應(yīng)用化學(xué)專業(yè)前沿應(yīng)化11-2

1、應(yīng)用化學(xué)學(xué)科前沿高分子材料前言：高分子材料也稱聚合物材料，它是以高分子化合物（樹脂）為基體，再配以其他添加劑（助劑）所構(gòu)成的材料。高分子材料包括天然高分子材料，如棉、麻、絲、毛等；由天然高分子原料經(jīng)過化學(xué)加工而成的改性高分子材料，如粘膠纖維、醋酸纖維、改性淀粉等；由小分子化合物通過聚合反應(yīng)合成的合成高分子材料，如聚丙烯樹脂、順丁橡膠、丙烯酸涂料等。由于高分子材料概括性太大，先介紹幾種不同高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀。 高分子材料是材料領(lǐng)域中的新秀，它的出現(xiàn)帶來了材料領(lǐng)域中的重大變革。高分子材料與其他的各種材料（如木材、陶瓷、金屬、水泥、棉、毛、絲、皮革、紙張等）并駕齊驅(qū)，在各種工業(yè)部門得到了廣泛的應(yīng)用

2、，這主要是高分子材料本身具有許多的優(yōu)良特性，例如塑料質(zhì)地輕盈、加工成型方便，可以制成各種生活用品；工程材料具有較高強度，可以代替金屬,由于高分子材料的相對密度為1.01.4，是鋼鐵相對密度的1/8、鋁的1/2，這對于要求減輕自重的應(yīng)用，有特殊的意義。 從我們以前學(xué)過的化學(xué)知識中可以知道，高分子材料其實是有機化合物, 有機化合物是碳元素的化合物除碳原子外, 其他元素主要是氫、氧、氮等碳原子與碳原子之間, 碳原子與其他元素的原子之間, 能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)碳原子是四價, 每個一價的價鍵可以和一個氫原子鍵連接, 所以可形成為數(shù)眾多的、具有不同結(jié)構(gòu)的有機化合物有機化合物的總數(shù)已接近千萬種, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他元

3、素的化合物的總和, 而且新的有機化合物還不斷地被合成出來這樣, 由於不同的特殊結(jié)構(gòu)的形成, 使有機化合物具有很獨特的功能高分子中可以把某些有機物結(jié)構(gòu)（又稱為功能團(tuán)）替換, 以改變高分子的特性高分子具有巨大的分子量, 達(dá)到至少 萬以上, 或幾百萬至千萬以上, 所以, 人們將其稱為高分子、大分子或高聚物 高分子的種類繁多，隨著化學(xué)合成工業(yè)的發(fā)展和新聚合反應(yīng)和方法的出現(xiàn)，種類不斷增加，就要進(jìn)行分類。可以根據(jù)來源、性質(zhì)、用途、結(jié)構(gòu)等不同的角度進(jìn)行多種分類。依據(jù)材料的性能和用途，可以將聚合物分為塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑、功能高分子、離子交換樹脂等；按應(yīng)用功能分類可以分為通用高分子如塑料、纖維、橡膠

4、、涂料、粘合劑等，功能高分子如具有光電磁等物理功能的高分子、高分子藥物等，特殊功能高分子如耐熱、高強度的聚碳酸酯等，仿生高分子如高分子催化劑、模擬酶等。 高分子材料可以人為合成，那是不是代表著人們可以隨心所欲的合成自己需要的材料呢？答案當(dāng)然是否定的。就目前人類的科學(xué)發(fā)展水平來看，想隨心所欲的合成高分子材料是不可能的。先來看看目前高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景吧。 隨著高分子材料合成與加工的技術(shù)進(jìn)步,塑料在各行業(yè)得到廣泛、深入的應(yīng)用。各行業(yè)所采用的塑料制品大不相同,對制品的材質(zhì)、 性能等方面的要求各有其特殊性。塑料助劑、樹脂原料和塑料加工機械一起組成了塑料加工的三大基本要素。此外,加工工藝水平

5、、配方技術(shù)以及相關(guān)配套服務(wù)設(shè)施也成為完美展現(xiàn)塑料制品性能的不可或缺的因素。據(jù)統(tǒng)計,2001年全球塑料助劑的消費量達(dá)到了7900kt,銷售額146億美元,其中,功能助劑占據(jù)了80%左右。一些新型功能助劑發(fā)展時間不長,消費量較低,卻帶來了助劑產(chǎn)業(yè)新的突破點和增長點,豐富完善了整個助劑體系,其高技術(shù)含量和巨大的增幅顯示了強大的生命力。同時,傳統(tǒng)的助劑也正努力尋找新的替代品。單一結(jié)構(gòu)對應(yīng)單一性能,仍是助劑分子結(jié)構(gòu)研究和設(shè)計的理論基礎(chǔ),但復(fù)合化、高分子量化、環(huán)?；刃滤悸分饾u占據(jù)了新型研發(fā)的主線。一劑多功能化和單劑單功能高效能化成為現(xiàn)代助劑研發(fā)的趨勢。在注重功能體現(xiàn)的同時,人們將更多的目光投在了前期的加

