汕头大学刘庆先Mater.Horiz.综述：多孔聚合物的结构、制造及应用

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-20 07:59

正文

多孔聚合物兼具了多孔结构和聚合物的固有特性，具备原材料丰富、易于加工、结构可控及表面功能可调等优势，是应对环境、能源和健康挑战的有效平台。深入研究其结构特征、制备方法和应用性能，并探讨三者之间的内在联系，不仅有助于揭示其性能调控的基本规律，为研究人员提供可行的设计思路，还能为选择合适的制备方法以实现多孔材料的潜在应用提供方向。

近期， 汕头大学刘庆先博士与中国科学技术大学 刘之光教授 等合作，聚焦多孔聚合物的孔隙结构，深入探讨了聚合物多孔材料的结构特征、制备方法及其在关键应用领域的最新进展 。该综述有望为相关领域的研究提供有用的参考和启示。相关工作以“Porous Polymers: Structure, Fabrication and Application”为题发表在国际知名期刊《Materials Horizons》上。

首先，文章阐述了多孔聚合物的基本分类及其结构特征。具体从孔隙尺寸、连通性、孔隙率、孔隙分布及孔表面等角度（如图1a-b所示），对各结构参数对材料性能的影响进行了综合解析。此外，将多孔聚合物中固体骨架的类型总结为三种典型结构：连续基质、堆积颗粒和纤维（图1c）。分析了骨架形状与孔隙结构及应用性能之间的关联，指出孔隙和聚合物骨架是不可分割的组成部分，共同构成了一个丰富多样的多孔聚合物体系。在设计和生产过程中，应同时考虑这两者的相互作用，以实现最优的多孔结构和使用性能。

图1、多孔聚合物的种类和结构。a）孔径分类，包括微孔、介孔、微米孔和大孔。b）典型孔隙形状的横截面结构示意图。c）聚合物骨架形式：连续基质、颗粒和纤维。

其次，本文回顾和总结了多孔聚合物常用的制造技术。聚合物的出色可成型性是其广泛研究和应用的主要原因之一，这一特性在多孔聚合物中也得到了良好继承。过去几十年间，研究人员开发了多种技术，实现了对多孔聚合物在多维度上的结构控制，这是多孔聚合物蓬勃发展的关键因素，并为高性能材料的简单和可扩展生产提供了多样化的选择。本文详细介绍了这些技术的工作原理、所得材料的结构特征及其应用范围，包括静电纺丝、呼吸图案法、气体发泡、相分离法、冷冻干燥和模板法（如图2所示）。

图2、多孔聚合物的制备工艺与其孔隙结构的对应关系。图中每个区域表示相应技术可能获得的孔隙结构范围，但不反映孔隙度与连通性之间的明确比例关系。气体发泡技术可以在保持高孔隙率的同时制备闭孔结构。

随后，本文明确了多孔聚合物的孔隙结构与其性能指标之间的密切关系。这些性能指标包括弹性模量、反射/散射特性、通道效应以及空间负载和约束能力。基于这些指标，本文详细讨论了孔隙结构对材料性能的影响规律，并深入探讨了多孔聚合物在柔性压力传感器（图3）、热管理、电磁屏蔽、声学吸收、气体或液体吸附与分离、催化、能量存储、组织工程、药物输送以及其他潜在应用中的表现。

图3、多孔聚合物在柔性压力传感器中的应用。a）多孔聚合物的低弹性模量提升了柔性压力传感器的传感性能。b）高孔隙率传感层在相同载荷下产生更大形变，显著提高电容式压力传感器的灵敏度。c）断裂微孔结构的还原氧化石墨烯/聚氨酯海绵压阻式传感器实现了更大的电阻变化。d）微孔 PVDF 膜的压电式压力传感表现出更高的输出电压和灵敏度。e）多孔介质层的摩擦电压力传感器性能显著提升。

最后，本文系统分析了多孔聚合物在各环节中面临的挑战，并探讨了相应的应对策略，为该领域的进一步发展和应用提供了有价值的见解。汕头大学刘庆先博士为本文的第一作者兼通讯作者，共同通讯作者为刘之光教授和王泉院士。此外，本工作还得到了南方科技大学郭传飞教授、刘金龙博士以及中物院电子工程研究所万永彪助理研究员等的大力支持。研究获得了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广东省科技专项资金等项目的资助。

汕头大学刘庆先Mater.Horiz.综述：多孔聚合物的结构、制造及应用

正文

请到「今天看啥」查看全文