功能高分子材料在室内设计中的应用现状

谷 雨，彭 博，杜 磊（.河北工程技术学院，河北省石家庄市 050000； .河北省电力建设第一工程公司，河北省石家庄市 050000）



功能高分子材料在室内设计中的应用现状

谷 雨1，彭 博2，杜 磊2
（1.河北工程技术学院，河北省石家庄市 050000； 2.河北省电力建设第一工程公司，河北省石家庄市 050000）

摘 要：综述了光电高分子材料、仿生高分子材料、环境敏感型高分子材料以及其他高分子材料在室内设计中的应用现状。光电高分子材料可以实现光能和电能的相互转换，仿生高分子材料具有一定的生物特性，环境敏感型高分子材料则会根据周围温度、湿度、光照强度等因素的变化而发生色彩、透光度、发光强度等性能的变化。将功能高分子材料应用于室内设计，充分利用这些材料的力学性能、热学性能、光学性能、介电性能，可满足人们日常生活中对光线、色彩、外形、功能等方面的需求。

关键词：光电高分子材料 仿生高分子材料 环境敏感型高分子材料 室内环境设计

高分子材料由于其结构的不同，可以从力学性能、光学性能、热学性能、介电性能、吸湿性能等各方面满足室内设计的不同需求。因此，高分子学科的发展在很大程度上拓宽了室内设计的空间和前景［1］。近年来，随着科技的进步、生活水平的提高以及人们“以人为本”意识的加强，室内设计越来越倾向于人性化和智能化，而实现这些目标离不开高分子学科的发展。在美国苹果公司完全智能化的未来人类室内居住环境设想中，则需要用到高分子液晶材料、光电高分子材料、环境敏感型高分子材料等。高分子材料可以从光线、色彩、外形、材质、功能等诸多方面为改善人类室内居住环境提供服务。利用高分子有机发光二极管（PLED）可以制备颜色和强度可调节的发光器，导热高分子材料可以用来调节室内温度，形状记忆材料则可用来制备贴合人体工学的家具，仿生高分子材料可以用来制备防水、耐摔、高强度、洁净的室内装饰用品等。本文从光电高分子材料、仿生高分子材料、环境敏感型高分子材料等方面介绍了高分子材料在室内设计中的应用现状。

1　光电高分子材料的应用现状

光电高分子材料兼具感光高分子材料和导电高分子材料的特性，可用于光能和电能的相互转换。其中，将光能转化为电能的高分子材料主要用于聚合物太阳能电池中；将电能转换为光能的高分子材料主要用于制备PLED。通过改变聚合物结构可以制造颜色和光强不同的发光器，由于高分子材料的柔韧性和优异的加工性能，在室内设计中有广泛的应用前景。常用于PLED中的聚合物材料有聚噻吩、聚芴、聚苯胺、聚苯等共轭高分子材料或高分子配体与稀土金属形成的高分子稀土配合物。PLED是一种典型的光电高分子材料，建立在喷墨打印技术的发展上，PLED制备简单、成本低，具有优良的耐热性和耐腐蚀性能，并且有较高的发光效率［2-3］。与小分子有机发光二极管相比，虽然PLED材料向彩色化发展的脚步还相对较慢，但在未来的研发过程中这一问题是可以克服的。由于PLED是以高分子材料为基体，在室内环境设计时，PLED可以借助高分子材料的柔性、易加工性制备外形美观，节省空间的发光地砖、发光墙纸、发光饰品和摆件等器件，从而满足人们在室内装修时物质和精神双方面的需求。

与传统的单晶硅或多晶硅太阳能电池相比，聚合物太阳能电池具有无污染、质量轻、成本低、可制备柔性器件等优点［4-5］。其中，聚合物在太阳能电池器件中主要用作电子给体材料或电子受体材料。电子给体材料以聚对苯乙炔、聚噻吩、聚芴及低能带间隙聚合物为主，比较具有代表性的聚合物材料包括聚3-己基噻吩、含苯并噻二唑单元的共聚物、含吡啶和N-十二烷基吡咯重复单元的共聚物等，其中，聚噻吩类和聚对苯乙炔类异质结型太阳能电池器件性能较为稳定，光电转换效率相对较高；作为电子受体材料，以吡啶类聚合物为代表的杂环形聚合物和以苯并咪唑-苯并菲咯啉共聚物为代表的梯形聚合物具有较为优异的光学性能，与电子给体材料既可以在一定程度上相容，又存在一定程度的相分离，使产生的激子分裂界面形成无数个异质结，优化有效分离界面，提高光电转换效率。其中，性能较为优异的电子受体材料有聚（1，1-二溴-2-甲氧基-5-（2-乙基己氧基）二甲苯和聚（2-甲氧基-5-十二烷氧基）等。目前，虽然聚合物太阳能电池的光电转换效率还相对较低，但可为室内所用的低功率电器（如显示屏、电子相框、电子留言板、装饰用的低功率发光器等）提供电力支持，而且聚合物太阳能电池具有优异的柔性，在室内设计中不仅可以极大节省空间，还能够兼顾到室内环境的美观。

