应用化学专业前沿应化11-2

发布时间：2017-03-17 17:31:40 来源：文档文库

小中大

字号：

手机查看

应用化学学科前沿

高分子材料

前言：

高分子材料也称聚合物材料，它是以高分子化合物（树脂）为基体，再配以其他添加剂（助剂）所构成的材料。高分子材料包括天然高分子材料，如棉、麻、丝、毛等；由天然高分子原料经过化学加工而成的改性高分子材料，如粘胶纤维、醋酸纤维、改性淀粉等；由小分子化合物通过聚合反应合成的合成高分子材料，如聚丙烯树脂、顺丁橡胶、丙烯酸涂料等。由于高分子材料概括性太大，先介绍几种不同高分子材料的发展现状。

高分子材料是材料领域中的新秀，它的出现带来了材料领域中的重大变革。高分子材料与其他的各种材料（如木材、陶瓷、金属、水泥、棉、毛、丝、皮革、纸张等）并驾齐驱，在各种工业部门得到了广泛的应用，这主要是高分子材料本身具有许多的优良特性，例如塑料质地轻盈、加工成型方便，可以制成各种生活用品；工程材料具有较高强度，可以代替金属,由于高分子材料的相对密度为1.0~1.4，是钢铁相对密度的1/8、铝的1/2，这对于要求减轻自重的应用，有特殊的意义。

从我们以前学过的化学知识中可以知道，高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等．碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构．碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物．有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來．這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能．高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能团）替换, 以改变高分子的特性．高分子具有巨大的分子量, 达到至少１万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人们將其称为高分子、大分子或高聚物．

高分子的种类繁多，随着化学合成工业的发展和新聚合反应和方法的出现，种类不断增加，就要进行分类。可以根据来源、性质、用途、结构等不同的角度进行多种分类。依据材料的性能和用途，可以将聚合物分为塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂、功能高分子、离子交换树脂等；按应用功能分类可以分为通用高分子如塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等，功能高分子如具有光电磁等物理功能的高分子、高分子药物等，特殊功能高分子如耐热、高强度的聚碳酸酯等，仿生高分子如高分子催化剂、模拟酶等。

高分子材料可以人为合成，那是不是代表着人们可以随心所欲的合成自己需要的材料呢？答案当然是否定的。就目前人类的科学发展水平来看，想随心所欲的合成高分子材料是不可能的。先来看看目前高分子材料的发展现状以及发展前景吧。

随着高分子材料合成与加工的技术进步,塑料在各行业得到广泛、深入的应用。各行业所采用的塑料制品大不相同,对制品的材质、性能等方面的要求各有其特殊性。塑料助剂、树脂原料和塑料加工机械一起组成了塑料加工的三大基本要素。此外,加工工艺水平、配方技术以及相关配套服务设施也成为完美展现塑料制品性能的不可或缺的因素。据统计,2001年全球塑料助剂的消费量达到了7900kt,销售额146亿美元,其中,功能助剂占据了80%左右。一些新型功能助剂发展时间不长,消费量较低,却带来了助剂产业新的突破点和增长点,丰富完善了整个助剂体系,其高技术含量和巨大的增幅显示了强大的生命力。同时,传统的助剂也正努力寻找新的替代品。单一结构对应单一性能,仍是助剂分子结构研究和设计的理论基础,但复合化、高分子量化、环保化等新思路逐渐占据了新型研发的主线。一剂多功能化和单剂单功能高效能化成为现代助剂研发的趋势。在注重功能体现的同时,人们将更多的目光投在了前期的加工适用性、配方设计和后期的回收、无害化处理等问题上,这使得助剂研究的结构更为合理,发展更为平衡。此外,科研院所、高校的基础理论性研究如何与现代企业结合,更快更好地投入到工业化生产,加大应用研究的投入力度也是助剂专家和企业家需要考虑和面对的问题。

我国助剂工业起步较晚,发展迟缓,难以适应目前的发展趋势,必须借助行业发展,探索一条具有中国特色的助剂工业之路。在消化、吸收、仿制国外先进品种和技术的基础上,针对不同行业要求和特点,开发出高效、多功能、复合化、低(无)毒、低(无)污染、专用化的助剂品种,提高规模化生产和管理能力,改变目前助剂行业规模小、品种少、性能老化且雷同、针对性(专用性)差、性能价格比明显低于国外同类产品、创新能力低下、污染严重、无序竞争的局面,创造一个投入产出比明显高于其他化工产品的新产业。

