功能高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望

1、功能高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望江波梁子材王躍川李炯(四川聯(lián)合大學(xué)高分子研究所,成都610065摘要:介紹了功能高分子材料的種類(lèi)及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,提出了發(fā)展我國(guó)功能高分子材料的有關(guān)措施。關(guān)鍵詞:功能高分子應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀措施1功能高分子材料簡(jiǎn)介功能高分子是在60年代末迅速發(fā)展起來(lái)的新型高分子材料。早在30年代屬于功能高分子的離子交換樹(shù)脂和感光樹(shù)脂就逐步得到了應(yīng)用,但功能高分子作為獨(dú)立的一類(lèi)材料受到科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)部門(mén)和政府的高度重視是最近20多年的事。功能高分子的內(nèi)容豐富、品種繁多、發(fā)展迅速,已成為新技術(shù)革命必不可少的關(guān)鍵材料,并將對(duì)21世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)生活產(chǎn)生巨大影響。1.1功能高分子材料的定義一般說(shuō)來(lái),

2、性能是指材料對(duì)外部作用的表征與抵抗特性,而功能則是外部作用引起材料內(nèi)部變化而產(chǎn)生的輸出特性,因而我們可定義為:對(duì)物質(zhì)、能量和信息具有傳輸、轉(zhuǎn)換或貯存作用的高分子及其復(fù)合材料稱(chēng)為功能高分子材料,通常也可簡(jiǎn)稱(chēng)為功能高分子,有時(shí)也稱(chēng)為精細(xì)高分子或特種高分子(包括高性能高分子。1.2功能高分子的分類(lèi)功能高分子從制造和結(jié)構(gòu)的角度可分為兩類(lèi):一類(lèi)是高分子本身具有特殊功能作用的結(jié)構(gòu)型功能高分子;另一類(lèi)是高分子本身不具有功能作用,而僅僅作為基體或載體與其他功能材料進(jìn)行復(fù)合而制成的復(fù)合型功能高分子材料。按照功能特性通?？煞殖?光、電、磁、熱、力、聲、化學(xué)和生物等八大類(lèi),見(jiàn)表1。1.3功能高分子的特點(diǎn)功能高分子之

3、所以發(fā)展迅速,是因?yàn)槌司哂兄亓枯p、易加工、可大面積成膜、原材料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)之外,還具有如下特點(diǎn): 涉及面廣; 技術(shù)密集,附加值高;開(kāi)發(fā)難度大,周期長(zhǎng),競(jìng)爭(zhēng)激烈;!專(zhuān)用性強(qiáng),品種多,產(chǎn)量小,價(jià)格貴。2國(guó)內(nèi)外功能高分子發(fā)展概況與趨勢(shì)功能高分子在新材料領(lǐng)域中占有重要的地位,據(jù)日本通產(chǎn)省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)研究會(huì)估計(jì),到本世紀(jì)末,日本功能高分子材料的市場(chǎng)將達(dá)到2萬(wàn)億日元,占整個(gè)新材料市場(chǎng)的1/5,比1987年增長(zhǎng)2.6倍,比1981年增長(zhǎng)10倍。功能高分子近20年的年均增長(zhǎng)率達(dá)到10%以上。自1935年合成離子交換樹(shù)脂以來(lái),高分子的各種特殊性能不斷被發(fā)現(xiàn),50年代初美國(guó)開(kāi)發(fā)的感光樹(shù)脂印刷板,1957年發(fā)現(xiàn)聚乙

4、烯基咔唑的光電導(dǎo)性,1966年塑料光導(dǎo)纖維問(wèn)世,同年Little提出了超導(dǎo)高分子模型,隨后1975年發(fā)現(xiàn)聚氮化硫的超導(dǎo)性,80年代,高分子傳感器,人第6卷第2期1998年4月石油化工動(dòng)態(tài)PET ROCHEM IC AL INDUST RY T RENDSVol.6No.2Apr.1998作者簡(jiǎn)介:江波副教授。1981年留學(xué)比利時(shí),1988年獲布魯塞爾自由大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。1989年回國(guó)后,一直從事高分子化學(xué)和功能高分子研究,先后承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家和部委級(jí)研究課題。已發(fā)表論文20多篇。工臟器,分離膜技術(shù)得到快速發(fā)展,1991年發(fā)現(xiàn)尼龍11的鐵電性,1994年塑料柔性太陽(yáng)能電池在美國(guó)阿爾貢實(shí)驗(yàn)室后院?jiǎn)⒂?/p>

