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功能高分子材料的发展现状与展望江波梁子材王跃川李炯(四川联合大学高分子研究所,成都610065)摘要:介绍了功能高分子材料的种类及国内外发展现状,提出了发展我国功能高分子材料的有关措施。关键词:功能高分子应用发展现状措施1功能高分子材料简介功能高分子是在60年代末迅速发展起来的新型高分子材料。早在30年代属于功能高分子的离子交换树脂和感光树脂就逐步得到了应用,但功能高分子作为独立的一类材料受到科学界、产业部门和政府的高度重视是最近20多年的事。功能高分子的内容丰富、品种繁多、发展迅速,已成为新技术革命必不可少的关键材料,并将对21世纪人类社会生活产生巨大影响。111功能高分子材料的定义一般说来,性能是指材料对外部作用的表征与抵抗特性,而功能则是外部作用引起材料内部变化而产生的输出特性,因而我们可定义为:对物质、能量和信息具有传输、转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高分子材料,通常也可简称为功能高分子,有时也称为精细高分子或特种高分子(包括高性能高分子)。112功能高分子的分类功能高分子从制造和结构的角度可分为两类:一类是高分子本身具有特殊功能作用的结构型功能高分子;另一类是高分子本身不具有功能作用,而仅仅作为基体或载体与其他功能材料进行复合而制成的复合型功能高分子材料。按照功能特性通常可分成:光、电、磁、热、力、声、化学和生物等八大类,见表1。113功能高分子的特点功能高分子之所以发展迅速,是因为除了具有重量轻、易加工、可大面积成膜、原材料来源广泛等优点之外,还具有如下特点:涉及面广;技术密集,附加值高;开发难度大,周期长,竞争激烈;专用性强,品种多,产量小,价格贵。2国内外功能高分子发展概况与趋势功能高分子在新材料领域中占有重要的地位,据日本通产省产业结构研究会估计,到本世纪末,日本功能高分子材料的市场将达到2万亿日元,占整个新材料市场的1?5,比1987年增长2.6倍,比1981年增长10倍。功能高分子近20年的年均增长率达到10%以上。自1935年合成离子交换树脂以来,高分子的各种特殊性能不断被发现,50年代初美国开发的感光树脂印刷板,1957年发现聚乙烯基咔唑的光电导性,1966年塑料光导纤维问世,同年L ittle提出了超导高分子模型,随后1975年发现聚氮化硫的超导性,80年代,高分子传感器,人第6卷第2期1998年4月石油化工动态PETROCHEM ICAL I NDU STRY TRENDSVol.6No.2Apr.1998作者简介:江波副教授。1981年留学比利时,1988年获布鲁塞尔自由大学理学博士学位。1989年回国后,一直从事高分子化学和功能高分子研究,先后承担多项国家和部委级研究课题。已发表 论文20多篇。工脏器,分离膜技术得到快速发展,1991年发现尼龙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后院启用。这一切反映了功能高分子发展的日新月异。表1功能高分子的分类功能特性种类应用化学反应性高分子试剂、可降解高分子高分子反应、农药、医用、环保催化高分子催化剂、固定酶化工、食品加工离子交换离子交换树脂水净化、分离吸附螯合树脂、絮凝剂稀有金属提取、水处理光光传导塑料光纤通讯、显示、医疗器械透光接触眼睛片、阳光选择膜医疗、农用薄膜偏光液晶高分子显示、连接器光化学反应光刻胶、感光树脂印刷、微细加工光色光致变色高分子、发光高分子显示、记录电导电高分子半导体、高分子金属、高分子超导体电极、电池材料导电塑料(纤维、橡胶、涂料、粘合剂)防静龟、屏蔽材料、接点材料透明导电薄膜、高分子聚电解质透明电极、固体电解质材料光电光电导高分子、电致变色高分子电子照相、光电池介电高分子驻极体释电材料热电热电高分子显示、测量磁导磁塑料磁石、磁性橡胶、光磁材料显示、记录、储存、中子吸收热热变形热收缩塑料、形状记忆高分子医疗、玩具绝热耐烧蚀材料火箭、宇宙飞船热光热释光塑料测量声吸音吸音防震材料建筑声电声电换能材料、超声波发振材料音响设备机械传质分离膜、高分子减阻剂化工、输油力电压电高分子、压敏导电橡胶开关材料、机器人触感材料生物身体适应性医用高分子外科材料、人工脏器药性高分子医药医疗、计划生育、治癌仿生仿生高分子、智能高分子生物医学工程在世界各国功能高分子的发展中,日本处于领先地位,形成了“官产学”的联合体制,从规划、立题到应用开发都作了周密的部署。