虽然功能高分子材料的发展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和离子交换树脂都有很长的历史。但是作为一门独立的完整的学科，功能高分子是从20世纪80年代中后期开始发展的。最早的功能高分子可追述到1935年离子交换树脂的发明。20世纪50年代，美国人开发了感光高分子用于印刷工业，后来又发展到电子工业和微电子1957年发现了聚乙烯基咔唑的光电导性，打破了多年来认为高分子材料只能是绝缘体的观念。1966年little提出了超导高分子模型，预计了高分子材料超导和高温超导的可能性，随后在1975年发现了聚氮化硫的超导性。1993年，俄罗斯科学家报道了在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体，这是迄今为止唯一报道的超导性有机高分子。20世纪80年代，高分子传感器、人工脏器、高分子分离膜等技术得到快速发展。1991年发现了尼龙11的铁电性，1994年塑料柔性太阳能电池在美国阿尔贡实验室研制成功，1997年发现聚乙炔经过掺杂具有金属导电性，导致了聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子的问世。这一切多反映了功能高分子日新月异的发展。其中从20世纪50年代发展起来的光敏高分子化学，在光聚合、光交联、光降解、荧光以及光导机理的研究方面都取得了重大突破，特别在过去20多年中有了飞快发展，并在工业上得到广泛应用。比如光敏涂料、光致抗蚀剂、光稳定剂、光可降解材料、光刻胶、感光性树脂、以及光致发光和光致变色高分子材料都已经工业化。近年来高分子非线性光学材料也取得了突破性的进展。

反应型高分子是在有机合成和生物化学领域的重要成果，已经开发出众多新型高分子试剂和高分子催化剂应用到科研和生产过程中，在提高合成反应的选择性、简化工艺过程以及化工过程的绿色化方面做出了贡献。更重要的是由此发展而来的固相合成方法和固定化酶技术开创了有机合成机械化、自动化、有机反应定向化的新时代，在分子生物学研究方面起到了关键性作用。电活性高分子材料的发展导致了导电聚合物，聚合物电解质，聚合物电极的出现。此外超导、电致发光、电致变色聚合物也是近年来的重要研究成果，其中以电致发光材料制作的彩色显示器已经被日本和美国公司研制成功，有望成为新一代显示器件。此外众多化学传感器和分子电子器件的发明也得益于电活性聚合物和修饰电极技术的发展。高分子分离膜材料与分离技术的发展在复杂体系的分离技术方面独辟蹊径，开辟了气体分离、苦咸水脱盐、液体消毒等快速、简便、低耗的新型分离替代技术，也为电化学工业和医药工业提供了新型选择性透过和缓释材料。目前高分子分离膜在海水淡化方面已经成为主角，已经拥有制备18万吨/日纯水设备的能力。

医药用功能高分子是目前发展非常迅速的一个领域，高分子药物、高分子人工组织器官、高分子医用材料在定向给药、器官替代、整形外科和拓展治疗范围方面做出了相当大的贡献。

功能高分子材料是一门涉及范围广泛，与众多学科相关的新兴边缘学科，涉及内容包括有机化学、无机化学、光学、电学、结构化学、 -生物化学、电子学、甚至医学等众多学科，是目前国内外异常活跃的一个研究领域。可以说，功能高分子材料在高分子科学中的地位，相当于精细化工在化工领域内的地位。因此也有人称功能高分子为精细高分子（Fine Polymers），其内涵指其产品的产量小，产值高，制造工艺复杂。功能高分子材料之所以能成为国内外材料学科的重要研究热点之一，最主要的原因在于它们具有独特的“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改进其性能，使其成为具有全新性质的功能材料。

高分子材料在电气工业的发展，随着时代的发展，高分子材料在电子、家电和通信领域。高分子在电气电子工业主要用作绝缘、屏蔽、导电、导磁等材料；在通信领域，高分子材料的需求量随着社会的发展，高分子材料不仅广泛用于各类终端设备，而且作为生产光纤、光盘等高性能材料使用。我国电气生产大国，全行业对高分子材料需求量较大用量。高分子材料轻质、绝缘、耐腐蚀、表面质量高和易于成型加工的特点这正是生产各种家用电器的最佳材料,而家用电器是人们的必须生活用品，高分子材料电气工业的发展是不会停止。

高分子材料在农业的发展，近年来我大地区实施的地膜覆盖、温室大棚以及节水灌溉等新技术，使农业对高分子材料的需求越来越大。使用地膜覆盖可保温、保湿、保肥、保墒，并可以除草防虫，促进植物生长，提前收割，从而提高农作物的产量；应为使用温室大棚和遮阳网才使得蔬菜和鲜花四季生长；高分子材料质轻、耐蚀、不结垢、易于运输、安装和使用，在现代农业灌溉中被广泛运用；此外，绳索、洗衣具、渔网、鱼筐等也用高分子材料，经久耐用又容易清洗。

高分子材料在建筑工程上的应用，在现在的建筑工程没有不见高分子材料的，可见高分子材料制品有排水管道、导线管、塑料门窗、家具、洁具和装潢材料和防水材料。在20世纪70年代以后低发泡塑料等结构材料的发展大量取代木材，使得高分子材料在建筑材料中用作结构件增长很快；目前，塑料管道在我国建设领域累计使用量高达近2000万吨。2008年，建设行业塑料管道工程使用量达到200多万吨，其中：市政工程约用量130万吨，建筑工程约70万吨，2008年市场占有率达到45%左右。有关专家根据住房和城乡建设行业的发展速度做了分析：未来几年后随着住房和城乡建设领域对塑料管道的不断需求，预计年需求量大约在300万吨左右。

