国内外高分子材料发展概况与趋势

高分子材料的发展概况与趋势,贾德民（华南理工大学材料学院）2009.10,材料：金属材料无机非金属材料（陶瓷、水泥、玻璃)高分子材料(塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、油墨、高分子复合材料、功能高分子材料、天然高分子材料等）复合材料高分子材料是当代新材料的后起之秀，其发展速度与应用超过了传统的金属材料和无机材料，已成为工业、农业、国防、科技和日常生活等领域不可缺少的重要材料。,世界高分子材料工业的历史，从1839年建立天然橡胶硫化胶生产厂算起，不过是短短的170年；合成高分子材料工业的历史也不过是100年。二十世纪后期以来，随着世界新技术革命和经济的飞速发展，世界高分子材料产业进入了高速发展时期，世界合成高分子材料的总产量已接近3亿吨，其体积产量早在九十年代中期已超过金属材料。,1.当代高分子材料与人类生活,衣：天然纤维、化学纤维、皮革；食：天然高分子食品：淀粉、蛋白质等；现代农业：农用薄膜与温室技术；排灌技术与水土保持技术；食品包装：住：新型建材：塑料管材、塑料门窗、建筑粘合剂建筑防水材料、建筑装修材料（涂料、人造板、电线、开关等）；高性能混凝土外加剂,行：汽车：轮胎和数以千计的高分子材料零部件，一辆小轿车要使用一百多公斤各种高分子材料，是汽车轻量化的关键；火车：提速与减震；飞机：大型客机需要数万个高分子零件；高速公路：改性沥青、反光指示牌;用：各种家用电器和家庭用品,2.高分子材料与当代高新技术电子信息：线路板（覆铜板）；光敏树脂；光盘；复印机；打印墨水；按键；高分子发光材料与器件.生物技术：人工脏器;医用导管与介入疗法;高分子药物：长效、缓释、靶向；航空航天：卫星与火箭外壳（碳纤维复合材料）；挑战者号航天飞船失事；新能源：新型电池（锂离子电池、燃料电池）；LED灯；风力发电.,3.1高性能化,80年代以来,由于新的工业化大品种聚合物几乎未再出现，通过各种改性手段实现现有高分子材料及其制品的高性能化成为当前高分子材料的重要发展趋势。,3.世界高分子材料工业的发展动向,3.1.1塑料的高性能化,通用塑料的工程化和工程塑料的高性能化塑料高性能化的方法：（1）化学改性（茂金属催化聚合、间规聚合、超高分子量聚乙烯等）；（2）共混与合金化（接枝、嵌段、互穿聚合物网络、相容剂技术、液晶聚合物改性）；（3）填充（偶联剂技术、纳米复合技术等）；（4）纤维增强（高性能纤维增强塑料、自增强技术）。,（5）塑料及其制品高性能化的成型加工新技术：1）反应挤出技术；2）微波技术；3）振动技术；4）挤出自增强技术；5）注塑自增强技术；6）旋转注射和摆动注射成型技术,3.1.2橡胶的高性能化,子午线轮胎：世界轮胎子午化率达90以上，而中国仅75。高性能轮胎的研究开发：包括“绿色”轮胎、节能轮胎、安全轮胎、高里程轮胎、智能轮胎等，其特点是兼具低滚动阻力、高抗湿滑性、高耐磨、高寿命等优良综合性能。滚动阻力下降2037，节油35。,汽车用非轮胎橡胶制品：汽车的轻量化对橡胶制品耐热、耐油和耐化学品性能要求提高，促进了丙烯酸酯橡胶、氯磺化聚乙烯、硅橡胶、氟橡胶、氢化丁腈橡胶、三元乙丙橡胶等的使用。减震橡胶制品：应用于房屋建筑、汽车、桥梁、铁路、飞机、船舰等领域。,3.1.3纤维的高性能化,高性能纤维：高强度纤维、高模量纤维、耐高温纤维、阻燃耐火纤维耐腐蚀纤维特点:(1)具有远优于普通纤维的物理机械性能、热性能和化学性能；（2）采用高技术制备，应用于高科技或特殊领域；（3）高附加值。