日本高分子学会进行了21世纪高分子科学和技术的 咨询调查,对50个重要课题进行了评价,其中涉及生物高分子和功能高分子的26个课题预计将在本世纪末至下世纪初完成。下面就广泛应用和重点研究的几类功能高分子加以介绍。211反应性高分子反应性高分子是带有反应性官能团的高分子。可分为高分子试剂、高分子催化剂和离子交换树脂,具有广泛的应用前景,1984年诺贝尔化学奖得主就是由于多肽的固相合成法获得成功而被授与的。高分子催化剂与常规催化剂相比,优势明显,如可随时终止反应、稳定性高、可连续操作和反复使用等。尤其是高分子固定化酶催化剂,催化速度为常规催化剂的千百倍。离子交换树脂具有离子交换功能,目前发展方向主要是特种离子交换树脂,如螯合树脂、蛇笼树脂和耐热性离子交换树脂等。我国离子交换树脂的年产量为数万吨,但生产规模太小。国际上每两年召开一次国际学术讨论会,我国有关部门从1985年起每年都要召开功能高分子或反应性42石油化工动态1998,6(2)高分子的学术会议,种种迹象表明反应性高分子在基础研究和应用开发方面已经进入了一个新时期。212高吸附性树脂高吸附性树脂有高吸水性树脂和高吸油树脂两种。高吸水性树脂的吸水量可达自身重量的2002 000倍,吸水量达5 000倍的吸水树脂已研制成功。高吸水性树脂1968年首先由美国开发成功,目前日本占世界总产量的50%左右。其应用领域几乎涉及各行各业,如一次性卫生用品,土壤保水剂,植物无土栽培,改造沙漠,防止水土流失等。我国在80年代初着手研究开发,现已得到了广泛的应用。高吸油树脂是含有亲油基的轻度交联的高分子材料,吸油能力可达自身重量的数十倍。日本、美国已开发了能吸收多种油剂的品种,在清除油类污染,改善人类生活环境中发挥了重要的作用。目前我国仅有苏州大学等少数单位进行研究,还没有商品上市。213高分子分离膜膜分离技术作为化工新技术之一,已被列为重点开发项目,它适用于分离那些难以分离、浓度低的物质,是一种低能耗、低成本的操作单元,可用于加工高纯产品,因此在化工、医药、食品加工、气体分离和生物工程等方面获得了广泛的应用。主要有微滤膜、超滤膜、反渗透膜、气体分离膜、电渗透膜、渗透汽化膜和透析膜。膜分离技术已得到世界各国的普遍重视,1994年分离膜的世界市场为30亿美元,预计2004年将达到100亿美元。1993年我国分离膜工业的总产值约为2亿元(合0.24亿美元),其中电渗透膜约占50%。化工部、中国科学院和国家海洋局等部门共同发起,于1996年1月成立了中国膜工业协会,现有会员149个。我国已开发出离子膜、微滤膜、超滤膜、反渗透膜和气体分离膜等系列膜品种及相应的膜分离过程,但存在高档品种少,材料研究弱等问题。214光功能高分子光功能高分子是指在光的作用下能发生特殊化学和物理变化的聚合物,在功能高分子材料领域中占有十分重要的地位。目前光导纤维以20%的年增长率迅速发展,重点是开发低光损耗长距离传输的光纤制品。预计2000年世界光导纤维的总销售额将达到18亿美元。80年代国外光刻胶销售额的年均增长率都在10%以上,特别是在集成电路中达到了20%,生产厂家主要集中在日本和美国。由于这类化学品获利高,所以竞争非常激烈。光导高分子在光照时能引起电阻率的明显下降,它已取代硒鼓,成为复印机、激光打印中的关键材料,国内全部依靠进口,日本在这个领域中处于领先的地位。功能高分子在太阳能转换中的应用是当前国际上的研究热点,其研究方向包括光热转换、光化学转换和光电转换三个方面。据报道美国已在卫星上安装了聚乙炔太阳能电池。同电子相比,光子在信息存储、传输及处理方面具有明显的优点。