高分子材料在包装行业的应用，高分子材料塑料薄膜用以包装早就融入日常生活之中，食品、针织品、服装、医药、杂品等轻包装绝大多数都用高分子材料包装；化肥、水泥、粮食、食盐、合成树脂等重包装由高分子材料编织袋取代过去的麻袋和牛皮纸包装；高分子材料容器作为包装制品既耐腐蚀，有比玻璃容器轻、不易碎，在运输带来了很多方便。及统计包装已经成为塑料应用最大的市场。2004年，中国包装用塑料消耗量达540万吨，预计2005年这一数字将达到625万吨。对包装工业而言，塑料是包装用材料增长最快的品种。专家预测，2008年塑料将在多个应用领域超过纸包装成为用量最大的包装材料。塑料包装应用的快速发展，一方面得益于塑料良好的适应性与易加工性，另一方面，各种功能产品不断推出，成为市场迅速扩张的最大推动力；全球塑料年消耗量已达1.76亿吨。其中，包装塑料制品雄踞首位。根据不同国家或地区特点，塑料包装占塑料总用量的25%-70%不等。从包装用材料而言，塑料包装已远远超过玻璃、金属、木材等传统的包装材料，仅次于纸制品而居第二位，但其发展速度则远高于纸包装及其他包装材料。

高分子材料在汽车行业的运用。相比传统的金属件(Metallic Parts)，高性能的塑料件(Nonmetallic Parts)具有成本低、重量轻、可塑性强、原材料渠道多样化、可替换性强等诸多优点。目前世界不少轿车的塑料用量已经超过 120千克 / 辆，个别车型还要高，德国高级轿车用量已经达到300 千克 / 辆。国内一些轿车的塑料用量已经达到200 千克 / 辆。可以预见，随着汽车轻量化进程的加速，塑料在汽车中的应用将更加广泛。

高分子材料在国防、航天、航天科技领域和医学领域也有重要地位。

高分子材料的发展趋势。

改善高分子材料对资源的依赖。当代合成高分子材料主要来自于石油这种化工资源，二石油的生长又是一个漫长的地质过程，石油资源正日益减少而无法及时再生。因此，有必要寻找可以代替石油的其他资源来作为合成高分子材料的原料来源。最有效的就是使用天然高分子，也可以探究无机高分子材料的合成。可结合基因工程的方法，促使植物产出更多的可以直接利用的天然高分子，或者通过地球上富有的资源合成高分子。

成为低碳资源，易回收再利用。合成高分子材料的生产要尽可能实现零排放，零污染。使其实现绿色化学过程，成为一种绿色材料。研究高分子材料的环境同化，实现高分子材料的生物降解.无害焚烧乃至高分子材料治理环境污染。提高高分子材料的循环和再生使用的价值和效率。使高分子材料与环境和谐，发展前景广阔。

开辟新型功能材料产业。新产业的兴起于兴旺，需要新型材料给予支撑。而高分子材料早就充当了多次这种角色。先进高分子结构材料.光电高分子材料.高分子光通讯材料.生物高分子材料和高分子材料智能系统等新型材料的研发，需要不同行业支持和不同的技术支撑。钢铁.陶瓷.高分子这些传统的材料之间的界限越来越模糊而融合也越来越明显，通用材料也功能材料之间的相互渗透也越来越明显等。性能越来越好的高分子材料在生活中，生产上应用的越来越广。

高分子导电材料的新进展方向。电高分子材料掺杂导电剂复合导电材料随着信息化和高科技的进步, 对特殊功能高分子材料的需求与日俱增。高分子导电材料是其中之佼佼者, 它是投入力量较多, 实用化成就最大的一种重要功能材料。迄今学术界、产业界都在踊跃地对它进行研究、开发。高分子导电材料包括导电高分子材料和复合导电材料。导电高分子材料分为结构型和热分解型两类。

高分子材料生物降解性能的进展方向。高分子材料以其优越的机械性能、良好的持久性以及较低的成本,自20世纪以来得到了非常广泛的应用。但正是由于其在环境中的持久性,废弃的高分子材料对环境的污染也日益扩大,成为一个令全世界关注的环境问题。

智能高分子材料是材料研究的新领域。智能高分子材料又称机敏材料,也被称为刺激- 响应型聚合物或环境感聚合物,是智能材料的一个重要的组成部分。它是通过分子设计和有机合成的方法使有机料本身具有生物所赋予的高级功能:如自修与自增殖能力,认识与鉴别能力,刺激响应与环境应变能等。环境刺激因素很多,如温度、 pH 值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光(或紫光)、应力和识别等,对这些刺激产生有效响应的智能聚合物自身性质会随之发生变化。它与普通功能材料的区别在它具有反馈功能, 与仿生和信息密切相关,其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃,已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视。