有机高分子材料

1.1 中国制造 2025 视野下高分子材料产业发展

为应对新一轮国际竞争、适应技术爆炸式创新的迫切需要，争取国际制造业舞台话语权，加快我国转型升级，从而实现从“中国制造”向“中国创造”转变，站在国家战略的高度，我国组织了各个领域的院士和专家，及时提出并制定了“中国制造 2025”行动计划纲领。“中国制造 2025”是我国各个领域的专家基于中国的实际国情，综合各个领域的发展水平，特别是考虑到国内发展仍然落后的领域，尤其是其中相关核心技术和关键设备面临的难题与挑战，着眼于世界科技发展的大趋势，紧紧围绕增强国家综合国力、科技生产力和竞争力的主题，面向国家实际需要及重大需求而制定的一系列方针与对策。这一行动纲领是今后全国上下制造业的行动指南，为相关产业包括高分子材料产业的未来发展指明了方向。“中国制造 2025”列出了包括新一代信息技术和新材料在内的十大优势和战略产业，作为未来的优先发展目标和突破口，其中与高分子材料产业密切相关的领域与项目有十余项。

1.2 我国高分子材料发展现状

《石油和化学工业“十三五”发展规划指南》将高分子材料作为战略新兴产业列为优先发展的领域，对高性能树脂、高性能橡胶、高性能纤维、功能性膜材料等高分子材料的创新与发展都提出了明确的要求；组织专业协会和行业专家编写了《合成树脂行业“十三五”发展规划》，明确高分子材料“十三五”发展的指导思想是：以调整优化产业结构为重点，全面实施科技创新、结构调整、节能减排，加快推进产业转型升级，积极发展高端树脂、生物基树脂和专用料等新型材料，大力推进科技含量高、市场前景广、带动作用强的新产品规模化发展，为战略新兴产业发展、国家重大工程建设和国防科技工业提供支撑和保障。努力开发一批具有自主知识产权并占据行业制高点的关键技术和引领技术，培育一批具有国际竞争优势的大中型企业和企业集团，积极推进行业有序发展，初步形成资源节约型、环境友好型、本质安全型发展模式。

我国化工新材料产量规模和增速居世界首位，但在部分细分领域自给率不足。“十四五”期间要突破重点应用领域急需的新材料，布局一批前沿新材料，加快重点新材料的初期市场培育，提高化工新材料在工业领域中的基础保障水平。目前我国传统化工产业已比较成熟，除钾肥因国内资源不足近一半依赖进口外，其他传统化工产品均在世界占有领先地位。未来化肥行业要进行减肥增效，推进原料路线改造，大力发展新型肥料。农药行业则要发展友好型创制农药；纯碱行业要推进先进技术应用，淘汰落后产能；氯碱行业要推进原料路线改造，促进汞污染防治。^[1]

尽管我国的高分子材料产量和消费量早已居世界首位，但与发达国家相比也有自己的劣势，如生产的中低端产品占绝大多数，而大多数高端产品无法自主生产，关键技术受制于人，只能从国外进口， 因此, 我国并未位列高分子材料世界强国。当前, 国内高分子材料的三大基础材料, 即通用合成塑料、通用合成橡胶和通用合成纤维, 其产能已经过剩, 但是其中的高端产品依然需要进口。^[2]

