我国高分子材料研究现状及产业发展策略.docx

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我国高分子材料研究现状及产业发展策略

我国高分子材料研究现状及产业发展策略

如果以材料来标志人类社会文明发展的阶段，刚刚过去的20世纪的社会文明的标志、则是以塑料、橡胶和纤维为代表的合成高分子材料走人了干家万户，影响｝农业、能源、信息、环境及人口与健康等领域的进步与发展。

   合成高分子材料按使用性质划分，有塑料、橡胶、纤维、涂料等，按用途划分有结构型和功能型，同一用途不同层次则有通用型和高性能型之分，功能型细分则有光、电、磁功能和生物相容功能等。

　　合成高分子材料具有量大、面广的特点。

量大是指全世界合成高分子材料的年产量，按体积计已超过了钢铁材料的产量。

美国的高分子材料的年消费总量为800亿美元，以重量汁接近钢铁材料，消费量的递增速度超过了GDP的递增。

面广是指合成高分子材料的种类和品种繁多，即使是同了种化学组成的合成高分子材料，也往往因其结构的细微差别而成为不同的专用品种，以满足特定的使用需要。

－、高分子材料概述

　　材料是人类用来制造有用物件的物质，材料的可用性由形成材料的物质分子的属性所决定。

组成高分子材料的分子是长链分子，由若干原子按一定规律重复地连接成具有成干上万甚至上百万质量、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，因此高分子材料又被称为聚合物材料。

　　1.天然和人造高分子材料

　　高分子材料的发现和应用经过了从天然高分子材料的直接使用，到天然高分子材料的改造再利用，再到化学合成制簧高分子材料的过程。

2500多年前，南美印地安人将天然橡胶树汁涂覆在脚上，依赖空气中的氧连接天然橡胶树汁中的长链分子使其变硬，制成了早期的"靴子"。

1839年，美国Goodyear.发现用硫原子取代空气中的氧使天然橡胶树汁变硬的方法，发明了硫化技术，使天然橡胶成为一种高分子材料。

这种主耍通过化学反应对天然产物进行改性，使人类从原始利用进人到有目的改造天然产物而得到的高分子材料，称为人造高分子材料。

1855年，由英国人Parks用硝化纤维素和樟脑制得的赛骆堵塑料，也是有划时代意义的一种人造高分子材料。

　　2.合成高分子材料

　　用化学合成的方法得到并被实际应用的第一个合成高分子材料，是1909年报道的美国Baekeland发明的酚醛树脂。

1920年，德国科学家Staudinger提出高分子的长链分子概念后，开始了用化学合成的方法大规模制蚤合成高分子材料的时代。

1935年，英国帝国化学公司（ICI）开发出高压聚乙烯，因其极低的介电常数而在第二次世界大战期间用作雷达电缆和潜水艇电缆的绝缘材料，此后得到广泛应用。

1940年，美国杜邦公司（DuPont）推出尼龙纺织品（如尼龙丝袜），因其经久耐用而在当时的美国和欧洲风靡一时，而尼龙66纤维制造的降落伞，更是大大提高了美国军队在第二次世界大战中的作战能力。

　　20世纪中叶的石油化工的发展虽然得到了许多可供合成高分子材料工业使用的原料，但其中的许多原料却不能被当时已有的高分子合成反应和技术所接受。

1953年，德国科学家Zieglar.和后来的意大利科学家Natta，发明了配位聚合催化剂，大幅度地扩大了合戚高分子材料的原料来源，得到了一大批新的合成高分子材料，使聚乙烯和聚丙烯这类通用合成高分子材料走人了干家万户，确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。

   20世纪70年代中期，美国科学家Heeger,MacDiarmid和日本白川英树的一项发现，改变了高分子只能是绝缘体的观念，在塑料导电研究领域取得突破性的发现，具有光、电、磁活性的导电聚合物成为对物理学家和化学家都具有重要意义的研究领域。

导电聚合物在发光二极管、太阳能电池、移动电话和微型电视显示装置等领域不断找到新的用武之地。

　　3.我国高分子材料的研究和开发

　　我国的高分子材料的研究起步于20世纪50年代初，通过高分子化学、高分子物理、高分子成型加工和高分子反应工程等学科和产业部门的合作，开发出一批体现我国科研和产业化水平和能力的高分子材料及生产技术。