5、。這一切反映了功能高分子發(fā)展的日新月異。表1功能高分子的分類(lèi)功能特性種類(lèi)應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)性高分子試劑、可降解高分子高分子反應(yīng)、農(nóng)藥、醫(yī)用、環(huán)保催化高分子催化劑、固定酶化工、食品加工離子交換離子交換樹(shù)脂水凈化、分離吸附螯合樹(shù)脂、絮凝劑稀有金屬提取、水處理光光傳導(dǎo)塑料光纖通訊、顯示、醫(yī)療器械透光接觸眼睛片、陽(yáng)光選擇膜醫(yī)療、農(nóng)用薄膜偏光液晶高分子顯示、連接器光化學(xué)反應(yīng)光刻膠、感光樹(shù)脂印刷、微細(xì)加工光色光致變色高分子、發(fā)光高分子顯示、記錄電導(dǎo)電高分子半導(dǎo)體、高分子金屬、高分子超導(dǎo)體電極、電池材料導(dǎo)電塑料(纖維、橡膠、涂料、粘合劑防靜龜、屏蔽材料、接點(diǎn)材料透明導(dǎo)電薄膜、高分子聚電解質(zhì)透明電極、固體電解質(zhì)材料

6、光電光電導(dǎo)高分子、電致變色高分子電子照相、光電池介電高分子駐極體釋電材料熱電熱電高分子顯示、測(cè)量磁導(dǎo)磁塑料磁石、磁性橡膠、光磁材料顯示、記錄、儲(chǔ)存、中子吸收熱熱變形熱收縮塑料、形狀記憶高分子醫(yī)療、玩具絕熱耐燒蝕材料火箭、宇宙飛船熱光熱釋光塑料測(cè)量聲吸音吸音防震材料建筑聲電聲電換能材料、超聲波發(fā)振材料音響設(shè)備機(jī)械傳質(zhì)分離膜、高分子減阻劑化工、輸油力電壓電高分子、壓敏導(dǎo)電橡膠開(kāi)關(guān)材料、機(jī)器人觸感材料生物身體適應(yīng)性醫(yī)用高分子外科材料、人工臟器藥性高分子醫(yī)藥醫(yī)療、計(jì)劃生育、治癌仿生仿生高分子、智能高分子生物醫(yī)學(xué)工程在世界各國(guó)功能高分子的發(fā)展中,日本處于領(lǐng)先地位,形成了“官產(chǎn)學(xué)”的聯(lián)合體制,從規(guī)劃、立題

7、到應(yīng)用開(kāi)發(fā)都作了周密的部署。日本高分子學(xué)會(huì)進(jìn)行了21世紀(jì)高分子科學(xué)和技術(shù)的咨詢(xún)調(diào)查,對(duì)50個(gè)重要課題進(jìn)行了評(píng)價(jià),其中涉及生物高分子和功能高分子的26個(gè)課題預(yù)計(jì)將在本世紀(jì)末至下世紀(jì)初完成。下面就廣泛應(yīng)用和重點(diǎn)研究的幾類(lèi)功能高分子加以介紹。2.1反應(yīng)性高分子反應(yīng)性高分子是帶有反應(yīng)性官能團(tuán)的高分子?？煞譃楦叻肿釉噭⒏叻肿哟呋瘎┖碗x子交換樹(shù)脂,具有廣泛的應(yīng)用前景,1984年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主就是由于多肽的固相合成法獲得成功而被授與的。高分子催化劑與常規(guī)催化劑相比,優(yōu)勢(shì)明顯,如可隨時(shí)終止反應(yīng)、穩(wěn)定性高、可連續(xù)操作和反復(fù)使用等。尤其是高分子固定化酶催化劑,催化速度為常規(guī)催化劑的千百倍。離子交換樹(shù)脂具有離子