　　有机高分子材料是以高分子化合物为主要成分，与各种添加剂(或配合剂)配合，经过适当的加工而成。材料的基本性能主要取决于高分子化合物。有机高分子材料有以下基本特点：

　　1、密度小：比钢铁、铜轻得多，与铝、镁相当，对机电产品的轻量化有利。

　　2、有足够的强度和模量：能够代替部分金属材料制造多种机械零部件。

　　3、优良的电(绝缘)性能：对电机、电器、仪器仪表、电线电缆中的绝缘起着重要的推进作用。而添加适当的导电材料又可成为特殊导体材料。

　　4、优良的减摩、耐磨和自润滑性能：许多高分子材料可在液体介质中或少油、无油干摩擦条件下运行，其性能甚至优于金属。

　　5、优良的耐蚀性能：对酸、碱或某些化学药品一般都具有良好的耐蚀性能。在一些特殊介质中，如含氯离子的酸性介质。其耐蚀能力胜过金属，甚至胜过一般的不锈钢。

　　6、富于粘结力：高分子胶粘剂能将不同品种、不同形状的材料零件胶接一起，胶接牢固，并且有密封、堵漏作用。

　　7、易于合金化：两种或两种以上的高聚物可用物理的、化学的方法共混制得共混聚合物合金。如尼龙与聚烯烃共混的塑料合金，其冲击韧度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大，可制备出性能多样、适应不同工况要求的新材料。

　　8、富有弹性：不论是线型或体型高分子，都具有一定的弹性。橡胶弹性最好，具有良好的吸振、防振和密封功能。

　　9、优良的透光性：不少塑料是透明的，如有机玻璃、聚苯乙烯的透光率可达90%以上。不少的高聚物还具有优良的隔热、隔声性，是很好的轻型建筑材料。

　　10、耐热性差：长期使用温度大多在200℃以下。近年来， 可用于200℃以上的品种有所增加；用在300～4000℃温度下的，是追求的目标。但有的高分子材料能耐液氮、液氦等超低温度。

　　11、可燃：高分子材料是有机物，具有可燃性，或离火自熄；通常加入阻燃剂以消除其可燃性。

　　12、易老化：在热、光、氧的长期作用过程中，高分子发生降解过程，使其理化性能、力学性能降低。完全消失以至失去使用价值。为此，常须加入防老化剂及其他防护措施延长使用寿命。^[3]

根据聚合物的性能和用途，可将有机高分子材料分为塑料、纤维、像胶三大类，此外还有涂料、胶粘剂和粒子交换树脂等。

3.1 塑料

在一定条件下具有流动性、可塑性，并能加工成形，当恢复平常条件时仍可保持加工时形状的高分子材料称为塑料。塑料又分为热塑性塑料和热固性塑料两种。塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物，其抗形变能力中等，介于纤维和橡胶之间，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成。

塑料的主要成分是树脂。树脂是指尚未和各种添加剂混合的高分子化合物。树脂这一名词最初是由动植物分泌出的脂质而得名，如松香、虫胶等。树脂约占塑料总重量的40%～100%。塑料的基本性能主要决定于树脂的本性，但添加剂也起着重要作用。有些塑料基本上是由合成树脂所组成，不含或少含添加剂，如有机玻璃、聚苯乙烯等。

3.2 纤维

具备或保持其本身长度大于直径1000倍以上而又具有一定强度的线条或丝状高分子材料称为纤维。纤维的直径一般很小，受力后形变较小(一般为百分之几到20%)，在较宽的温度范围内力学性能变化不大。纤维分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又分为改性纤维素纤维(人造纤维，如粘胶纤维)与合成纤维。改性纤维素纤维是将天然纤维经化学处理后再纺丝而得到的纤维。合成纤维是将单体经聚合反应而得到的树脂经纺丝而成的纤维。重要的纤维品种有：聚酯纤维(又称涤纶)；聚酰胺纤维，如尼龙66；聚丙烯腈纤维(又称腈纶)；聚丙烯纤维(丙纶)和聚乙烯纤维(氯纶)等。

纤维的分类：

一、天然纤维

天然纤维是自然界存在的，可以直接取得纤维，根据其来源分成植物纤维、动物纤维和矿物纤维三类。

（1）植物纤维

植物纤维是由植物的种籽、果实、茎、叶等处得到的纤维，是天然纤维素纤维。从植物韧皮得到的纤维如亚麻、黄麻、罗布麻等；从植物叶上得到的纤维如剑麻、蕉麻等。植物纤维的主要化学成分是纤维素，故也称纤维素纤维。

