第1章 导论
1.1 功能性高分子材料概述
功能性高分子材料是高分子材料*重要的分支之一。功能性高分子材料的发展脱胎于高分子科学的发展，并与功能材料的发展密切相关。国际上“功能高分子材料”的提法出现于20世纪60年代。功能高分子材料成为高分子材料领域发展*为迅速、与其他领域交叉*为广泛的一个领域，随着时代的进步、科技的创新，现已涉及新能源电池领域用高分子材料、具有高效分离功能的高分子材料、电子信息用高分子材料、生物医用高分子材料等多个领域。
功能高分子材料可以认为是具有特殊功能的高分子材料的统称。它一般是指高分子材料本身受到物理或化学的外部刺激或者与其他物质发生相互作用之后，会产生质和量的变化，从而实现特定功能的高分子材料。它也可以看作是在原有力学性能基础上再赋予特定功能的高分子材料，如光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、分离选择性、磁性等[4]。在功能高分子材料的分子主链或者侧链上常常含有一些特殊的功能基团使其具有某些特殊功能（对外部刺激的适应、反应、表达和应对能力等）。功能高分子材料以其独*的化学、电学、声学、光学、磁学及其他物理化学性质、生物化学性质等引起人们的广泛关注。功能高分子材料优异的性能促进各个领域的技术进步，甚至实现质的飞跃。可以说功能高分子材料的发展决定了科技的发展，在各行业都将产生巨大的经济效益和社会效益，对于人们的生活与生产有着举足轻重的作用。而我国经济社会发展尤其是所面临的产业升级及新产业的形成和发展，对功能高分子材料的需求日益突出。
1.2 功能性高分子材料的分类
功能高分子材料种类繁多，分类方法也有很多。根据研究目的、观察角度等不同，可以将功能高分子材料按照材料的组成与结构、来源、功能和应用特点、应用领域等不同的分类方法进行分类。
按照材料的组成与结构可以将功能高分子材料分为结构型功能高分子材料和复合型功能高分子材料。其中，结构型功能高分子材料是指在分子链中含有特定功能基团的高分子材料，它们的功能性主要是由其所含有的特定功能基团来体现的。复合型功能高分子材料是以普通高分子材料为基体或载体，与具有某些特定功能（如导电、电磁）的其他材料以一定方式复合而成，其功能性是由高分子材料以外的添加组分提供。
按照材料的来源可以将功能高分子材料分为天然功能高分子材料、半合成功能高分子材料和合成功能高分子材料。天然功能高分子材料：是自然界或矿物中由生化作用或光合作用而形成的功能高分子化合物，如酶、蛋白质、多肽等。半合成功能高分子材料：以天然高分子材料为主体，通过对其进行物理或者化学改性，制得的功能高分子材料。例如，淀粉经化学改性得到淀粉接枝共聚物，可用于制备高吸水树脂[5]；纤维素的化学改性产物可用于制备血液透析膜[6]等。合成功能性高分子材料：可以根据功能性的需求，对其化学结构、凝聚态结构、复合结构及宏观形态进行设计，从而充分发挥其功能性。例如，各种高分子药物、导电高分子材料、高分子膜材料、生物组织工程材料等，其结构设计的灵活性为其应用带来了广阔的前景。
按功能高分子材料的功能和应用特点，可以将功能高分子材料分为八大类，具体如表1-1所示。
按照应用领域的不同，功能高分子材料可以分为新能源领域用高分子材料、分离膜用高分子材料、电子信息用高分子材料、生物医用高分子材料等。新能源领域用高分子材料主要涉及燃料电池用质子交换膜、液流电池用离子交换膜和多孔离子传导膜、锂离子电池用隔膜和黏结剂等。分离膜用高分子材料主要是具有选择性透过能力的高分子材料，包括液体分离膜用高分子材料和气体分离膜用高分子材料，在解决水资源问题、环境问题、能源问题等方面发挥着重大的作用。电子信息用高分子材料主要涉及柔性显示基板材料、挠性印刷电路板材料等。生物医用高分子材料是指用于疾病的诊断、治疗和预防及人体组织和器官的替换、修复和再生的高分子材料，已经应用于如医疗器械（包括隐形眼镜、人工血管、人工关节、手术缝合线、血管支架、血液透析膜等）、体内外诊断、生物组织工程、药物缓释和靶向释放、基因释放、蛋白质缓释等方面[8]。
1.3 功能性高分子材料的发展历程
人类的发展与高分子材料密不可分，很早就开始利用棉、麻、丝、毛等天然高分子材料作织物；19世纪中叶，发展了天然高分子材料的化学改性，制备了硫化天然橡胶、黏胶纤维等；20世纪初，出现了第一种合成树脂—酚醛树脂，之后丁钠橡胶、醇酸树脂、脲醛树脂等相继出现，然而，当时人们还没有高分子材料的概念，也不清楚其结构。一直到1929年H.Staudinger建立了大分子假说，高分子科学在理论研究和工业上得到了快速发展。随着高分子材料的发展，其应用领域逐渐扩大，由于其具有密度小、易加工等优点，各领域对高分子材料的需求也日益增加。1965年J.A.Morton提出了功能材料的概念后，功能材料快速发展。随着高分子材料和功能材料的发展，功能高分子材料成为高分子材料学科发展*为迅速的一个新兴领域，拓展十分迅速，从20世纪80年代中后期开始成为独立的学科，逐步拓展出高分子分离膜、高分子催化剂、高分子试剂、高分子液晶、导电高分子、光敏高分子、医用高分子、高分子药物、相变储能高分子等研究领域[1]。