6、工適用性、配方設(shè)計和后期的回收、無害化處理等問題上,這使得助劑研究的結(jié)構(gòu)更為合理,發(fā)展更為平衡。此外,科研院所、高校的基礎(chǔ)理論性研究如何與現(xiàn)代企業(yè)結(jié)合,更快更好地投入到工業(yè)化生產(chǎn),加大應(yīng)用研究的投入力度也是助劑專家和企業(yè)家需要考慮和面對的問題。 我國助劑工業(yè)起步較晚,發(fā)展遲緩,難以適應(yīng)目前的發(fā)展趨勢,必須借助行業(yè)發(fā)展,探索一條具有中國特色的助劑工業(yè)之路。在消化、吸收、仿制國外先進(jìn)品種和技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對不同行業(yè)要求和特點,開發(fā)出高效、多功能、復(fù)合化、低(無)毒、低(無)污染、專用化的助劑品種,提高規(guī)模化生產(chǎn)和管理能力,改變目前助劑行業(yè)規(guī)模小、品種少、性能老化且雷同、針對性(專用性)差、性能價格

7、比明顯低于國外同類產(chǎn) 品、創(chuàng)新能力低下、污染嚴(yán)重、無序競爭的局面,創(chuàng)造一個投入產(chǎn)出比明顯高于其他化工產(chǎn)品的新產(chǎn)業(yè)。 雖然功能高分子材料的發(fā)展可以追述到很久以前，如光敏高分子材料和離子交換樹脂都有很長的歷史。但是作為一門獨立的完整的學(xué)科，功能高分子是從20世紀(jì)80年代中后期開始發(fā)展的。最早的功能高分子可追述到1935年離子交換樹脂的發(fā)明。20世紀(jì)50年代，美國人開發(fā)了感光高分子用于印刷工業(yè)，后來又發(fā)展到電子工業(yè)和微電子1957年發(fā)現(xiàn)了聚乙烯基咔唑的光電導(dǎo)性，打破了多年來認(rèn)為高分子材料只能是絕緣體的觀念。1966年little提出了超導(dǎo)高分子模型，預(yù)計了高分子材料超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)的可能性，隨后在19

8、75年發(fā)現(xiàn)了聚氮化硫的超導(dǎo)性。1993年，俄羅斯科學(xué)家報道了在經(jīng)過長期氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體，這是迄今為止唯一報道的超導(dǎo)性有機高分子。20世紀(jì)80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術(shù)得到快速發(fā)展。1991年發(fā)現(xiàn)了尼龍11的鐵電性，1994年塑料柔性太陽能電池在美國阿爾貢實驗室研制成功，1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔經(jīng)過摻雜具有金屬導(dǎo)電性，導(dǎo)致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導(dǎo)電高分子的問世。這一切多反映了功能高分子日新月異的發(fā)展。其中從20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的光敏高分子化學(xué)，在光聚合、光交聯(lián)、光降解、熒光以及光導(dǎo)機理的研究方面都取得了重大突破，特別在過去20多年中有了飛快發(fā)展，并在工業(yè)

9、上得到廣泛應(yīng)用。比如光敏涂料、光致抗蝕劑、光穩(wěn)定劑、光可降解材料、光刻膠、感光性樹脂、以及光致發(fā)光和光致變色高分子材料都已經(jīng)工業(yè)化。近年來高分子非 線性光學(xué)材料也取得了突破性的進(jìn)展。 反應(yīng)型高分子是在有機合成和生物化學(xué)領(lǐng)域的重要成果，已經(jīng)開發(fā)出眾多新型高分子試劑和高分子催化劑應(yīng)用到科研和生產(chǎn)過程中，在提高合成反應(yīng)的選擇性、簡化工藝過程以及化工過程的綠色化方面做出了貢獻(xiàn)。更重要的是由此發(fā)展而來的固相合成方法和固定化酶技術(shù)開創(chuàng)了有機合成機械化、自動化、有機反應(yīng)定向化的新時代，在分子生物學(xué)研究方面起到了關(guān)鍵性作用。電活性高分子材料的發(fā)展導(dǎo)致了導(dǎo)電聚合物，聚合物電解質(zhì)，聚合物電極的出現(xiàn)。此外超導(dǎo)、電致

