摘要：功能高分子材料因?yàn)楠?dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用潛力，已成為材料科學(xué)研究的一個(gè)重要分支。綜述了功能高分子材料的最新研究進(jìn)展，重點(diǎn)討論了它們在傳感器、自修復(fù)材料、生物醫(yī)藥、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用。通過對不同功能高分子的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、功能化策略，以及它們在特定應(yīng)用中的表現(xiàn)進(jìn)行分析，旨在為未來的材料設(shè)計(jì)和功能開發(fā)提供科學(xué)的指導(dǎo)和參考。

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，能響應(yīng)外部刺激（如溫度、pH、光、電磁場或化學(xué)物質(zhì)）并據(jù)此改變其物理化學(xué)性質(zhì)的高分子材料。由于其獨(dú)特的適應(yīng)性和可調(diào)控性，功能高分子材料已經(jīng)成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并在生物醫(yī)學(xué)、智能傳感、環(huán)境工程、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等眾多前沿領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

功能高分子材料的種類繁多，從傳統(tǒng)的導(dǎo)電聚合物、光敏聚合物到近年來興起的刺激響應(yīng)性聚合物等，其多樣性源于不同單體的合成、聚合方式以及后續(xù)的功能化處理。例如通過引入特定的官能團(tuán)，高分子可以設(shè)計(jì)成為具有自修復(fù)、自清潔或變色等特性的智能材料。此外，高分子的微觀結(jié)構(gòu)如鏈段排列、親疏水平衡也可以通過分子工程技術(shù)進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)功能的精準(zhǔn)調(diào)控。

近年來，隨著納米技術(shù)和高分子科學(xué)的發(fā)展，功能高分子材料的研究正逐漸深入到分子層面。分子自組裝、多尺度結(jié)構(gòu)控制以及界面工程等策略被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)建具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和優(yōu)化性能的新型高分子材料。同時(shí)，功能高分子材料的環(huán)境友好性和可持續(xù)性也越來越受到關(guān)注，生物基和可降解高分子材料的研發(fā)已成為未來發(fā)展的重要方向［1］。

2功能高分子材料國內(nèi)外研究

2.1功能高分子材料國外研究

在高分子材料領(lǐng)域，國外的研究呈現(xiàn)出深度與廣度的結(jié)合。基礎(chǔ)研究方面，國際科研團(tuán)隊(duì)在理解功能高分子材料的基本行為和特性方面取得了顯著進(jìn)展，涉及高分子鏈結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)以及高分子與其他物質(zhì)的相互作用等關(guān)鍵問題。這些研究成果為揭示材料的性能和行為提供了重要的理論支撐。在制備技術(shù)上，國外研究者開發(fā)了一系列先進(jìn)的制備方法，如高分子納米復(fù)合材料、薄膜和纖維的制備技術(shù)，極大地推動(dòng)了功能高分子材料性能的提升和應(yīng)用范圍的拓展。同時(shí)，高分子材料的應(yīng)用研究也非?；钴S，特別是在能源、環(huán)境、電子和航空航天等前沿領(lǐng)域，這些研究不僅促進(jìn)了新材料的開發(fā)，也為材料的實(shí)際應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，顯示了高分子材料科學(xué)在當(dāng)代科技發(fā)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中采用鏈轉(zhuǎn)移和可逆加成斷裂技術(shù)合成了帶有吲哚側(cè)基團(tuán)的功能性高分子，并對其進(jìn)行了詳細(xì)表征。研究發(fā)現(xiàn)這些高分子材料具備熱逆轉(zhuǎn)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態(tài)和功能性的新途徑，這涉及金屬離子與有機(jī)橋接配體的復(fù)合以及它們之間的液態(tài)/玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，這一過程為制備離子液體以及其他類型的柔性離子材料打開了大門。通過同步輻射源進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，我們能更加深入地了解液態(tài)及玻璃態(tài)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)性質(zhì)。這些研究開辟了通過微調(diào)孔隙性、電導(dǎo)率、光學(xué)透明度等材料屬性的新途徑和可能性。

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中通過熱解聚（希夫堿）/Co（II）絡(luò)合物可伸縮地合成Co/N共摻雜多孔碳（Co/NC）催化劑，其催化作用通過配體中毒和酸蝕刻實(shí)驗(yàn)得到確認(rèn)和估計(jì)［2］。

2023年8月，Kumar等在Functional Polymer Material with Efficient Optical Tunability中通過DFT計(jì)算和熒光穆勒矩陣（FLMM）分析驗(yàn)證了其能量可調(diào)性和光學(xué)響應(yīng)。從FLMM的光學(xué)參數(shù)熒光雙向衰減率和熒光偏振度可以看出，相對于基態(tài)，激發(fā)態(tài)的分子取向更加有序。這類材料在光催化、化學(xué)傳感等方面具有作為促進(jìn)劑的應(yīng)用可能［3］。