（2）动物纤维

动物纤维是由动物的毛或昆虫的腺分泌物中得到的纤维。从动物毛发得到的纤维有羊毛、兔毛、骆驼毛、山羊毛、牦牛绒等；从动物腺分泌物得到的纤维有蚕丝等。动物纤维的主要化学成分是蛋白质，故也称蛋白质纤维。

（3）矿物纤维

矿物纤维是从纤维状结构的矿物岩石中获得的纤维，主要组成物质为各种氧化物，如二氧化硅、氧化铝、氧化镁等，其主要来源为各类石棉，如温石棉，青石棉等。

二、化学纤维

化学纤维是经过化学处理加工而制成的纤维。可分为人造纤维（再生纤维），合成纤维和无机纤维。

（1）人造纤维：

又称化学纤维，简称化纤，指各式各样的化学合成纤维，属于塑料。包括但不限于聚酯、尼龙、Spandex等。以物理力量把化学物质迫过小孔，形成极幼的纤维条。人造纤维是经过化学方法所制成的纤维，通常可分为再生纤维、半合成纤维和合成纤维。

（2）合成纤维：

合成纤维是将人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶(或可熔)性的线型聚合物，经纺丝成形和后处理而制得的化学纤维。通常将这类具有成纤性能的聚合物称为成纤聚合物。与天然纤维和人造纤维相比，合成纤维的原料是由人工合成方法制得的，生产不受自然条件的限制。合成纤维除了具有化学纤维的一般优越性能，如强度高、质轻、易洗快干、弹性好、不怕霉蛀等外，不同品种的合成纤维各具有某些独特性能。

（3）无机纤维：

无机纤维是由矿石与焦炭按比例经高温熔融经离心而产出。所谓矿石乃矿渣与硅石的代称。硅石的主要成分为二氧化硅，一般所占的比例达到百分之九十以上，硅石中还含有三氧化二铝、三氧化二铁、氧化镁、氧化钙等等，但比例都较小。

3.3 橡胶

塑料、纤维和橡胶三大类聚合物之间并没有严格的界限。有的高分子可以作纤维，也可以作塑料，如聚氯乙烯既是典型的塑料，又可做成纤维即氯纶；若将氯乙烯配入适量增塑剂，可制成类似橡胶的软制品。又如尼龙既可以用作纤维又可作工程塑料；橡胶在较低温度下也可作塑料使用。

（1）高性能聚烯烃材料：

（2）聚氨酯新材料：重点发展环保及环境友好的聚氨酯新材料及其所需要的各种原材料单体；

（3）：发展以常见偏氟乙烯和其他氟树脂、相关硅树脂等我国还未大规模工业化的氟硅树脂生产技术； 

（4）特种合成橡胶：

（5）生物基合成材料：开发面向未来的生物基新材料（如聚氨酯、尼龙、聚酯、橡胶等）合成的原料生产技术，及这些新材料的核心聚合技术及关键设备； 

（6）生物基轻工材料：重点发展可生物降解、环境友好的各种生物基聚酯（如聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚羟基脂肪酸酯、聚酰胺等）树脂及相关纤维材料，尤其要实现所需要单体原料的低成本及高纯度； 

（7）特种工程塑料：发展易于成型加工的聚酰亚胺、聚芳醚酮及聚氟等特种高分子材料的各种特别应用，如塑料、纤维、黏结剂、膜过滤和分离等，用于耐高温、高抗绝缘等； 

（8）基于生物基纤维的先进纺织材料：重点开发聚乳酸和聚对苯二甲酸丙二醇酯等生物基纤维，降低成本及提高纤维的各种性能。 

（9）高性能分离膜材料：重点应用于海水淡化、自来水生产和污水处理、化学溶剂回收、离子交换、渗透汽化等，以提高性能且降低能耗为要点； 

（10）高性能纤维及其复合材料：重点开发高等级的碳纤维、对位芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、和其他的特种纤维（如聚酰亚胺和聚苯硫醚等）以及它们的各种复合材料，广泛应用于汽车轻量化、造船、航空航天等重要领域； 

