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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及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀,提出了發(fā)展我國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功能高分子材料簡介功能高分子是在60年代末迅速發(fā)展起來的新型高分子材料。早在30年代屬于功能高分子的離子交換樹脂和感光樹脂就逐步得到了應(yīng)用,但功能高分子作為獨立的一類材料受到科學(xué)界、產(chǎn)業(yè)部門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21世紀(jì)人類社會生活產(chǎn)生巨大影響。1.1功能高分子材料的定義一般說來,

2、性能是指材料對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)合材料稱為功能高分子材料,通常也可簡稱為功能高分子,有時也稱為精細高分子或特種高分子(包括高性能高分子。1.2功能高分子的分類功能高分子從制造和結(jié)構(gòu)的角度可分為兩類:一類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,見表1。1.3功能高分子的特點功能高分子之

3、所以發(fā)展迅速,是因為除了具有重量輕、易加工、可大面積成膜、原材料來源廣泛等優(yōu)點之外,還具有如下特點: 涉及面廣; 技術(shù)密集,附加值高;開發(fā)難度大,周期長,競爭激烈;!專用性強,品種多,產(chǎn)量小,價格貴。2國內(nèi)外功能高分子發(fā)展概況與趨勢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)研究會估計,到本世紀(jì)末,日本功能高分子材料的市場將達到2萬億日元,占整個新材料市場的1/5,比1987年增長2.6倍,比1981年增長10倍。功能高分子近20年的年均增長率達到10%以上。自1935年合成離子交換樹脂以來,高分子的各種特殊性能不斷被發(fā)現(xiàn),50年代初美國開發(fā)的感光樹脂印刷板,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月石油化工動態(tài)PET ROCHEM IC AL INDUST RY T RENDSVol.6No.2Apr.1998作者簡介:江波副教授。1981年留學(xué)比利時,1988年獲布魯塞爾自由大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。1989年回國后,一直從事高分子化學(xué)和功能高分子研究,先后承擔(dān)多項國家和部委級研究課題。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年塑料柔性太陽能電池在美國阿爾貢實驗室后院啟用

5、。這一切反映了功能高分子發(fā)展的日新月異。表1功能高分子的分類功能特性種類應(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脂水凈化、分離吸附螯合樹脂、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、感光樹脂印刷、微細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、測量磁導(dǎo)磁塑料磁石、磁性橡膠、光磁材料顯示、記錄、儲存、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)電橡膠開關(guān)材料、機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)用開發(fā)都作了周密的部署。日本高分子學(xué)會進行了21世紀(jì)高分子科學(xué)和技術(shù)的咨詢調(diào)查,對50個重要課題進行了評價,其中涉及生物高分子和功能高分子的26個課題預(yù)計將在本世紀(jì)末至下世紀(jì)初完成。下面就廣泛應(yīng)用和重點研究的幾類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)性官能團的高分子??煞譃楦叻肿釉噭?、高分子催化劑和離子交換樹脂,具有廣泛的應(yīng)用前景,1984年諾貝爾化學(xué)獎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)勢明顯,如可隨時終止反應(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脂,如螯合樹脂、蛇籠樹脂和耐熱性離子交換樹脂等。我國離子交換樹脂的年產(chǎn)量為數(shù)萬噸,但生產(chǎn)規(guī)模太小。國際上每兩年召開一次國際學(xué)術(shù)討論會,我國有關(guān)部門從1985年起每年都要召開功能高分子或反應(yīng)性24石油化工動態(tài)1998,6(2高分子的學(xué)術(shù)會議,種種跡象表明反應(yīng)性高分子在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)方面已經(jīng)進入了一個新時期。2.2高吸附性樹脂高吸附性樹脂有高吸水性樹脂和高吸油樹脂兩種。高吸水性樹脂的吸水量可達自身重量的2002000倍,吸水量達5000倍的吸水樹脂已研制成功。高吸水性樹脂1968年首先由美國開發(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,植物無土栽培,改造沙漠,防止水土流失等。我國在80年代初著手研究開發(fā),現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用。高吸油樹脂是含有親油基的輕度交聯(lián)的高分子材料,吸油能力可達自身重量的數(shù)十倍。日本、美國已開發(fā)了能吸收多種油劑的品種,在清除油類污染,改善人類生活環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用。目前我國僅有蘇州大學(xué)等少數(shù)單位進行研究,還沒有商品上市。2.3高分子分離膜膜分離技術(shù)作為化工新技術(shù)之一,已被列為重點開發(fā)項目,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)已得到世界各國的普遍重視, 1994年分離膜的世界市場為30億美元,預(yù)計2004年將達到100億美元。1993年我國分離膜工業(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%。化工部、中國科學(xué)院和國家海洋局等部門共同發(fā)起,于1996年1月成立了中國膜工業(yè)協(xié)會,現(xiàn)有會員149個。我國已開發(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)的膜分離過程,但存在高檔品種少,材料研究弱等問題。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%的年增長率迅速發(fā)展,重點是開發(fā)低光損耗長距離傳輸?shù)墓饫w制品。預(yù)計2000年世界光導(dǎo)纖維的總銷售額將達到18億美元。80年代國外光刻膠銷售額的年均增長率都在10%以上,特別是在集成電路中達到了20%,生產(chǎn)廠家主要集中在日本和美國。由于這類化學(xué)品獲利高,所以競爭非常激烈。光導(dǎo)高分子在光照時能引起電阻率的明顯下降,它已取代硒鼓,成為復(fù)印機、激光打印中的關(guān)鍵材料,國內(nèi)全部依靠進口,日本在這個領(lǐng)域中處于領(lǐng)先的地位。功能高分子在太陽能轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用是當(dāng)前國際上的研究熱點,其研究方向包括光熱轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換三個方面。據(jù)報道美國已在衛(wèi)星上安裝了聚乙炔太陽能電池。同電子相比,