而光子学的发展则依赖于非线性光学材料,它的高速度、高密度、高频率、高带域、并行性及无干扰特征是实现21世纪高信息社会的基础。光折变高分子在高密度光数据存储、全息图象加工、相共轭、神经网络、协同记忆模拟和程序化互连等一系列光电技术中具有潜在的应用价值,因而美国 科学新闻 将其评选为1994年国际上光电材料重大进展之一。我国在总体上仍处于相当低的水平。215电磁功能高分子电磁功能高分子是当今世界上很活跃的一个研究领域,由于应用前景极广,因而各国都投入了大量人力和财力进行开发研究,并取得了重大进展。自1997年发现聚乙炔具有金属导电性以来,聚苯胺、聚吡咯等一系列导电高分子相继问世。目前聚乙炔薄膜的电导率已达到了金属体的最低值,制得了可作为塑料电池的电极材料。我国在导电高分子领域开展了较多的研究,每521998,6(2)江波等1功能高分子材料的发展现状与展望年发表的论文在50篇以上,偏重于基础研究,商品化成果很少。1980年丹麦科学家发现了第一个有机超导体(TM TSF)2PF6,结束了多年来关于有机超导体是否存在的争论。1993年俄罗斯科学家报道了他们在经过长期氧化的聚丙烯体系中发现了室温超导体,这是迄今为止所报道的唯一具有超导性的高分子(局部)。由于高分子铁电体在记忆元件中的特殊用途,它已引起美国、日本的极大重视。有机铁磁体的发现引起了世界化学家和物理学家的极大兴趣,有机铁磁体的研究表明它不仅可作为无机磁体的替代或延伸,而且将是无机磁体无法取代的新一代材料。2.6液晶高分子液晶高分子在一定条件下能形成液晶态。1972年,美国推出一种超高强度、高模量的Kevlar纤维,引起宇航、国防和材料界的极大关注,在全世界有30多家大公司和相当数量的科研院所在大力研究和开发这种材料。液晶高分子有广泛的用途,除了制造高强度、高模量的纤维材料外,还可用于制备自增强的分子复合材料,用于飞机、汽车、航天等工业部门。217生物医用高分子生物医用高分子主要分医用高分子、药用高分子和仿生高分子三大类。目前,除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作,有治疗保健作用的功能高分子也在开发之中。目前植入的人工器官市场已达30亿美元?a,人工心脏导管市场的年增长率为10%,1999年将达到6亿美元。预计药物释放系统的营业额将从1993年的50亿美元增长到2000年的70亿美元。目前生物材料制品的总产值已达40亿美元,其中生物高分子及制品的产值为25亿美元。据统计,截至1990年,美国、日本和西欧等国发表的有关医用高分子的学术论文和专利已超过3万篇。我国目前有50多个单位进行研制与生产,涉及到60多类高分子材料,400多个品种,但是尚未实现系列化和规模化,质量也有一定的问题。3我国功能高分子的发展水平与差距分析90年代初期,国家自然科学基金委员会材料工程学部对高分子材料各主要领域的现状、水平、存在问题及发展趋势进行了综合评价。总体看来,我国功能高分子的科研与发展水平比国际水平落后近10年,产品开发落后20年左右。功能高分子作为一个重点发展方向已得到政府部门、产业部门和市场的认可。一批重点实验室,开放实验室、工程研究中心相继建立运行,创造了进行基础研究的有利条件。而且跨行业,跨专业的合作研究明显加强,研究队伍的整体水平得到提高。高校和科研院所建立了专业机构,以便统一规划研究工作。我国每年都要召开有关功能高分子方面的全国性学术交流会,参加国际功能高分子讨论会的人员也越来越多。各部委分别进行了调研,对未来功能高分子的发展提出了初步的设想和建议。我国科研经费严重不足是个普遍问题,对于需要高投入的功能高分子研究就显得更为突出。由于体制问题,低水平重复研究造成经费和人力的浪费,而且我国专门从事软科学研究的机构很少,缺乏对全局的了解,常出现决策失误。同时,我国功能高分子处于发展期,课题多、面广,力量分散,难以取得实质性进展,科研、生产和应用严重脱节,缺乏切实有效的组织措施和鼓励政策。