨勢大致可以概括為 “ 六化 ” ：即 智能化、仿生化，復合化、納米化、輕量化和高功能化 。 未來的材料 首頁 上一頁 下一頁 末頁 77 智能化是指其功能可隨外界環(huán)境變化因素產生感知 ， 而自動作出適時 、 靈敏和適當?shù)捻憫?， 并能自動地調節(jié) 、 修飾和修復 。例如 ， 形狀記憶合金 便是一種智能材料 。 高分子屬于 軟物質 ，其特點是對弱的外界影響作出相對顯著的響應和變化。因此研究高分子的軟物質特征，利用外場的變化來調節(jié)高分子功能的變化，發(fā)掘高分子的自適應性，尋找實現(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。 1．智能化 首頁 上一頁 下一頁 末頁 78 通過研究自然界中生物體的物質結構及其特有的功能，學習制造新材料的思路和方法，并在材料的設計和制造中加以模仿，稱為 仿生材料學 。 科學家找到了貝殼硬而摔不破的原因，于是模仿貝殼的結構設計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，抗沖擊能力可提高100倍。英國科學家用其制造汽車陶瓷發(fā)動機，它耐高溫，不需要水冷系統(tǒng)。 2．仿生化 首頁 上一頁 下一頁 末頁 79 既堅硬又柔韌的 仿生陶瓷 是航天航空理想的發(fā)動機材料，也是制造裝甲車、坦克和防彈車的理想材料。 蜘蛛絲 是世界上最堅韌的纖維之一，美國投入很大力量研究天然蜘蛛絲的結構、性能及生長機理，已研制出仿生蛛絲。 如何獲取價廉的原料，也是科學家肩負的巨大責任。 植物的光合作用制造了大量有機物質，有機物質有的已被人類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，如木質素、纖維素和淀粉等。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 80 地球上以沙漠形式存在著大量SiO2，如能找到更方便、更廉價的將 SiO2轉化成高分子單體的方法，將無疑給合成高分子開辟另一重要的單體來源。 若能模擬自然界的生物轉化和光合作用的催化功能，研究開發(fā)光合作用合成碳氫化合物的新催化劑，將會徹底解決合成高分子的原料問題。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 81 材料的分子設計是指應用已有的系統(tǒng)化的分子結構和性能等知識和信息 ， 指導合成具有預期性能的材料 。 通常采用“ 逆向而行 ”的思維方法，即根據(jù)所需性能來設計結構并進行制備。 科學家成功地設計了 半導體超晶格材料 ，通過人工設計和調控材料中的電子結構，由組分不同的半導體超薄層交替生長而成多層異質周期結構材料，從而極大地推動了半導體激光器的研制。 材料的分子設計 首頁 上一頁 下一頁 末頁 82 目前作為針對性的或局部性的高分子設計已取得很大進展。 纖維分子設計中的 仿絲綢 纖維設計，難燃性、耐熱纖維的設計等； 塑料的分子設計中的 ABS系樹脂的分子設計，透明聚氯乙烯用的助劑的分子設計等； 為了保護環(huán)境、消除 “ 白色污染 ” 的 自然降解高分子 的分子設計，具有某種生物效能的高分子的分子設計等。 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或造成感光性或感氧性結構或可發(fā)生微生物降解結構。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 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共聚引入羰基的方法達到類似的效果，獲得具有預期壽命的聚合物。 由于 羰基 的存在，制品易被陽光降解。 現(xiàn)以光降解和微生物降解的分子設計為例，舉例簡介于下： 可降解高聚物的分子設計 首頁 上一頁 下一頁 末頁 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，酶不能滲入其內部，無法被分解。 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，把少量親水性基團引入聚烯烴分子中，使微生物能夠滲入到材料內部從而發(fā)生微生物降解。 (2)合成可為微生物分解的聚合物 首頁 上一頁 下一頁 末頁 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 如光導材料、光記錄、光敏劑、感光材料等。 分子材料和化學功能材料 如分離膜、離子交換樹脂、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 上一頁 下一頁 末頁 86 作為 醫(yī)用高分子材料 ，應符合以下要求： ④ 不因高壓煮沸 、 干燥滅菌 、 藥液等發(fā)生變質 。 ① 化學性能穩(wěn)定，對生理組織的適應性良好，無毒； ② 無致癌性和生理排異性，不導致血液凝固與溶血，不產生新陳代謝的異?，F(xiàn)象，不引起生理機能的惡化與降低； ③ 耐生物老化； 首頁 上一頁 下一頁 末頁 87 表 77 醫(yī)用高分子材料和用途 應用范圍 材料名稱 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 上一頁 下一頁 末頁 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 上一頁 下一頁 末頁 89 高分子材料應用于醫(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，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 ，具有高度機械性能和耐疲勞性能； 人工腎 ，具有高度選擇透過功能等。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 90 近年來開展生物雜化人工器官已受到廣泛關注。 制備生物雜化人工器官的技術目前稱為 組織工程 。 生物雜化人工器官 是指由活體細胞或組織與醫(yī)用高分子材料構成的器官。 由于活體細胞的介入，使得高分子材料與生物體間的排異性大大降低。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 91 本章小結 (1) 相對分子質量大，一般在 1萬以上。 1. 高分子化合物的特性 (2) 鏈的長短參差不齊，是多分子的混合物 —— 多分散性。 (3) 幾乎無揮發(fā)性，僅以固態(tài)或液態(tài)存在，無氣態(tài)。固態(tài)可以兼具晶態(tài)和非晶態(tài)。 (4) 有線型和體型兩種分子結構。線型高聚物可溶于溶劑、受熱會熔化，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，不同于無機及金屬材料，具有密度小、比強度高、耐腐蝕、電絕緣性好、易加工成型等優(yōu)點。不耐高溫、易老化是其主要缺點。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 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。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。分子鏈的側基空間位阻大或側鏈含有極性基團，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構緊密相關 線型非晶態(tài)高聚物由于分子鏈很長且單鍵可以內旋轉，賦予高聚物鏈柔順性，在一定溫度范圍內呈高彈態(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用。 高分子化合物的結構與其性能有直接關系。 首頁 上一頁 下一頁 末頁 93 ③ 電絕緣性能與分子的對稱性及所含基團的極性大小等因素有關。分子對稱性好，極性小，高聚物的電絕緣性好。分子結構不對稱且含有極性基團，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消除。例如 電絕緣性： ② 機械性能也與分子間作用力等有關，分子間作用力大，分子中極性基團多，結晶度高，交聯(lián)程度大，高聚物的機械性能好。例如強度： 天然橡膠（ M r= 20萬） 丁苯橡膠（ M r= 4~5萬） 高結晶度聚乙烯 低結晶度聚乙烯 聚四氟乙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯 首頁 上一頁 下一頁 末頁 94 ⑤ 高聚物一般具有較高的化學穩(wěn)定性。但受光、熱、氧等因素影響，會發(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程。 ④ 高聚物的溶解性與高聚物的組成、結構、分子間作用力有關。分子間交聯(lián)大、結晶度高，溶解性能差。溶劑的選擇大致服從“ 相似相溶 ” 原則。有些高吸水性樹脂可用做保水材料。 、結構和特性 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、高聚物名稱與結構及性能。