高分子材料论文
摘 要： 现代化社会对材料的需求越来越高, 研究开发性能优异的新材料对促进科技发展、社会进步有着重要意义。杂化材料因其良好的性能广泛应用于信息、生物、医学、工程等领域。本文简单综述了杂化材料的研究进展, 着重介绍了有机/无机纳米杂化材料、生物活性杂化材料及高分子合金。
关键词： 有机/无机纳米杂化材料; 生物活性杂化材料; 高分子合金;
Abstract： There are increasing demands for materials in modern society and the research and development of new materials with excellent performance is of great significance to promote the development of science and technology and social progress. Hybrid materials are widely used in information, biology, medicine, engineering and other fields due to their good performance. This paper briefly reviews the research progress of hybrid materials, and focuses on organic-inorganic nanohybrids, bio-active hybrid materials and polymer alloys.
Keyword： organic-inorganic nanohybrids; bio-active hybrid materials; polymer alloys;
人类文明和社会进步离不开材料, 材料的应用几乎渗透到各个领域, 小到衣食住行, 大到航空军工, 无不与材料息息相关。材料、能源和信息是现代化建设中科技发展的三大支柱, 任何一项开拓性的高科技的出现, 都是与优良材料为基础。材料种类繁多[1], 有信息功能材料、结构材料、能源材料、低维材料、生物材料、智能材料、有机高分子材料、环境材料等等。科学技术的发展不断对材料提出更高的要求, 材料的设计与研究正朝着具有优异性能和特殊功能方向开发。杂化材料作为一种新材料, 将两种或多种物种在分子水平上结合起来, 弥补了单一材料性能上的不足, 综合多种材料的优点, 并产生新的性能, 使之能有效地应用于结构、信息、生物、特种工程等领域。开发综合性能优异、满足高新技术要求、绿色低碳的杂化材料对拓宽材料领域的发展、提高人们生活水平具有重要意义。
1 、有机/无机纳米杂化材料
有机/无机纳米杂化材料在纳米尺寸杂化, 纳米相与其他相之间通过化学作用和物理作用结合在一起, 有机相和无机相界面面积大、相互作用强, 该类材料综合了无机材料透明性、高折射率、高硬度及有机高分子材料高韧性、易加工成型等优良性质, 同时具备纳米微粒一些特殊的性质, 使其在光电磁、催化、生物、制药等领域具有巨大的应用潜力。有机/无机纳米杂化材料制备方法有溶胶-凝胶法[2], 以金属烷氧化物为前驱体, 之后经过水解、缩醇化反应和缩聚反应形成凝胶, 经过热处理后形成相应的固体材料;该方法温度条件温和, 可以解决通常有机材料难以经受高温的不足, 从而制备出纳米尺寸甚至分子尺寸复合的有机/无机纳米杂化材料。还可以通过嵌入法来制备[3], 通过利用无机化合物如硅酸盐的层状结构, 借助氧化还原反应、酸碱化学、溶剂化或离子交换等作用, 在无机物中插入各种有机物以制备高性能有机/无机复合材料。利用有机/无机纳米杂化材料对高聚物材料进行改性是当前研究的热点。例如:笼型低聚倍半硅氧烷 (POSS) 是一种新型的有机-无机纳米杂化材料[4], 由于其独特的多面体笼形结构, 使之具有无机/有机杂化结构赋予的优良耐热性能和反应活性及纳米尺寸所赋予的热力学、磁学和光学性能;官能化的POSS及其衍生物对聚氨酯、环氧树脂、聚酰亚胺、聚烯烃及有机硅材料等进行改性, 能够显着改善其物理化学性能, 拓宽材料的应用范围。卢秀娴等[5]以乙烯基倍半硅氧烷和七甲基氢三硅氧烷为原料, 制备出不同的乙烯基倍半硅氧烷衍生物, 在其与液体硅橡胶混合固化中发现七甲基三硅氧基比例增大, 二者相容性会越来越好;乙烯基倍半硅氧烷衍生物可以有效提高液体硅橡胶的力学性能和热稳定性。