10、發(fā)光、電致變色聚合物也是近年來的重要研究成果，其中以電致發(fā)光材料制作的彩色顯示器已經(jīng)被日本和美國公司研制成功，有望成為新一代顯示器件。此外眾多化學(xué)傳感器和分子電子器件的發(fā)明也得益于電活性聚合物和修飾電極技術(shù)的發(fā)展。高分子分離膜材料與分離技術(shù)的發(fā)展在復(fù)雜體系的分離技術(shù)方面獨辟蹊徑，開辟了氣體分離、苦咸水脫鹽、液體消毒等快速、簡便、低耗的新型分離替代技術(shù)，也為電化學(xué)工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)提供了新型選擇性透過和緩釋材料。目前高分子分離膜在海水淡化方面已經(jīng)成為主角，已經(jīng)擁有制備18萬噸/日純水設(shè)備的能力。 醫(yī)藥用功能高分子是目前發(fā)展非常迅速的一個領(lǐng)域，高分子藥物、高分子人工組織器官、高分子醫(yī)用材料在定向給藥、

11、器官替代、整形外科和拓展治療范圍方面做出了相當(dāng)大的貢獻(xiàn)。 功能高分子材料是一門涉及范圍廣泛，與眾多學(xué)科相關(guān)的新興邊緣學(xué)科，涉及內(nèi)容包括有機化學(xué)、無機化學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、 -生物化學(xué)、電子學(xué)、甚至醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科，是目前國內(nèi)外異?；钴S的一個研究領(lǐng)域?？梢哉f，功能高分子材料在高分子科學(xué)中的地位，相當(dāng)于精細(xì)化工在化工領(lǐng)域內(nèi)的地位。因此也有人稱功能高分子為精細(xì)高分子（Fine Polymers），其內(nèi)涵指其產(chǎn)品的產(chǎn)量小，產(chǎn)值高，制造工藝復(fù)雜。功能高分子材料之所以能成為國內(nèi)外材料學(xué)科的重要研究熱點之一，最主要的原因在于它們具有獨特的“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改進(jìn)其性能，使其成為具有

12、全新 性質(zhì)的功能材料。高分子材料在電氣工業(yè)的發(fā)展，隨著時代的發(fā)展，高分子材料在電子、家電和通信領(lǐng)域。高分子在電氣電子工業(yè)主要用作絕緣、屏蔽、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等材料；在通信領(lǐng)域，高分子材料的需求量隨著社會的發(fā)展，高分子材料不僅廣泛用于各類終端設(shè)備，而且作為生產(chǎn)光纖、光盤等高性能材料使用。我國電氣生產(chǎn)大國，全行業(yè)對高分子材料需求量較大用量。高分子材料輕質(zhì)、絕緣、耐腐蝕、表面質(zhì)量高和易于成型加工的特點這正是生產(chǎn)各種家用電器的最佳材料,而家用電器是人們的必須生活用品，高分子材料電氣工業(yè)的發(fā)展是不會停止。 高分子材料在農(nóng)業(yè)的發(fā)展，近年來我大地區(qū)實施的地膜覆蓋、溫室大棚以及節(jié)水灌溉等新技術(shù)，使農(nóng)業(yè)對高分子材料的

13、需求越來越大。使用地膜覆蓋可保溫、保濕、保肥、保墑，并可以除草防蟲，促進(jìn)植物生長，提前收割，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量；應(yīng)為使用溫室大棚和遮陽網(wǎng)才使得蔬菜和鮮花四季生長；高分子材料質(zhì)輕、耐蝕、不結(jié)垢、易于運輸、安裝和使用，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉中被廣泛運用；此外，繩索、洗衣具、漁網(wǎng)、魚筐等也用高分子材料，經(jīng)久耐用又容易清洗。高分子材料在建筑工程上的應(yīng)用，在現(xiàn)在的建筑工程沒有不見高分子材料的，可見高分子材料制品有排水管道、導(dǎo)線管、塑料門窗、家具、潔具和裝潢材料和防水材料。在20世紀(jì)70年代以后低發(fā)泡塑料等結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展大量取代木材，使得高分子材料在建筑材料中用作結(jié)構(gòu)件增長很快；目前，塑料管道在我國建設(shè)領(lǐng)域累計