除了光电高分子材料，还有一些其他的能量转换材料。如聚乙炔等导电高分子可以将电能转化为热能，这类高分子材料可以制成地板或坐垫，与金属电阻丝相比，高分子材料更安全。

2　仿生高分子材料的应用现状

仿生高分子材料是指以聚合物为基体，通过模拟植物或动物在色彩、形状、材质、功能等生理或生物特性而研制的材料［6-7］。早期的仿生高分子材料主要以模仿生物外形为主，如仿照锯齿草的外形制造锯子、仿照鱼鳍制造船桨等；20世纪中期，仿生学逐渐发展到分子水平，从而开启了从分子水平模仿生物的微观结构和化学成分而制造各种材料，如模仿荷叶表面的微观结构制备了超疏水材料、模仿壁虎爪部的微观结构研发出超强力吸盘。

荷叶表面具有超疏水特性，是由于其表面均匀分布着10 μm左右的微凸结构，这些微凸结构又由许多直径为200 nm的凸起物构成，微凸结构之间的间隔大约为12 μm。这就相当于荷叶表面是由纳米级粒子组成的微米级粒子簇构成的，导致其微观结构非常不平整，从而赋予了荷叶表面超疏水性能。研究者利用仿荷叶表面微观结构的聚乙烯醇或聚苯乙烯阴模模具，通过复模方式在聚二甲基硅烷表面制备出类荷叶结构及纳米级微凸结构，进而制备了超疏水的硅树脂涂料。这种硅树脂涂料水接触角高达165.2°，滚动角为5.0°，具有良好的疏水性能。将这种涂料用于室内的装修设计，可以在很大程度上解决墙体的清洁问题［8］。

壁虎的脚趾上长有数百万根长度为30～130 μm的细小刚毛，而每根细小刚毛的末端又分叉形成100～1 000 根长度为200 nm，厚度为5 nm的铲状绒毛。当壁虎脚部与墙壁发生接触时，每根刚毛可以与墙壁产生约200 μN的范德华力，而壁虎的四只脚与墙壁可以产生133 kg左右的相互作用力。科学家利用具有纳米圆孔阵列的光掩膜，在聚酰亚胺基体材料上进行电子书刻蚀，然后进行氧等离子体处理，仿照壁虎脚部的微观结构研发了纳米簇“壁虎脚”（见图1），这种材料不仅有较高的承受力（300 g/cm2），而且具有较高的洁净度和循环利用性［9］。

图1　蛛丝微观结构与仿壁虎脚部纳米簇材料的扫描电子显微镜照片（×150 000）Fig. 1 SEM photos of microscopic structure of spider silk and house Lizard foot-biomimetic nano-clusters

另外一种仿生高分子材料是化学成分仿生高分子材料。蛛丝是一种强度极高的天然高分子纤维，是由甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸和其他氨基酸单体构成的蛋白质分子链。这些蛋白质分子链形成规则和不规则的复合螺旋结构，从而赋予其高强度和高弹性，另外，蛛丝中的吡咯烷酮和一些杀菌物质也赋予了其优良的吸湿性和自杀菌作用。科研工作者将蜘蛛制造蛛丝的脱氧核糖核酸片段转录到山羊的胚胎细胞中，从山羊乳汁中提取用于纺丝的蛛丝原液，从而制备了高强度的人造蛛丝。将这种人造蛛丝用于纱网等保护罩，具有优异的实用性和较长的使用寿命。

叶绿体仿生太阳能电池是利用硅橡胶、纳米二氧化钛、染料和纳米量子点制备的硅橡胶复合材料薄膜太阳能电池。这种叶绿体仿生太阳能电池是利用光敏材料和纳米量子点作为“捕光手”，纳米二氧化钛作为“光电转换中心”，硅橡胶作为肉形外壳。这种聚合物薄膜太阳能电池由于采用光敏材料和纳米量子点同时作为“捕光手”，所以对光照要求不高，即便在室内光照不强的情况下也有较高的光电转换效率（约11%），适用于室内显示器，对室内设计的智能化发展有重要的推动作用。2014年，两位澳大利亚设计师设计了绿叶形太阳能电池，将这种电池贴在窗子上不仅美观，还可以进行电能储备，从而为室内提供电力。