2、 生物活性杂化材料
生物活性杂化材料[6]由具有生物活性的活体组织材料与无活性的一般材料复合而成, 通过材料与活细胞的融合、生物材料与人工材料杂交等手段, 赋予材料具有特异的靶向修复、治疗和促进作用, 从而激发、主动诱导人体组织的自我修复、再生能力, 使病变组织、器官被再生的健康组织或器官所替代。随着对生物活性杂化材料研究的不断深入, 必将给人工器官, 乃至整个生物医学材料领域带来新的希望, 例如我国在介入产品血管支架、壳聚糖等天然基础材料、骨修复材料及人工心脏瓣膜研究方面已经取得很好的进展[7]。天然-合成高分子生物杂化材料在医学领域广泛应用, 如应用在人工器官、药物控释、人造骨骼及各种软组织等方面;将壳聚糖与合成聚合物杂化、胶原与合成聚合物杂化、细胞特异性多肽或蛋白质与合成聚合物复合杂化都能有效改善细胞对可降解聚合物的粘附, 促进细胞增殖[8]。更快更好地修复骨损伤一直是医学领域想迫切突破的难题, 成骨材料作为一种生物活性杂化材料具有良好的生物相容性和骨诱导性, 其中胶原/生物活性玻璃复合材料更是具有生物活性玻璃优良的成骨活性和胶原优良的生物学性能;研究表明, 负载siRNA胶原/生物活性玻璃复合材料有利于细胞增殖, 成骨效果良好, 有望成为一种型的骨组织工程材料[9]。
3 、高分子合金
高分子合金是将两种或多种树脂复合, 以改善高分子材料的性能、降低生产条件并实现高分子材料功能化和高性能化的一项技术[10]。自20世纪50年代高分子合金出现以来, 不断有研究者致力于将多种高聚物制成复合体系, 以改善树脂的性能, 并取得了良好进展。例如:王文强等[11]将氢化苯乙烯-异戊二烯共聚物 (SEPS) 加入到聚苯醚/尼龙6中制备出三元合金材料, 测定其性能表明, 加入SEPS后, 合金的韧性显着增强, 并提高了其剪切黏度。通过在柔性高分子中引入少量刚性高分子材料, 也可以有效提高材料的强度和模量。随着研究的不断深入, 更多的高性能高分子合金材料或将被研制出来。
4 、总结
目前对杂化材料的研究取得了一定的进展, 如已经能制备出一些高强度、热稳定性高、具有光电磁性能的优良杂化材料, 但如何精准地控制杂化材料结构与其性能之间的关系, 并设计出综合性能强的、符合实际性能需要的杂化材料仍然需要不断地进行研究与设计。随着技术的进步, 杂化材料将更加广泛地应用在各个领域。
参考文献
[1]师昌绪.跨世纪材料科学技术的若干热点问题 (摘要) [J].洛阳理工学院学报:自然科学版, 2000 (1) :1-1.
[2]凌伟, 顾嫒娟, 梁国正.耐热有机/无机杂化材料的研究进展[J].材料导报, 2007, 21 (10) :27-31.
[3]刘安华, 温永向, 张利利.含硅有机/无机纳米杂化材料[J].功能材料, 2005, 36 (5) :658-661.
[4]王峰, 牟秋红, 彭丹, 等.官能化POSS的制备及其在有机硅材料中的应用进展[J].化工进展, 2017, 36 (4) :1324-1332.
[5]卢秀娴, 李坚, 张保坦.Vi-POSS衍生物在液体硅橡胶的应用研究[J].化工新型材料, 2014 (6) :203-205.
[6]付东伟, 闫玉华.生物可降解医用材料的研究进展[J].生物骨科材料与临床研究, 2005, 2 (2) :39-42.
[7]张兴栋, 王宝亭.我国生物医学材料科学与产业的崛起[J].新材料产业, 2009 (10) :92-95.
[8]姚芳莲, 周玉涛, 陈炜, 等.天然-合成高分子生物杂化材料在生物医学领域中的应用[J].高分子通报, 2004 (3) :8-13.
[9]陈燕玲, 陈良娇, 李正茂, 等.负载si RNA胶原/生物活性玻璃复合材料的成骨作用[J].南方医科大学学报, 2018.
[10]唐若谷, 黄兆阁, 赵宗超.高分子合金相容剂的研究进展[J].高分子通报, 2012 (10) :000080-85.
[11]王文强, 肖永聪, 张爱民.SEPS/PA6/PPO三元合金的制备及性能研究[J].塑料工业, 2018, 46 (5) .