Функциональные и специальные полимеры
Функциональные и специальные полимеры разрабатываются для обеспечения характеристик, выходящих за рамки структурного использования — проведения электричества, разложения в окружающей среде, армирования композитов или реагирования на стимулы — путем проектирования специфической химии и архитектуры цепи.
Definition
Функциональные и специальные полимеры — это макромолекулярные материалы, синтезированные или разработанные для выполнения специфической неструктурной функции — такой как электропроводность, контролируемая деградация, механическое армирование или чувствительность к внешним стимулам — посредством целенаправленного контроля химии и архитектуры.
Scope
Эта область охватывает полимеры, разработанные для целенаправленной функции, а не для обычных структурных ролей: электропроводящие и электроактивные полимеры, биоразлагаемые и биооснованные полимеры, полимерные смеси и армированные волокном композиты, а также стимул-чувствительные полимеры и гели. В ней рассматривается, как молекулярный дизайн, добавки и морфология создают такие свойства, как проводимость, разлагаемость, армирование и чувствительность к окружающей среде.
Sub-topics
Core questions
- Как молекулярный дизайн придает полимеру электропроводность или чувствительность?
- Что делает полимер биоразлагаемым или получаемым из возобновляемых ресурсов?
- Как смешивание и армирование расширяют диапазон свойств за пределы отдельных полимеров?
- Как проектируются и используются стимул-чувствительные свойства?
Key theories
- Сопряжение и легирование в проводящих полимерах
- Непрерывная основная цепь из чередующихся одинарных и двойных связей создает делокализованные электронные состояния, а окислительное или восстановительное легирование вводит носители заряда, которые повышают проводимость на многие порядки, превращая полимер в полупроводник или почти металл.
- Фазовая морфология в смесях и композитах
- Поскольку большинство полимеров несмешиваемы, смеси и композиты образуют многофазные морфологии, чьи границы раздела и геометрия дисперсной фазы определяют вязкость, жесткость и барьерные свойства, поэтому совместимость и конструкция армирования имеют центральное значение для производительности.
Mechanisms
Каждый класс достигает своей функции благодаря специфическому молекулярному или морфологическому дизайну. Сопряженные основные цепи с легированием переносят электрический заряд. Гидролизуемые или окисляемые связи, часто в полиэфирах или цепях, полученных из полисахаридов, обеспечивают ферментативную или химическую деградацию, а возобновляемое сырье поставляет биооснованные мономеры. Смешивание несмешивающихся полимеров или диспергирование волокон и частиц создает многофазные материалы, чьи границы раздела передают напряжение и объединяют прочностные характеристики компонентов. Чувствительные полимеры включают группы, чья растворимость, заряд или конформация резко изменяются с температурой, pH, светом или другими стимулами, вызывая набухание, коллапс или активацию в гелях и пленках.
Clinical relevance
Функциональные полимеры лежат в основе новых технологий: проводящие полимеры используются в органической электронике, датчиках и батареях; биоразлагаемые и биооснованные полимеры решают проблему пластиковых отходов и предоставляют резорбируемые медицинские материалы; композиты обеспечивают легкие структурные характеристики в транспорте и аэрокосмической отрасли; а чувствительные полимеры и гели обеспечивают доставку лекарств, мягкие актуаторы и интеллектуальные мембраны.
History
Открытие высокой проводимости в легированном полиацетилене Хигером, Макдиармидом и Ширакавой в 1977 году положило начало области проводящих полимеров и было отмечено Нобелевской премией по химии 2000 года. Параллельно работы по объемным фазовым переходам в гелях Танаки, развитие армированных волокном композитов и растущая озабоченность по поводу стойкости пластиков способствовали более широкому развитию функциональных и специальных полимеров.
Key figures
- Alan Heeger
- Alan MacDiarmid
- Hideki Shirakawa
- Toyoichi Tanaka
Related topics
Seminal works
- young2011
- hiemenz2007
Frequently asked questions
- Как полимер может проводить электричество?
- Основная цепь из чередующихся одинарных и двойных связей обеспечивает делокализованные электроны, а легирование добавляет или удаляет носители заряда. Вместе они превращают обычно изолирующий полимер в полупроводник или даже почти металлический проводник.
- Что отличает специальный полимер от товарного пластика?
- Товарные пластики производятся в больших объемах для структурного использования и упаковки, в то время как специальные полимеры разрабатываются для конкретной функции — проводимости, разлагаемости, чувствительности или армирования — обычно в меньших объемах и с более высокой стоимостью.