主要品种:碳纤维、聚芳酰胺（芳纶）纤维、聚芳酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维,3.2功能化,随着高新技术的发展，各种功能化高分子材料及其制品的应用越来越广泛，品种越来越多，要求越来越高，市场需求量越来越大，从而为高分子材料产业提供了许多新的发展机遇。功能高分子材料已经或正在形成新的产业，成为高分子材料产业中最有发展前景的新的增长点。,3.2.1电子电器用高分子材料:覆铜板（线路板）感光高分子材料随着集成电路的集成化程度的不断提高，对印刷电路感光高分子材料的要求越来越高。硅橡胶按键磁性高分子材料:由高分子材料与磁性粉末复合而成。可记录声、光、电等信息，并有重放功能，广泛用于电子、电气、通讯、航空航天、汽车、家电、计算机、复印机等。,3.2.2导电和光电高分子材料：导电聚合物不仅是高分子领域的重大发现（2000年诺贝尔化学奖），而且对电子信息和其他有关领域正在产生革命性的影响，正在形成21世纪的新兴产业。高分子电致发光材料：可用作平面显示器和平面光源，正在实现产业化。聚合物太阳能电池：效率已达3，成本低。,3.2.3高分子半导体芯片：具有柔韧、易加工、价廉等优点，有可能成为新一代芯片的主角。剑桥创办了第一家塑料芯片公司，许多IT公司投入巨资研发塑料芯片。3.2.4塑料光纤（PMMA,PS,PC)：具有大口径、高开口数、处理方便、加工简便、价廉、接续方便等优点，适用于短距离通信网络，将会成为未来信息社会的新兴产业。,3.2.5生物医学高分子材料：人工脏器材料（人工心脏、人工肾、人工肺、人工骨、人造关节、人工血管);医用导管及其他医疗卫生用品；高分子药物：长效、缓释、靶向、治癌3.2.6功能涂料：装饰、保护和特殊功能相结合，如导电、阻尼、阻燃防火、隔热、示温、防辐射、微波吸收、防水、自洁性、杀虫、空气净化、荧光等特种涂料。,3.2.7高吸水树脂:卫生用品、水土保护。3.2.8其他：分离功能材料；形状记忆材料；水处理材料高分子催化剂等。3.2.9高分子制品的功能化：如智能轮胎、零压轮胎、智能鞋等。,3.3复合化,1.纤维增强树脂复合材料：1.玻璃纤维增强树脂复合材料（玻璃钢）；2.高性能（先进）复合材料：高性能纤维（碳纤维、芳纶纤维、高模量聚乙烯纤维等、氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、硼纤维等）高性能树脂（特种环氧树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、氰酸酯树脂、特种热塑性树脂如PEEK、PSF等）,2.聚合物/无机物纳米复合材料：纳米材料是二十世纪后期崛起的一类具有划时代意义的新材料.聚合物/无机物纳米复合材料的主要特征是复合体系的一个组分至少有一维以纳米尺寸（100nm）均匀分散在另一组分的基体中。聚合物/无机物纳米复合材料的性能(包括力学性能、阻隔性能、阻燃性能、热性能、电性能、生物性能等）比相应的宏观或微米级复合材料有非常显著的提高，甚至表现出全新的性能。,聚合物/无机物纳米复合材料可分为3类:(1)聚合物/粒状无机物纳米复合材料：由各种聚合物与纳米二氧化硅、纳米超细碳酸钙、纳米二氧化钛等粒状填料组成。当前主要研究如何克服纳米粒子团聚，充分发挥纳米复合效果。(2)聚合物/层状无机物纳米复合材料：如各种聚合物与层状硅酸盐（蒙脱土、高岭土等）形成的插层纳米复合材料，二十世纪八十年代才开始成功的研究开发，各国都处在实现工业化的热潮中。（3）聚合物/无机纳米管纳米复合材料：碳纳米管，埃洛石,3.4环境友好化,高分子材料工业是一个与环境保护密切相关的产业，不仅其生产过程存在环境污染问题，其产品在使用和废弃过程中也对环境有重大影响，高分子材料工业和高分子材料制品与环境的关系越来越引起人们的重视。