2.2功能高分子材料國內(nèi)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電子行業(yè)的研究動(dòng)態(tài)，從柔性電子設(shè)備的構(gòu)建要素和制造工藝2個(gè)維度進(jìn)行探討，著重說明了柔性電子中3個(gè)核心材料類型：柔性襯底、界面改性劑、柔性功能材料的當(dāng)前研究狀態(tài)及其未來的發(fā)展?jié)摿Γ?］。

2020年3月，張芬銘等發(fā)表《基于PHPMA的生物醫(yī)用功能高分子》一文，基于聚合物鍵合藥物方式的獨(dú)特分類視角，分別從共價(jià)鍵鍵合以及非共價(jià)鍵鍵合的角度進(jìn)行歸納整理，同時(shí)對于外界刺激可斷裂型的功能高分子材料進(jìn)行了詳細(xì)的論述［5］。

2020年4月，耿悅等在《高分子功能材料圖案化制備及其在光電領(lǐng)域的應(yīng)用》中總結(jié)了各類高分子材料的圖案化技術(shù)，歸納了高分子圖案化技術(shù)在光電器件領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對未來發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇進(jìn)行了展望［6］。

2022年7月，張馨壬等［7］在《功能高分子材料在鋅負(fù)極保護(hù)中的應(yīng)用》一文中綜合評述了利用功能性高分子材料保護(hù)鋅負(fù)極的最新研究成果，并對該領(lǐng)域的未來趨勢提出了預(yù)測。為了解決鋅離子電池中鋅離子不均勻沉積導(dǎo)致的枝晶生長，以及電解質(zhì)分解引起的不良副作用，采用了高離子傳導(dǎo)性高分子層來作為保護(hù)膜，這可以促進(jìn) Zn2+ 快速穿過保護(hù)層并在鋅電極上均勻沉積;同時(shí)，也有研究開發(fā)了帶有大量極性基團(tuán)的聚合物鏈，這為 Zn2+ 提供了迅速移動(dòng)的通道。

2023年5月，韓迪、傅強(qiáng)探討大型號(hào)POSS的合成方法，開展基于T8、T10和T12 POSS衍生的功能化高分子材料（例如具有超低介電常數(shù)和多孔結(jié)構(gòu)的材料）的研究［8］。

3功能高分子材料在工程中的應(yīng)用

3.1光電功能高分子材料

光電功能性高分子材料在特定環(huán)境中展示出多種光電特性，并可根據(jù)它們的功能分為高分子駐極體、導(dǎo)電高分子和電活性高分子等類型。從成分結(jié)構(gòu)上看，這些材料分為具有多種功能的復(fù)合材料和構(gòu)造型電功能材料兩大類。這些材料目前主要應(yīng)用于制造電子設(shè)備和特種電池。光電高分子材料以有機(jī)高分子為基礎(chǔ)，通過摻入石墨、金屬粉末、碳纖維、金屬纖維和金屬氧化物等導(dǎo)電組分，形成了具有導(dǎo)電特性的復(fù)合材料。這些材料結(jié)合了金屬的導(dǎo)電性和高分子材料的加工便利性。此外，它們還具備諸多優(yōu)勢，如調(diào)節(jié)電阻率的范圍寬、易于加工、工藝簡化、耐腐蝕和成本低廉，因此在許多領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過數(shù)十年的研究和行業(yè)實(shí)踐，這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，功能性高分子材料的種類也在不斷增加，帶動(dòng)了相關(guān)電子器件性能的大幅提升。目前，這些材料已經(jīng)基本能夠滿足電子紙、微處理器、柔性顯示屏、化學(xué)和生物傳感器等多個(gè)領(lǐng)域的需求，并正推動(dòng)著電子學(xué)、柔性電子學(xué)及可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域的快速發(fā)展［8］。

3.2高分子功能膜材料

高分子材料因?yàn)楠?dú)有的選擇性滲透特性，適合被用作膜狀結(jié)構(gòu)。它們通常具備區(qū)分物質(zhì)的獨(dú)特功能，適用于分離膜或功能性膜。與其他種類的材料相比，高分子功能膜能夠在膜的一側(cè)和另一側(cè)分別收集滲透后的產(chǎn)物和未滲透的原始產(chǎn)物，這有助于有效地回收選定的產(chǎn)物。此外，使用這些膜進(jìn)行分離時(shí)，不會(huì)引發(fā)異常狀態(tài)或伴隨相變能耗。高分子功能膜不僅能夠識(shí)別并分離不同的物質(zhì)，還能夠轉(zhuǎn)換物質(zhì)和能量。在工程實(shí)踐中，這種材料能根據(jù)不同的工作條件展現(xiàn)出其多變的特性。