3　环境敏感型高分子材料的应用现状

环境敏感型高分子材料是指材料对环境变化较为敏感，并且性能会随着环境的变化而变化，最常见的可以引起材料性能变化的因素有光强、温度、湿度、pH值等。利用聚N-异丙基丙烯酰胺等光致变色材料，可使室内景观随着一天之内光强的变化而变化，还有一些高分子材料会随着温度升高或湿度增大而显色，在检测室内温度和湿度的同时，可以增强室内景观的多样性和观赏性。丙烯酰胺类聚合物是一种对温度敏感的高分子材料，这种聚合物存在一个相转变温度，随温度变化，分子内和分子间的氢键及范德华力发生可逆性变化，从而导致颜色变化：温度高于相转变温度时，材料呈浅色或无色透明；温度低于相转变温度时，材料呈深色或黑色［10］。采用这种材料可以用来制作窗户，在温度较高的白天或夏季，窗户变为透明或白色，可以减少热量吸收，保持室内凉爽；而在温度较低的夜里或冬季，窗户则变为黑色，不仅可以保护居民的隐私，而且还可以提高热量的吸收，起到保暖节能的作用。这些材料可用于室内墙壁涂料以及墙壁装饰，不仅可以调控室内温度，还为居民生活提供更多乐趣。

光致变色高分子材料也是一种环境敏感型材料，这类高分子材料主要有偶氮类、螺环结构类、苯乙基萘并萘醌类、二苯基乙烯类等［11］。不同光致变色高分子材料对不同波段及不同强度的光具有敏感性，有的高分子材料对紫外光较为敏感，如二芳基乙烯类聚合物在较强紫外光的照射下颜色会发生变化，可以用来检测紫外光的强度并进行紫外防护。聚N-异丙基丙烯酰胺对可见光敏感，随着光强的变化，这类材料的颜色发生变化或发生显色反应，将这种材料作为有机玻璃则可以更为智能地保护居民隐私。光致变色高分子材料用作信息储存或装饰，可以在光强发生变化时显示所储存的信息或所设计的装饰。

聚丁二炔及二炔酸类材料是一种感湿变色材料，当湿度发生变化时，这类材料的分子会在团聚态和分散态之间发生转变，而这两种状态的材料在吸收不同波段的光时会发生颜色的改变［12］。这种感湿性变色材料用于浴室时，因湿度的变化，可在使用该种材料的浴室地板或墙壁处显现出设计好的图案。

4　其他高分子材料的应用现状

高分子复合材料通常分为结构型高分子复合材料和功能型高分子复合材料［13-15］。其中，结构型高分子复合材料［16-17］（如玻璃纤维或竹纤维改性的聚氨酯、聚烯烃等）通常具有较为优异的力学性能，同时具有高分子材料的质轻、耐化学药品腐蚀等性能；功能型高分子复合材料［18-20］（如碳纳米管或纳米二氧化硅改性的酚醛树脂、聚氨酯等）不仅具有传统结构型高分子复合材料的优点，还具有导电、导热、发光、保温等特殊功能，在室内设计中具有十分广泛的应用前景。用于室内设计的高分子材料还包括具有自修复功能的高分子材料［21］（如紫外光响应的聚氨酯材料及热可逆的高度交联环氧树脂材料）、储能高分子材料［22］（如聚乙烯醇固-固相变高分子材料）、纳米高分子材料［23］（如纳米水性聚氨酯涂料）、形状记忆高分子材料［24］（如辐照交联的聚乙烯、聚降冰片烯、苯乙烯-丁二烯共聚物等）等。

5　结语与展望

高分子材料具有质轻、易加工、成本低等优点，还具有各种各样的功能性特征。光电转化高分子材料可以用于室内的电力或光线供应；仿生高分子材料可以仿照生物的特性满足居民在洁净度、力学、热学等方面的需求；环境敏感型高分子材料可以利用环境的变化改变自身特性。功能高分子材料目前还处于高速发展中，未来还会有越来越多具有自身特性的高分子材料被研发出来，而目前应用的高分子材料的性能也会逐步完善。

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Application of functional polymer materials in interior design

Gu Yu1，Peng Bo2，Du Lei2
（1. Hebei Polytechnic Institute，Shijiazhuang 050000，China；2. Hebei First Electric Power Construction Engineering Company，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：This paper reviews the application of functional polymer materials such as bionic，environment sensitive and photoelectric polymer in interior environment design. Among which photoelectric polymer can promote the conversion of light and electric energy，the bionic polymer materials exhibit biological characteristics，the performances on color，transmittance，and luminous intensity of environment sensitive polymer materials would vary with the temperature，moisture，and illumination intensity. These functional polymer can be applied for interior environment design to meet the requirements of appearance，color，light and function in this field thanks to the dielectric，mechanical，optical，and thermal properties of these materials.

Keywords：photoelectric polymer material； bionic polymer； environment sensitive polymer material；interior environment designing

作者简介：谷雨，女，1981年生，工程硕士在读，讲师，主要研究方向为室内设计及功能高分子材料。联系电话：13180054832；E-mail：xiekaimingliu@126.com。

收稿日期：2015-11-28；修回日期： 2016-02-27。

中图分类号：O 631.3

文献标识码：A

文章编号：1002-1396（2016）03-0076-04