这些材料有满足国防需要的离子交换树脂和高分子粘结剂，有已产业化的镰催化顺丁橡胶、辐照交联热收缩高分子材料及超细旦聚丙烯纤维，有已出口的SBS热塑弹性体工业化生产技术和聚丙烯工业化生产用Ｎ型催化剂，还有已在境外实施的稀土催化异戊橡胶等。

我国是高分子材料的大国，年消费量超过3000万ｔ，但还不是强国。

不仅产品的竞争力有待提高，产量也不能满足国内的需求，如合成塑料和合成橡胶的年产量只能满足一半左右的国内需求。

尽快完成从高分子材料的生产和消费大国到强国的转变，发挥高分子材料对传统产业的改造、对新兴产业的兴起的支撑作用，需要开展高分子材料科学的创新研究，需要实现高分子材料产业的持续发展。

二、高分子材料技术的创新研究　　

1.高分子材料的化学合成

　　多品种的合成高分子材料虽然体现了多用途的使用价值，但却增加了材料合成与制备的复杂性和材料回收再利用的难度。

因为不同品种的高分子材料是由不同的原料单体采用不同的合成技术制得的，要采用不同的技术进行分类后才能回收再利用。

如果能开发一种化学合成技术，实现分子结构和立体结构的调控，达到由一种或有限的几种原料单体，制得具备不同性质、满足多种需求的高分子材料，显然是很有挑战意义的。

这和钢铁材料产业提出的"一钢多能"－样，对通用高分子材料的更新换代有战略意义。

　　2.高分子材料的物理合戍

　　高分子材料的作用和功能的发挥，不仅取决于化学合成形成的分子链的化学结构，还取决于分子链间的非化学成键的相互作用的支撑和协调。

分子链间的非化学成锭的相互作用的形成，可以通过所谓的物理合成方法来实现。

利用外场的物理作用，在一确定的空间或环境中像搬运积木块一样地移动分子链，采用自组合、自合成或自组装等方法，靠分子链间的相互作用，构建具有特殊结构形态的分子链聚集体。

如果再在分子链聚集体中引发化学成键，则能得到具有高度准确的多级结构的高分子材料。

这种物理合成的方法对获得大面积高分子功能薄膜材料和器件很有意义。

　　3.高分子材料的仿生合成和生命活性化

　　日光、二氧化碳和水经过植物的"合成"，成为可以使用的高分子材料（如天然橡胶等）。

柔蚕将桑叶"合成"蚕丝，蜘蛛将体液"合成"蜘蛛网，可以得到别具特色的纤维材料。

自然界中生物体的这种活性反应器和活性催化剂的功能和作用，正是高分子材料的仿生合成可惜鉴之处。

传递着所有生命过程的生物大分子，与合成高分子一样都是长链分子，但由于难以在合成高分子的分子链上接上确定的序列结构，难以形成精确的链折叠和链间组装，合成高分子表现不出生命活性。

生命大分子结构的精确、活性的专一和功能的多元，对合成高分子材料的生物应用提出了挑战。

合成高分子材料与生物工程学和生命科学的结合，不仅能开发出更多的生物医用高分子材料，还能制备出与生物高分子一样精确的序列结构，组装成类似细胞那样能控制生命过程的生物活性合成高分子材料，也能得到连接细胞与计算机、沟通生命与信息的合成高分子材料。

　　４.高分子材料的成型加工

　　高分子材料的最终使用形式是高分子材料制品，而高分子材料制品的性能与其成型加工过程息息相关。

成型加工技术不仅要适应化学结构不断变化的各种新型高分子材料的出现，不仅要通过成型加工，在材料制品中实现甚至优化体现材料性能的分子聚集架构，还要发展诸如在工程学层次上操纵分子链进行高分子材料成型加工的新技术，这是纳米材料规模化应用的关键技术。

注意发展在材料表面引人分子、纳米粒子的超临界流体溶胀技术，制备分子链有序排列的大面积高分子光电功能薄膜或纳米纤维的外场辅助制膜成纤技术，适用于超分子体系制备的成型加工技术，以及计算模拟技术在成型加工中的应用等技术，是很有战略意义的。