8、交換功能,目前發(fā)展方向主要是特種離子交換樹(shù)脂,如螯合樹(shù)脂、蛇籠樹(shù)脂和耐熱性離子交換樹(shù)脂等。我國(guó)離子交換樹(shù)脂的年產(chǎn)量為數(shù)萬(wàn)噸,但生產(chǎn)規(guī)模太小。國(guó)際上每?jī)赡暾匍_(kāi)一次國(guó)際學(xué)術(shù)討論會(huì),我國(guó)有關(guān)部門(mén)從1985年起每年都要召開(kāi)功能高分子或反應(yīng)性24石油化工動(dòng)態(tài)1998,6(2高分子的學(xué)術(shù)會(huì)議,種種跡象表明反應(yīng)性高分子在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期。2.2高吸附性樹(shù)脂高吸附性樹(shù)脂有高吸水性樹(shù)脂和高吸油樹(shù)脂兩種。高吸水性樹(shù)脂的吸水量可達(dá)自身重量的2002000倍,吸水量達(dá)5000倍的吸水樹(shù)脂已研制成功。高吸水性樹(shù)脂1968年首先由美國(guó)開(kāi)發(fā)成功,目前日本占世界總產(chǎn)量的50%左右。其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎涉及

9、各行各業(yè),如一次性衛(wèi)生用品,土壤保水劑,植物無(wú)土栽培,改造沙漠,防止水土流失等。我國(guó)在80年代初著手研究開(kāi)發(fā),現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。高吸油樹(shù)脂是含有親油基的輕度交聯(lián)的高分子材料,吸油能力可達(dá)自身重量的數(shù)十倍。日本、美國(guó)已開(kāi)發(fā)了能吸收多種油劑的品種,在清除油類(lèi)污染,改善人類(lèi)生活環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用。目前我國(guó)僅有蘇州大學(xué)等少數(shù)單位進(jìn)行研究,還沒(méi)有商品上市。2.3高分子分離膜膜分離技術(shù)作為化工新技術(shù)之一,已被列為重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目,它適用于分離那些難以分離、濃度低的物質(zhì),是一種低能耗、低成本的操作單元,可用于加工高純產(chǎn)品,因此在化工、醫(yī)藥、食品加工、氣體分離和生物工程等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。主要有微濾膜

10、、超濾膜、反滲透膜、氣體分離膜、電滲透膜、滲透汽化膜和透析膜。膜分離技術(shù)已得到世界各國(guó)的普遍重視, 1994年分離膜的世界市場(chǎng)為30億美元,預(yù)計(jì)2004年將達(dá)到100億美元。1993年我國(guó)分離膜工業(yè)的總產(chǎn)值約為2億元(合0.24億美元,其中電滲透膜約占50%?；げ?、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家海洋局等部門(mén)共同發(fā)起,于1996年1月成立了中國(guó)膜工業(yè)協(xié)會(huì),現(xiàn)有會(huì)員149個(gè)。我國(guó)已開(kāi)發(fā)出離子膜、微濾膜、超濾膜、反滲透膜和氣體分離膜等系列膜品種及相應(yīng)的膜分離過(guò)程,但存在高檔品種少,材料研究弱等問(wèn)題。2.4光功能高分子光功能高分子是指在光的作用下能發(fā)生特殊化學(xué)和物理變化的聚合物,在功能高分子材料領(lǐng)域中占有十分重要

11、的地位。目前光導(dǎo)纖維以20%的年增長(zhǎng)率迅速發(fā)展,重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)低光損耗長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓饫w制品。預(yù)計(jì)2000年世界光導(dǎo)纖維的總銷(xiāo)售額將達(dá)到18億美元。80年代國(guó)外光刻膠銷(xiāo)售額的年均增長(zhǎng)率都在10%以上,特別是在集成電路中達(dá)到了20%,生產(chǎn)廠家主要集中在日本和美國(guó)。由于這類(lèi)化學(xué)品獲利高,所以競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。光導(dǎo)高分子在光照時(shí)能引起電阻率的明顯下降,它已取代硒鼓,成為復(fù)印機(jī)、激光打印中的關(guān)鍵材料,國(guó)內(nèi)全部依靠進(jìn)口,日本在這個(gè)領(lǐng)域中處于領(lǐng)先的地位。功能高分子在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用是當(dāng)前國(guó)際上的研究熱點(diǎn),其研究方向包括光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換三個(gè)方面。據(jù)報(bào)道美國(guó)已在衛(wèi)星上安裝了聚乙炔太陽(yáng)能電池。同電子相比,