14、使用量高達(dá)近2000萬噸。2008年，建設(shè)行業(yè)塑料管道工程使用量達(dá)到200多萬噸，其中：市政工程約用量130萬噸，建筑工程約70萬噸，2008年市場占有率達(dá)到45%左右。有關(guān)專家根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)行業(yè)的發(fā)展速度做了分析：未來幾年后隨著住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域?qū)λ芰瞎艿赖牟粩嘈枨螅A(yù)計年需求量大約在300萬噸左右。高分子材料在包裝行業(yè)的應(yīng)用，高分子材料塑料薄膜用以包裝早就融入日常生活之中，食品、針織品、服裝、醫(yī)藥、雜品等輕包裝絕大多數(shù)都用高分子材料包裝；化肥、水泥、糧食、食鹽、合成樹脂等重包裝由高分子材料編織袋取代過去的麻袋和牛皮紙包裝；高分子材料容器作為包裝制品既耐腐蝕，有比玻璃容器輕、不易碎，在運

15、輸帶來了很多方便。及統(tǒng)計包裝已經(jīng)成為塑料應(yīng)用最大的市場。2004年，中國包裝用塑料消耗量達(dá)540萬噸，預(yù)計2005年這一數(shù)字將達(dá)到625萬噸。對包裝工業(yè)而言，塑料是包裝用材料增長最快的品種。專家預(yù)測，2008年塑料將在多個應(yīng)用領(lǐng)域超過紙包裝成為用量最大的包裝材料。塑料包裝應(yīng)用的快速發(fā)展，一方面得益于塑料良好的適應(yīng)性與易加工性，另一方面，各種功能產(chǎn)品不斷推出，成為市場迅速擴張的最大推動力；全球塑料年消耗量已達(dá)1.76億噸。其中，包裝塑料制品雄踞首位。根據(jù)不同國家或地區(qū)特點，塑料包裝占塑料總用量的25%-70%不等。從包裝用材料而言，塑料包裝已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過玻璃、金屬、木材等傳統(tǒng)的包裝材料，僅次于紙制品

16、而居第二位，但其發(fā)展速度則遠(yuǎn)高于紙包裝及其他包裝材料。高分子材料在汽車行業(yè)的運用。相比傳統(tǒng)的金屬件(Metallic Parts)，高性能的塑料件(Nonmetallic Parts)具有成本低、重量輕、可塑性強、原材料渠道多樣化、可替換性強等諸多優(yōu)點。目前世界不少轎車的塑料用量已經(jīng)超過 120千克 / 輛，個別車型還要高，德國高級轎車用量已經(jīng)達(dá)到300 千克 / 輛 。 國內(nèi)一些轎車的塑料用量已經(jīng)達(dá)到200 千克 / 輛 ?？梢灶A(yù)見，隨著汽車輕量化進(jìn)程的加速，塑料在汽車中的應(yīng)用將更加廣泛。 高分子材料在國防、航天、航天科技領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有重要地位。高分子材料的發(fā)展趨勢。改善高分子材料對資源

17、的依賴。當(dāng)代合成高分子材料主要來自于石油這種化工資源，二石油的生長又是一個漫長的地質(zhì)過程，石油資源正日益減少而無法及時再生。因此，有必要尋找可以代替石油的其他資源來作為合成高分子材料的原料來源。最有效的就是使用天然高分子，也可以探究無機高分子材料的合成。可結(jié)合基因工程的方法，促使植物產(chǎn)出更多的可以直接利用的天然高分子，或者通過地球上富有的資源合成高分子。成為低碳資源，易回收再利用。合成高分子材料的生產(chǎn)要盡可能實現(xiàn)零排放，零污染。使其實現(xiàn)綠色化學(xué)過程，成為一種綠色材料。研究高分子材料的環(huán)境同化，實現(xiàn)高分子材料的生物降解.無害焚燒乃至高分子材料治理環(huán)境污染。提高高分子材料的循環(huán)和再生使用的價值和效

18、率。使高分子材料與環(huán)境和諧，發(fā)展前景廣闊。開辟新型功能材料產(chǎn)業(yè)。新產(chǎn)業(yè)的興起于興旺，需要新型材料給予支撐。而高分子材料早就充當(dāng)了多次這種角色。先進(jìn)高分子結(jié)構(gòu)材料.光電高分子材料.高分子光通訊材料.生物高分子材料和高分子材料智能系統(tǒng)等新型材料的研發(fā)，需要不同行業(yè)支持和不同的技術(shù)支撐。鋼鐵.陶瓷.高分子這些傳統(tǒng)的材料之間的界限越來越模糊而融合也越來越明顯，通用材料也功能材料之間的相互滲透也越來越明顯等。性能越來越好的高分子材料在生活中，生產(chǎn)上應(yīng)用的越來越廣。 高分子導(dǎo)電材料的新進(jìn)展方向。電高分子材料摻雜導(dǎo)電劑復(fù)合導(dǎo)電材料隨著信息化和高科技的進(jìn)步, 對特殊功能高分子材料的需求與日俱增。高分子導(dǎo)電材料是其中之佼佼者,