　　5.高分子材料的智能化

　　材料的智能化是未来各类材料发展的一个方向。

智能化是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识的调节、修饰和修复。

高分子材料中长链分子的丰富构象变化及较弱的分子链间相互作用，赋予高分子材料以自适应性。

高分子表现出的其结构、作用和功能随外界环境而变化的软物质特征，是高分子材料作为智能材料应用的基础。

己经知道无论是最大的力学载荷的传递，还是最快的功能信号的传递，都是沿着高分子的链轴方向，因此了解和掌握外场存在下分子链的取向和聚集，实现外场方向与分子链取向和聚集的同步变化（即当根据需要调节外场方向和强度时，分子链的取向方向和聚集层次也可以随之变化），则能在不同方向和不同层次上调节和发挥高分子材料的功能和性质，使其表现出智能性。

三、促进高分子材料产业持续发展的相关建议　　

1.改善高分子材料对资源的依赖

　　当代合成高分子材料主要依赖石油这种化石资源。

石油的生成是一个浸长的地质过程，石油资源正日益减少而又无法及时再生，因此，有必要寻找可以替代石油的其他资源来作为合成高分子材料的原料来源。

解决的途径可以是天然高分子的利用，也可以探索无机高分子材料的合成。

结合基因工程的方法，促使植物产生出更多的可直接利用的天然高分子，或可供合成高分子材料需要的原料单体。

无机高分子泛指主链原子是除碳以外的其他原子形成的长链分子。

无机高分子的原料来源丰富且多样，已知约有四五十种无机元素可以形成长链分子。

如地球上储量最丰富的硅元素，可以合成得到主链全部是硅原子且具有有机侧链的聚硅烷材料。

这种聚硅烷既可用作结构材料又可用作功能材料，还可以制得氮化硅结构陶瓷材料。

　　2.加强高分子材料与环境的协调

　　合成高分子材料的生产要尽可能实现绿色化学过程，高分子材料的应用耍体现绿色材料的概念。

研究高分子材料的环境同化，强化环境友好的特征，实现高分子材料的生物降解、无害焚烷或循环再生。

增加高分子材料的循环和再生使用的价值和效率，减少对环境的污染乃至用高分子材料治理环境污染。

探索化学合成、物理合成或仿生合成的新概念、新方法，利用植物或微生物比如生物催化剂或菌种，进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行台成，甚至利用日光、二氧化碳和水合成高分子材料等等。

研究高分子材料与生态环境的相互影响，实现高分子材料与生态环境的和谐等。

　　3.政府组织，应对国家需求

　　对于国家急需而又短缺的材料，例如碳纤维材料，在充分论证的基础上，要由政府组织采取国家行为进行一体化的研究、开发和产业化。

为保证这类国家行为行之有效，－是可行性要有充分论证，二是要保护参与国家行为的人员的积极性。

这类政府组织的工作，有许多在科学技术方面是硬骨头，个人决定是否参与的一个重要因素是考虑科学技术上的难度和可行性。

在当今较注重个人绩效与个人利益挂钩的大环境下，保护参与者的积极性，显然是政府组织的国家攻关工作要考虑的问题。

　　４.企业为主，提高高新技术含量

　　实现由材料大国到材料强国的跨越，提高传统材料产业的技术含量至关重要。

如我国通用聚烯烃材料的专用牌号的质量问题亟待改进，虽有各种形式的研究开发活动得到了若干改进技术，但只有通过企业的工业化验证才能发挥作用，只有尽可能多的企业采用，这些技术才能形成生产力。

这就需要企业集团进行组织协调和所有相关企业自觉参与。

　　5.百花齐放，开辟新型材料产业

新兴的信息产业和生物技术相关产业的发展，需要新型材料予以支撑。

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，需要不同领域的知识交叉，需要不同行业的技术交流，因而是最可能由新人形成的断新产业。

不拘一格的用人、宽松平等的学术氛围、公平公正的产业政策等，是新型材料的百花齐放的关键。

当代材料领域的科技研究和产业开发具有以下特点：

传统材料（钢铁、陶瓷和有机高分子）之间的界限变得越来越模糊而融合变得更明显，如无机高分子材料和有机／无机杂化材料的应用等；通用材料与功能材料之间的相互渗透越来越明显，更多的通用材料会同时具有某些功能特性，而功能材料也会显现通用性；材料中原子和分子组合配置的精确设计和精确制备，以及纳米尺度上其结构、性质的观察和测量变得更重要，如化学制备智能材料、生命材料和单分子薄膜器件等；材料的传统研究方法与当代信息社会提供的新技术的结合变得更为必要，如计算材料科学等。

这些特点表明一个材料发展的新时代已经到来。