12、光子在信息存儲、傳輸及處理方面具有明顯的優(yōu)點。而光子學(xué)的發(fā)展則依賴于非線性光學(xué)材料,它的高速度、高密度、高頻率、高帶域、并行性及無干擾特征是實現(xiàn)21世紀(jì)高信息社會的基礎(chǔ)。光折變高分子在高密度光數(shù)據(jù)存儲、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)用價值,因而美國科學(xué)新聞將其評選為1994年國際上光電材料重大進展之一。我國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研究領(lǐng)域,由于應(yīng)用前景極廣,因而各國都投入了大量人力和財力進行開發(fā)研究,并取得了重大進展。自1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔具有金屬導(dǎo)電性以來,聚苯胺、聚吡咯等一

13、系列導(dǎo)電高分子相繼問世。目前聚乙炔薄膜的電導(dǎo)率已達到了金屬體的最低值,制得了可作為塑料電池的電極材料。我國在導(dǎo)電高分子領(lǐng)域開展了較多的研究,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)了第一個有機超導(dǎo)體(T MT SF2PF6,結(jié)束了多年來關(guān)于有機超導(dǎo)體是否存在的爭論。1993年俄羅斯科學(xué)家報道了他們在經(jīng)過長期氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體,這是迄今為止所報道的唯一具有超導(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、日本的極大重視。有機鐵磁體的發(fā)現(xiàn)引起了世界化學(xué)家和

14、物理學(xué)家的極大興趣,有機鐵磁體的研究表明它不僅可作為無機磁體的替代或延伸,而且將是無機磁體無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,美國推出一種超高強度、高模量的Kevlar纖維,引起宇航、國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發(fā)這種材料。液晶高分子有廣泛的用途,除了制造高強度、高模量的纖維材料外,還可用于制備自增強的分子復(fù)合材料,用于飛機、汽車、航天等工業(yè)部門。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。目前,除人腦外的大部分人體器官都可用高分子材料來制作,有治療保健