12、光子在信息存儲(chǔ)、傳輸及處理方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。而光子學(xué)的發(fā)展則依賴(lài)于非線性光學(xué)材料,它的高速度、高密度、高頻率、高帶域、并行性及無(wú)干擾特征是實(shí)現(xiàn)21世紀(jì)高信息社會(huì)的基礎(chǔ)。光折變高分子在高密度光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、全息圖象加工、相共軛、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、協(xié)同記憶模擬和程序化互連等一系列光電技術(shù)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,因而美國(guó)科學(xué)新聞將其評(píng)選為1994年國(guó)際上光電材料重大進(jìn)展之一。我國(guó)在總體上仍處于相當(dāng)?shù)偷乃健?.5電磁功能高分子電磁功能高分子是當(dāng)今世界上很活躍的一個(gè)研究領(lǐng)域,由于應(yīng)用前景極廣,因而各國(guó)都投入了大量人力和財(cái)力進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究,并取得了重大進(jìn)展。自1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔具有金屬導(dǎo)電性以來(lái),聚苯胺、聚吡咯等一

13、系列導(dǎo)電高分子相繼問(wèn)世。目前聚乙炔薄膜的電導(dǎo)率已達(dá)到了金屬體的最低值,制得了可作為塑料電池的電極材料。我國(guó)在導(dǎo)電高分子領(lǐng)域開(kāi)展了較多的研究,每251998,6(2江波等.功能高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望年發(fā)表的論文在50篇以上,偏重于基礎(chǔ)研究,商品化成果很少。1980年丹麥科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)有機(jī)超導(dǎo)體(T MT SF2PF6,結(jié)束了多年來(lái)關(guān)于有機(jī)超導(dǎo)體是否存在的爭(zhēng)論。1993年俄羅斯科學(xué)家報(bào)道了他們?cè)诮?jīng)過(guò)長(zhǎng)期氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體,這是迄今為止所報(bào)道的唯一具有超導(dǎo)性的高分子(局部。由于高分子鐵電體在記憶元件中的特殊用途,它已引起美國(guó)、日本的極大重視。有機(jī)鐵磁體的發(fā)現(xiàn)引起了世界化學(xué)家和

14、物理學(xué)家的極大興趣,有機(jī)鐵磁體的研究表明它不僅可作為無(wú)機(jī)磁體的替代或延伸,而且將是無(wú)機(jī)磁體無(wú)法取代的新一代材料。2.6液晶高分子液晶高分子在一定條件下能形成液晶態(tài)。1972年,美國(guó)推出一種超高強(qiáng)度、高模量的Kevlar纖維,引起宇航、國(guó)防和材料界的極大關(guān)注,在全世界有30多家大公司和相當(dāng)數(shù)量的科研院所在大力研究和開(kāi)發(fā)這種材料。液晶高分子有廣泛的用途,除了制造高強(qiáng)度、高模量的纖維材料外,還可用于制備自增強(qiáng)的分子復(fù)合材料,用于飛機(jī)、汽車(chē)、航天等工業(yè)部門(mén)。2.7生物醫(yī)用高分子生物醫(yī)用高分子主要分醫(yī)用高分子、藥用高分子和仿生高分子三大類(lèi)。目前,除人腦外的大部分人體器官都可用高分子材料來(lái)制作,有治療保健

15、作用的功能高分子也在開(kāi)發(fā)之中。目前植入的人工器官市場(chǎng)已達(dá)30億美元/a,人工心臟導(dǎo)管市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率為10%,1999年將達(dá)到6億美元。預(yù)計(jì)藥物釋放系統(tǒng)的營(yíng)業(yè)額將從1993年的50億美元增長(zhǎng)到2000年的70億美元。目前生物材料制品的總產(chǎn)值已達(dá)40億美元,其中生物高分子及制品的產(chǎn)值為25億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至1990年,美國(guó)、日本和西歐等國(guó)發(fā)表的有關(guān)醫(yī)用高分子的學(xué)術(shù)論文和專(zhuān)利已超過(guò)3萬(wàn)篇。我國(guó)目前有50多個(gè)單位進(jìn)行研制與生產(chǎn),涉及到60多類(lèi)高分子材料,400多個(gè)品種,但是尚未實(shí)現(xiàn)系列化和規(guī)?；?質(zhì)量也有一定的問(wèn)題。3我國(guó)功能高分子的發(fā)展水平與差距分析90年代初期,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)材料工程學(xué)部