4我国发展功能高分子应采取的措施功能高分子材料属于知识密集型产品,因此我们不能站在通用高分子材料的角度来处理功能高分子材料的问题,建议采取以下措施:从制订规划开始,就要把功能高分子材料作为一个方向来抓;要敢于投资,加强人才知识的储备;加强对国外高科技的跟踪和国内外信息的交流;注意与其他新技术的结合。功能高分子材料是难度较大、范围很广的62石油化工动态1998,6(2)一个研究领域,主管部门一定要对应用开发阶段的困难性、长期性和需要大量投资及严密的组织管理的客观规律有清醒的认识,从而制订出合理的技术经济政策。21世纪是生物技术时代,克隆技术的突破性进展已给人类带来了无限的想象空间。由于功能高分子可在分子水平实现自组装,因此分子导线、分子开关、分子整流器及分子器件都可望在21世纪获得实际应用。用储存容量提高10亿倍的生物计算机模拟人脑将成为可能,智能机器人将在广泛的领域发挥作用。此外人工脏器将更多地挽救临危病人,高分子长效缓释药物将给人类的健康带来福音。由于一切生命物质的基本单元都是有机分子,而人体就是由多种功能高分子经过复杂组装起来的有机结合体,因此,从分子设计理论的角度来看,由人工合成各种功能的高分子都是可能的,功能高分子具有向一切领域纵深发展的美妙前景。参考文献1王建国,王公善编1功能高分子1同济大学出版社,1996年2赵文元,王亦军编1功能高分子材料化学1化学工业出版社,1996年3膜科学与技术,1996,16(2):71;16(4):624高分子材料科学与工程,1997,13(3):1315化工新型材料,1997,(5):446自然科学进展,1997,7(1):297化工科技动态,1997,(4):228物理,1997,26(5):2649Biomed.Tech.Informat.Service,1995,22(1):4;22(1):810化工进展,1997,(1):5611化学通报,1997,(4):61(收稿日期:1998201224)THE DEVELOPING STATUS AND PROSPECTOF FUNCTI ONAL POLYM ERSJ iang B oL iang Z icaiW ang YuechuanL i J iong(Polym er R esearch Institute of S ichuanU nion U niversity,Chengdu610065)AbstractThe paper introduces the classes and recent developing status of functional polymers bothhome and abroad;gives the measure about how to develop functional polymers in our country.Keywords:functional polymer;application;developing status;measure上海石化塑料厂通过国际环境管理体系认证上海石化股份有限公司塑料厂成为上海市首家通过国际环境管理体系(ISO14000)认证的企业。1997年11月下旬,英国环境资源管理认证审核机构(ERM公司)和中国方圆标志认证委员会上海审核中心组成联合审核组,按ISO14000认证审核程序的有关规定,对该厂进行了第一阶段的审核。在对环境方针、可执行程序文件、生产现场等方面进行了全面的、细致的检查审核后,审核组认为:该厂职工的环境意识很好,最高管理层对环境作出了承诺,目标和指标的制定责任明确,内审有效,说明体系文件控制全面,运转以来效果很好,同意通过审核。该厂之所以能在较短时间内,继通过国际质量管理标准(ISO9000)认证后,在环境管理体系建设方面又取得了好成绩,关键在于对环保工作的重视和长期不懈的努力。目前,上海石化塑料厂正针对审核组提出的一些问题进行整改,争取1998年一季度顺利通过第二阶段的审核,实现ISO 14000环境管理体系全面达标。(上海石化咨询公司邹盛欧供稿)721998,6(2)江波等1功能高分子材料的发展现状与展望