*初的功能高分子可以追溯到1935年合成的酚醛树脂，通过离子交换可以使水不经过蒸馏而脱盐，操作简便还可节约能源，开创了离子交换树脂领域。1944年合成了磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物离子交换树脂及交联聚丙烯酸树脂。相继开发了苯乙烯系磺酸型强酸性离子交换树脂并实现了工业化，研制了强碱性苯乙烯系阴离子交换树脂和弱酸性丙烯酸系阳离子交换树脂，并应用于水的脱盐精制、药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。20世纪50年代末，以离子交换树脂、螯合树脂、高分子分离膜为代表的吸附分离功能材料和以利用其化学性能为主的高分子负载催化剂迅速发展起来，并初步实现产业化。
1953年出现了医用有机硅材料、可降解手术缝合线，生物医用高分子材料的研究与开发进入了新的时代。20世纪60年代以后，人们已经不满足于从已有高分子材料中筛选可以代替人体各种组织和器官或者用于医疗的高分子材料，而是从高分子材料的合成开始专门设计合成用于生物医用的高分子材料，经过多年的发展，绝大部分人体器官已经可以使用天然的或者人工合成的生物医用高分子材料作为替代品[9]。
1960年首次通过相转化法制成了具有历史意义的高脱盐、高通量的非对称醋酸纤维素反渗透膜，推动了膜科学的发展，使膜分离技术进入大规模工业化的阶段。分离膜用高分子材料相继拓展至纤维素衍生物类、聚砜类、聚酰胺类、聚酰亚胺类、聚酯类、聚烯烃类、含氟聚合物等[10]。由于高分子材料的日益发展，膜分离技术才得到飞速发展。膜分离技术因具有节能、环保、高效、易操作等特点，已在净水、生物、制药、化工、电子、天然气、食品加工等领域得到广泛应用，成为各国优先发展的“绿色技术”之一。
20世纪60年代初，质子交换膜燃料电池被提出，采用全氟磺酸质子交换膜的燃料电池成功用于航天器和潜艇[11]。20世纪80年代初，自加拿大Ballard动力系统公司（以下简称Ballard公司）将全氟磺酸质子交换膜用于质子交换膜燃料电池并获得成功以来，各种质子交换膜（如磺化聚醚砜、磺化聚醚酮、磺化聚酰亚胺、聚苯并咪唑等）陆续被研发出来。新能源电池领域的发展，也推动了相关功能高分子材料的开发与发展。
1960年，美国工程师在热塑性薄膜上敷以金属箔，再蚀刻成型，从而在柔软电路板上形成线路图案，制备了挠性覆铜板。经过半个世纪的发展，以聚酰亚胺薄膜等为基板材料的挠性覆铜板被广泛应用于手机、数码相机、液晶电视、笔记本电脑等电子产品中。电子技术的高速发展彻底改变了人类社会的生活、工作方式。随着电子技术的不断发展，对电子器件材料提出了新的要求，特别是材料的柔性化/可延展需求。相对于传统刚性电子器件，柔性电子器件由于在适用性、便携性及舒适性等方面的优势，其发展被视为推动电子技术发展的关键点，成为近年来学术界与工业界研究的热点之一[12]，也为电子信息领域用功能高分子材料的发展开拓广阔的空间。
上面对几类功能高分子材料发展和应用作了简短的介绍。由于高分子材料结构及结构层次的多样性，内容十分丰富，其功能性远未被充分挖掘，因此还有极大的发展空间。为了满足国民经济、国防军工等各领域的新技术发展需求，功能高分子材料正在向高功能化、多功能化（包括功能/结构一体化）、智能化和实用化方向发展。
第2章 新能源电池领域用功能性高分子材料
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础，能源安全是关系国家经济社会发展的全局性、战略性问题。随着社会发展，能源消耗日益增加，导致环境污染及能源短缺等一系列问题。因此，普及应用可再生能源，提高可再生能源在能源消耗中的比重，成为我国能源发展的重要战略，这也是实现社会和经济可持续发展的必然选择，是推动我国能源革命、优化能源结构的重要保障。但是，风能、太阳能等可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控等缺点，而大规模储能系统可有效实现可再生能源发电的调幅调频、平滑输出、跟踪计划发电，从而减小可再生能源发电并网对电网的冲击，提高电网对可再生能源发电的消纳能力，解决弃风、弃光等问题。因此，大规模储能技术可*大程度上消除可再生能源发电不连续、不稳定等弊端，推进可再生能源的普及应用，进而掌握节能减排重大国策的关键核心技术，是国家能源安全、经济可持续发展的重大需求。燃料电池由于不受卡诺循环效应的限制，具有效率高、无污染等优势，被认为是*有发展前途的发电技术之一。
2.1 燃料电池用高分子材料
2.1.1 燃料电池用高分子材料的种类范围
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。燃料电池汽车（fuel cell vehicle，FCV）采用燃料电池产生的电能作为动力，具有使用零污染、续航里程长和加氢时间短等优势，其广泛应用有助于节约燃料及减少大气污染，是未来汽车工业可持续发展的重要方向之一，也是解决全球能源和环境问题的理想方案之一。燃料电池的种类很多，其分类方法也有多种。按电解质的类型，燃料电池可分为碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等五大类见表2-1和表2-2。目前，应用较多的是PEMFC和AFC。*早参与实际应用的燃料电池是AFC，在Apollo飞船中应用的AFC不仅为飞船提供了动力，还为宇航员提供了饮用水，且其材料成本较低。阴离子交换膜（AEM）作为
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