15、作用的功能高分子也在開發(fā)之中。目前植入的人工器官市場已達30億美元/a,人工心臟導(dǎo)管市場的年增長率為10%,1999年將達到6億美元。預(yù)計藥物釋放系統(tǒng)的營業(yè)額將從1993年的50億美元增長到2000年的70億美元。目前生物材料制品的總產(chǎn)值已達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,截至1990年,美國、日本和西歐等國發(fā)表的有關(guān)醫(yī)用高分子的學(xué)術(shù)論文和專利已超過3萬篇。我國目前有50多個單位進行研制與生產(chǎn),涉及到60多類高分子材料,400多個品種,但是尚未實現(xiàn)系列化和規(guī)?;?質(zhì)量也有一定的問題。3我國功能高分子的發(fā)展水平與差距分析90年代初期,國家自然科學(xué)基金委員會材料工程學(xué)部

16、對高分子材料各主要領(lǐng)域的現(xiàn)狀、水平、存在問題及發(fā)展趨勢進行了綜合評價。總體看來,我國功能高分子的科研與發(fā)展水平比國際水平落后近10年,產(chǎn)品開發(fā)落后20年左右。功能高分子作為一個重點發(fā)展方向已得到政府部門、產(chǎn)業(yè)部門和市場的認(rèn)可。一批重點實驗室,開放實驗室、工程研究中心相繼建立運行,創(chuàng)造了進行基礎(chǔ)研究的有利條件。而且跨行業(yè),跨專業(yè)的合作研究明顯加強,研究隊伍的整體水平得到提高。高校和科研院所建立了專業(yè)機構(gòu),以便統(tǒng)一規(guī)劃研究工作。我國每年都要召開有關(guān)功能高分子方面的全國性學(xué)術(shù)交流會,參加國際功能高分子討論會的人員也越來越多。各部委分別進行了調(diào)研,對未來功能高分子的發(fā)展提出了初步的設(shè)想和建議。我國科研

17、經(jīng)費嚴(yán)重不足是個普遍問題,對于需要高投入的功能高分子研究就顯得更為突出。由于體制問題,低水平重復(fù)研究造成經(jīng)費和人力的浪費,而且我國專門從事軟科學(xué)研究的機構(gòu)很少,缺乏對全局的了解,常出現(xiàn)決策失誤。同時,我國功能高分子處于發(fā)展期,課題多、面廣,力量分散,難以取得實質(zhì)性進展,科研、生產(chǎn)和應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié),缺乏切實有效的組織措施和鼓勵政策。4我國發(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處理功能高分子材料的問題,建議采取以下措施: 從制訂規(guī)劃開始,就要把功能高分子材料作為一個方向來抓; 要敢于投資,加強人才知識的儲備;加強對國外高科技的跟蹤和國內(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石油化工動態(tài)1998,6(2一個研究領(lǐng)域,主管部門一定要對應(yīng)用開發(fā)階段的困難性、長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,從而制訂出合理的技術(shù)經(jīng)濟政策。21世紀(jì)是生物技術(shù)時代,克隆技術(shù)的突破性進展已給人類帶來了無限的想象空間。由于功能高分子可在分子水平實現(xiàn)自組裝,因此分子導(dǎo)線、分子開關(guān)、分子整流器及分子器件都可望在21世紀(jì)獲得實際應(yīng)用。用儲存容量提高10億倍的生物計算機模擬人腦將成為可能,智能機器人將在廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮作用。此外人工臟器將更多地挽救臨危病人,高分子長效緩釋藥物將給人類的健康帶來福音。由于

19、一切生命物質(zhì)的基本單元都是有機分子,而人體就是由多種功能高分子經(jīng)過復(fù)雜組裝起來的有機結(jié)合體,因此,從分子設(shè)計理論的角度來看,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1王建國,王公善編.功能高分子.同濟大學(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)進展,1997,7(1:297化工科技動態(tài),1997,(4:228物理,1997,26(5:2649Biom

20、 ed.T ech.Infor mat.Service,1995,22(1:4;22(1:810化工進展,1997,(1:5611化學(xué)通報,1997,(4:61(收稿日期:1998-01-24THE DEVELOPING STATUS AND PROSPECTOF FUNCTIONAL POLYMERSJ iang BoL iang ZicaiW ang YuechuanL i J iong(Poly mer Research Institute of S ichuanU nion U niversity,Chengdu610065AbstractThe paper introduces the classes and recent dev e

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