随着石油资源的紧缺和油价暴涨，从可再生资源或非石油资源制备高分子材料越来越引起人们的重视。,可降解天然高分子材料及其复合材料（1）淀粉塑料（全降解）；（2）纤维素塑料；（3）聚乳酸、聚羟基酸、聚氨基酸等；（4）可降解复合材料。,由非石油资源制造高分子材料（1）由煤制造液体燃料和烯烃：南非用煤生产液体燃料居世界领先地位，是世界第一个利用煤大规模生产石化产品的国家。（2）由C1（甲烷、甲醇）原料制造烯烃；（3）由CO2制造高分子材料;(4)由植物资源制造高分子材料：淀粉、纤维素、木质素、壳聚糖、聚乳酸等。美国已建有13.6万吨聚乳酸工厂，其成本可与石油化工产品竞争。,废弃高分子材料的回收和再生利用：废旧高分子材料的回收利用已发展为一门新产业E产业，即环保产业。（1）废塑料的回收利用；（2）废橡胶的回收利用：1）作燃料；2)传统的再生胶产业走向衰落；3）废胶粉直接利用技术迅速获得发展（直接加入橡胶配方、增韧塑料、热塑性弹性体、铺路、跑道等）,木塑复合材料（WPC),木塑复合材料（Wood-plasticcomposites,WPC)是近年蓬勃兴起的一种新型复合材料，由占50以上的木粉、稻壳、桔梗等废天然纤维与废旧热塑性塑料（PE，PP，PVC等）经特殊工艺制成的性能优良的环保型绿色复合材料，兼有塑料与木材二者的优点，还有许多塑料与木材不具备的新特点，在包装、物流、家具、园林等许多领域具有广泛的用途。木塑复合材料符合节约资源，保护生态环境，发展循环经济的原则。,木塑园林产品花箱,木塑园林产品垃圾箱,木塑园林产品休闲椅、凳,木塑园林产品栏杆,WPC行业的国内外状况,国外木塑复合材料生产和应用始于二十世纪九十年代，至今只有十几年的时间；北美、欧洲，日本、韩国、澳大利亚、新西兰等国和台湾地区都在大力发展木塑复合材料，木塑复合制品的年增长率达16%。中国近年发展迅速，将以年增长率50%以上的速度发展。,高分子材料生产和使用过程的环保问题：粉尘污染；溶剂污染；某些橡胶促进剂（TMTD，NOBS）和防老剂（胺类）具有致癌作用，必须用其它品种代替。取缔或限制使用有毒重金属助剂和部分含溴阻燃剂（欧盟ROHS指令）。开发非卤阻燃剂(无机阻燃剂、含磷氮阻燃剂、含硅阻燃剂等）。,高分子材料及其制品，特别是制鞋和橡胶生产过程对环境的污染及对工人的危害已成为一个众所周知的问题，要从技术和法规上加以解决。减少VOC的排放，满足环保法规，涂料正朝着水性涂料、高固体份涂料、粉末涂料和辐射固化涂料等绿色涂料方向发展。装修污染：,环境友好、绿色化学和可持续发展的概念：（1）从“原子经济性”的原则出发，从化学原理的源头减少或消除环境污染，减少资源和能源的浪费；（2）尽可能节约不可再生的原料资源，使用可再生的生物资源作原料；（3）采用无毒无害的原料、催化剂、溶剂和助剂；（4）采用高效、节能、清洁的化工生产过程强化技术，最大限度减少废料排放；（5）兼顾产品的经济效益、社会效益和环境效益，走可持续发展的道路。,3.5信息化,计算机在高分子材料设计中的应用：配方设计与优化计算机辅助产品结构设计计算机辅助工程设计计算机模拟仿真计算机用于高分子材料制品生产工艺的控制：从微机控制混炼、压延、挤出、成型、硫化到整个生产线的自动控制。信息化管理和电子商务：网上采购、销售、访问客户等,3.6全球化与规模化市场全球化、生产国际化企业规模化、装置大型化,2001年道化学与联碳公司合并，成为世界最大的石油化工公司，2005年其乙烯生产能力达1316万吨/年，占全球的11%左右；美国埃克森公司兼并美孚石油公司成为世界第二大乙烯公司；2005年世界十大乙烯公司占世界乙烯产能的63.2%.,世界轮胎十强占领了全球轮胎市场的80，三大轮胎巨头（法国米其林、美国固特异和日本普利斯通）