3.3功能高分子材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

在生物醫(yī)學(xué)中對功能高分子材料的應(yīng)用主要包括3種情況，即人體器官、醫(yī)用塑料和藥用高分子。部分功能高分子材料由于生物相容性好，排斥反應(yīng)小，可用于制作移植器官。此類高分子材料在實(shí)踐中將植入人體，替代原有的器官，在人類的生命活動(dòng)中發(fā)揮一定的作用。截至目前，我國研制的高分子材料髖關(guān)節(jié)已在臨床上被證實(shí)有效，且排異作用較小，組織相容性好。在多種癌癥治療中，都用到了靶向藥，而功能高分子材料本身具有一定的選擇性，將其與藥品結(jié)合，可用于制造具有靶向作用的新型高分子藥物，從而更加準(zhǔn)確地清除病灶。醫(yī)用塑料當(dāng)前已較為常見，全部醫(yī)療器械中15%以上的原材料都是醫(yī)用塑料［9］。

3.4液晶高分子材料

液晶高分子材料是通過分子層面上的纖維與樹脂緊密結(jié)合形成的復(fù)合體，這種材料以其超高的強(qiáng)度、優(yōu)良的質(zhì)感和大規(guī)模生產(chǎn)能力在眾多領(lǐng)域中得到了普遍應(yīng)用。這些材料的種類包括光學(xué)非線性高分子液晶、具有生物活性的高分子液晶、用于光傳輸?shù)母叻肿右壕б约案叻肿右壕П∧さ?。它們?dú)特的性能意味著在未來有著極為廣泛和重要的應(yīng)用潛力。

在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，液晶高分子材料在電子和電氣行業(yè)中的需求巨大，并且增長速度迅猛，遠(yuǎn)超通信業(yè)、工業(yè)以及運(yùn)輸業(yè)的年增長率。這些材料主要被應(yīng)用在光纖電纜組件、自動(dòng)化機(jī)械手臂、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、功能性部件、泵和閥門組件、連接器、開關(guān)、繼電器以及模塑印刷電路板等方面，極大地推動(dòng)了液晶高分子技術(shù)在其他高科技領(lǐng)域的發(fā)展。

4功能高分子材料發(fā)展趨勢

最近幾年，我國在功能性聚合物材料領(lǐng)域的探索和研究持續(xù)加深，這些材料的進(jìn)步不僅推動(dòng)了多個(gè)行業(yè)的發(fā)展，還為我們的生活提供了更多便利。在政府政策的鼓勵(lì)下，新材料產(chǎn)業(yè)，尤其是功能性高分子材料產(chǎn)業(yè)正站在快速成長的風(fēng)口上。功能性高分子材料的發(fā)展方向可以概述為追求更高的性能、功能、智能化以及環(huán)保性。

追求更高性能意味著提升材料的物理特性，比如耐熱性、耐腐蝕性和抗老化性，這些對材料在工業(yè)領(lǐng)域，如機(jī)械、交通、汽車、航天、電子信息技術(shù)和家電制造等行業(yè)的應(yīng)用至關(guān)重要。功能提升則關(guān)注增強(qiáng)材料現(xiàn)有的功能，并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

智能化是功能性高分子材料研究的主要方向，旨在利用材料存儲(chǔ)、傳遞和處理信息的能力，這一領(lǐng)域一旦取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，就有可能在高分子智能材料和人工智能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。

環(huán)?；蚓G色化則是改善高分子材料可能存在的毒副作用和難降解性，研發(fā)環(huán)保型的功能性高分子材料，以此促進(jìn)社會(huì)的和諧進(jìn)步。

功能性高分子材料的卓越性能為技術(shù)革新帶來了巨大的潛力，甚至可能引發(fā)行業(yè)的革命性突破，帶來經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)催生新產(chǎn)品的開發(fā)。憑借其強(qiáng)大的機(jī)械性能和其他優(yōu)勢，功能性高分子材料在現(xiàn)代工業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，包括機(jī)械制造、電子產(chǎn)業(yè)、航空航天、船舶建造和軍事工業(yè)等。

鑒于功能高分子材料的迅速發(fā)展和潛在應(yīng)用，未來的研究將繼續(xù)探索新的合成方法、功能化策略以及多功能一體化的設(shè)計(jì)理念，以滿足日益復(fù)雜和精確的應(yīng)用需求。同時(shí)，對于高分子材料的生命周期評估、環(huán)境影響以及經(jīng)濟(jì)可行性等方面的研究也將是不可或缺的一部分，以確保這一材料類別的可持續(xù)發(fā)展。

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基金項(xiàng)目：齊齊哈爾市科技計(jì)劃創(chuàng)新激勵(lì)項(xiàng)目：功能高分子PSB納米材料的性能及應(yīng)用研究（CGYGG—2023010）

作者簡介：郝麗娜，女，內(nèi)蒙古通遼人，副教授，碩士，主要從事高分子材料方面的研究。