16、對(duì)高分子材料各主要領(lǐng)域的現(xiàn)狀、水平、存在問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。總體看來(lái),我國(guó)功能高分子的科研與發(fā)展水平比國(guó)際水平落后近10年,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)落后20年左右。功能高分子作為一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向已得到政府部門(mén)、產(chǎn)業(yè)部門(mén)和市場(chǎng)的認(rèn)可。一批重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心相繼建立運(yùn)行,創(chuàng)造了進(jìn)行基礎(chǔ)研究的有利條件。而且跨行業(yè),跨專(zhuān)業(yè)的合作研究明顯加強(qiáng),研究隊(duì)伍的整體水平得到提高。高校和科研院所建立了專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu),以便統(tǒng)一規(guī)劃研究工作。我國(guó)每年都要召開(kāi)有關(guān)功能高分子方面的全國(guó)性學(xué)術(shù)交流會(huì),參加國(guó)際功能高分子討論會(huì)的人員也越來(lái)越多。各部委分別進(jìn)行了調(diào)研,對(duì)未來(lái)功能高分子的發(fā)展提出了初步的設(shè)想和建議。我國(guó)科研

17、經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足是個(gè)普遍問(wèn)題,對(duì)于需要高投入的功能高分子研究就顯得更為突出。由于體制問(wèn)題,低水平重復(fù)研究造成經(jīng)費(fèi)和人力的浪費(fèi),而且我國(guó)專(zhuān)門(mén)從事軟科學(xué)研究的機(jī)構(gòu)很少,缺乏對(duì)全局的了解,常出現(xiàn)決策失誤。同時(shí),我國(guó)功能高分子處于發(fā)展期,課題多、面廣,力量分散,難以取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,科研、生產(chǎn)和應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié),缺乏切實(shí)有效的組織措施和鼓勵(lì)政策。4我國(guó)發(fā)展功能高分子應(yīng)采取的措施功能高分子材料屬于知識(shí)密集型產(chǎn)品,因此我們不能站在通用高分子材料的角度來(lái)處理功能高分子材料的問(wèn)題,建議采取以下措施: 從制訂規(guī)劃開(kāi)始,就要把功能高分子材料作為一個(gè)方向來(lái)抓; 要敢于投資,加強(qiáng)人才知識(shí)的儲(chǔ)備;加強(qiáng)對(duì)國(guó)外高科技的跟蹤和國(guó)內(nèi)外信

18、息的交流;!注意與其他新技術(shù)的結(jié)合。功能高分子材料是難度較大、范圍很廣的26石油化工動(dòng)態(tài)1998,6(2一個(gè)研究領(lǐng)域,主管部門(mén)一定要對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段的困難性、長(zhǎng)期性和需要大量投資及嚴(yán)密的組織管理的客觀規(guī)律有清醒的認(rèn)識(shí),從而制訂出合理的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策。21世紀(jì)是生物技術(shù)時(shí)代,克隆技術(shù)的突破性進(jìn)展已給人類(lèi)帶來(lái)了無(wú)限的想象空間。由于功能高分子可在分子水平實(shí)現(xiàn)自組裝,因此分子導(dǎo)線、分子開(kāi)關(guān)、分子整流器及分子器件都可望在21世紀(jì)獲得實(shí)際應(yīng)用。用儲(chǔ)存容量提高10億倍的生物計(jì)算機(jī)模擬人腦將成為可能,智能機(jī)器人將在廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮作用。此外人工臟器將更多地挽救臨危病人,高分子長(zhǎng)效緩釋藥物將給人類(lèi)的健康帶來(lái)福音。由于

19、一切生命物質(zhì)的基本單元都是有機(jī)分子,而人體就是由多種功能高分子經(jīng)過(guò)復(fù)雜組裝起來(lái)的有機(jī)結(jié)合體,因此,從分子設(shè)計(jì)理論的角度來(lái)看,由人工合成各種功能的高分子都是可能的,功能高分子具有向一切領(lǐng)域縱深發(fā)展的美妙前景。參考文獻(xiàn)1王建國(guó),王公善編.功能高分子.同濟(jì)大學(xué)出版社,1996年2趙文元,王亦軍編.功能高分子材料化學(xué).化學(xué)工業(yè)出版社, 1996年3膜科學(xué)與技術(shù),1996,16(2:71;16(4:624高分子材料科學(xué)與工程,1997,13(3:1315化工新型材料,1997,(5:446自然科學(xué)進(jìn)展,1997,7(1:297化工科技動(dòng)態(tài),1997,(4:228物理,1997,26(5:2649Biom

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