（11）新型能源材料：主要包括聚合物基太阳能电池、锂电池和燃料电池所需要的各种先进高分子材料如隔膜及黏结剂等，要实现国产化，提高能源转化效率及降低生产成本； 

（12）先进生物医用材料：重点是实现重要产品的原材料的国产化，开发出一些新型的具有生物活性的再生生物医用材料及介入/植入产品，且产品及新材料市场形成一定规模； 

（13）用于 3D 打印的新材料：要形成产业化及相关材料和技术的标准化，特别是可用来检测、调控和感知的生物医用可植入材料及相关具有特殊性能纳米材料； 

（14）智能仿生及超材料：重点开发几种可以实际应用于海洋防污、环境友好、高效涂层材料及技术，开发一些柔性智能材料及可穿戴设备技术； 

（15）石墨烯材料：

在十大领域里的“生物医药及高性能医疗器械”里面，也有两项与高分子材料相关的项目，分别是： 由相关高分子材料制造的先进医疗设备，主要包括大型治疗疑难杂症如治疗肿瘤的医疗设备，以及可用于心血管、骨科及口腔的可降解支架及植入物； 全部或部分由聚合物材料组成的医疗设备及植入物关键零部件，包括各种生物医疗用探测器和探头，多通道谱仪，支架和透析材料及其他高品质医用级新材料等。 

5.1 应用现状

（1）军工业领域现状

高分子材料在军工业领域有着较多运用，促进了军工农业的快速发展。其耐热性强，并且强度较高，绝缘性良好,更能抵抗辐射，利于军事建设活动的有效开展，是其优先选择使用的原材料。比如在军用装备方面, 用高分子材料制造出的装备有防弹衣等，另外纤维、橡胶也属于运用较多的材料。

（2）建筑领域应用现状

在建筑领域较多使用高分子材料。传统建筑领域大多使用石灰水作为装修材料, 虽然在一定程度上达到了防潮目的, 但是在艺术美表现方面存在不足。如今人们对建筑房屋装修的审美要求越来越高，更需要使用具备美感的装修材料。将高分子材料运用到建筑领域, 在装修防水、墙体涂料, 以及墙壁纸粘合剂方面都能发挥重要作用。

（3）民用行业应用现状

高分子材料在民用领域得到较多运用，比如常见的塑料袋、塑料瓶等制品，就是用高分子材料制作出来的，另外还有计算机设备比如鼠标、键盘等也使用了高分子材料，为人们生活带来了极大的方便，但是也存在一些问题, 比如不可降解问题，对生态环境造成了一定的损害，对此，国内采取的措施是限制塑料的使用，比如需要购买塑料袋等，在实际执行过程中取得了一定成效。

5.2 应用方向

热响应型

电磁响应型

在高分子材料中, 电磁响应型有着较多运用。高分子材料通过电流产生作用, 电流热量升高, 材料温度在一定程度上得到加强, 高分子材料也就无法回到最初状态。但对电磁响应型高分子材料进行应用, 其导电性能不低, 能够使材料具备一定的记忆性能, 若是电流使得其热量增加, 高分子材料也能在短时间内还原到最初状态。

水溶性高分子材料

在高分子材料中, 水溶性涉及到的内容为水溶性聚合物、树脂等方面。该类高分子材料具有较强的亲水性能, 在实际运用中, 与水产生一定的接触, 在水中发生溶解反应, 进而与水进行充分融合, 使其达到溶液的状态。通常来讲, 水溶性高分子材料可分为两种类型, 分别为人工合成、天然性两类。在人工合成类型的高分子材料中, 涉及到缩合、聚合等内容。在天然性类型中, 包含动物淀粉等内容。^[5]