高分子材料在国民经济中的作用及发展趋势

1/7高分子材料在国民经济中的作用及发展趋势摘要：材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是工业革命的先导，关系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力的重要标志。高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已经成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要保证。本文介绍了高分子材料研究近十年的发展，分析了在国民经济中的作用以及高分子材料将如何开辟新的产业，走与社会、环境相结合的道路。关键词：高分子材料发展日常生活发展新型产业环境协调1.高分子材料概述材料是人类用来制造有用物件的物质，材料的可用性由形成材料的物质分子的属性所决定。组成高分子材料的分子是长链分子，由若干原子按一定规律重复地连接成具有成干上万甚至上百万质量、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，因此高分子材料又被称为聚合物材料。1.1天然高分子材料高分子材料的发现和应用经过了从天然高分子材料的直接使用，到天然高分子材料的改造再利用，再到化学合成高分子材料的过程。2500多年前，南美印地安人将天然橡胶树汁涂覆在脚上，依赖空气中的氧连接天然橡胶树汁中的长链分子使其变硬，制成了早期的“靴子”。1839年，美国Goodyear.发现用硫原子取代空气中的氧使天然橡胶树汁变硬的方法，发明了硫化技术，使天然橡胶成为一种高分子材料。这种主要通过化学反应对天然产物进行改性，使人类从原始利用进人到有目的改造天然产物而得到的高分子材料，称为人造高分子材料。1855年，英国人Parks用硝化纤维素和樟脑制得的赛璐珞塑料；1883年，法国人deChardonnet发明了人造蚕丝，这些成为有划时代意义的一种人造高分子材料。1.2合成高分子材料用化学合成的方法得到并被实际应用的第一个合成高分子材料，是1909年报道的美国Baekeland发明的酚醛树脂。1920年，德国科学家Staudinger提出高分子的长链分子概念后，开始了用化学合成的方法大规模制造合成高分子材料的时代。在二十世纪30年代，化工公司启动了一系列对我们社会产生了巨大影响的基础研究计划。例如，杜邦公司的Wallace2/7Carothers开发了多种结构确定的聚合物材料，并研究了这些材料结构对其性能的影响。这一研究成果在1939年促成了尼龙的商品化。20世纪30年代，英国的ICI公司成功完成了合成聚乙烯的商业化过程。20世纪中叶的石油化工的发展成为合成高分子材料工业使用的原料。1953年，德国科学家Zieglar.和后来的意大利科学家Natta，发明了配位聚合催化剂，大幅度地扩大了合成高分子材料的原料来源，得到了一大批新的合成高分子材料，使聚乙烯和聚丙烯这类通用合成高分子材料走人了干家万户，确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。20世纪70年代中期，美国科学家Heeger，MacDiarmid和日本白川英树的有关导电高分子材料的一项发现，改变了高分子只能是绝缘体的观念，在塑料导电研究领域取得突破性的发现，这一领域的开创性研究“导电聚合物”获得2000年诺贝尔化学奖。从此，具有光、电、磁活性的导电聚合物成为对物理学家和化学家都具有重要意义的研究领域。2.高分子材料在国民经济中的作用2.1高分子材料与衣食住行2.1.1高分子材料的特点(1)种类多，结构性能复杂。(2)性能的多样化，如：质轻、绝缘、易加工、耐蚀、比强度高、耐热、耐老化。(3)应用广。在许多应用领域中，不仅可替代传统材料（金属、木材、天然橡胶、棉、麻等），还可提供更优异的性能。(4)原料丰富、生产成本低。生产和应用所需的投资比其它材料低，经济效益显著。材料MgAl钢Cu玻璃纸工程材料水泥耗能（107J/Kg）9080504040121092.2.2高分子材料与衣说到衣着，无论从城市到农村，人们对漂亮实用的合成纤维制品都不陌生了。尽人皆知，“的确良”织物制成的服装挺括美观、易洗免烫；尼龙袜坚固耐磨；腈纶棉质轻且保暖，不蛀不霉，便于洗涤；维尼纶织物透气干爽，穿着舒适。这里所列举的就是目前合成纤维中大量生产的“四纶”，即由聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制的涤纶；由聚酰胺制成的尼龙；由聚丙烯腈纺成的腈纶和由聚乙烯醇缩甲醛制得的维尼纶。自1935年人们研究成功尼龙纤维，1947年制成涤纶纤维，1950年和1953年先后制成3/7腈纶纤维和维尼纶纤维以来，合成纤维的品种不下30∼40种。人类告别了单纯依靠大自然赋予的棉、麻、毛、蚕丝编织衣着的时代，开创了纤维史上的第三次革命。到1990年世界合成纤维的产量已达1770万吨，占全部纤维的45%。2000年合成纤维的产量已达3500万吨。由此可见，合成纤维对人类现代生活的贡献是不言而喻的。据统计，每生产1万吨合成纤维相当于30万亩棉田的棉花产量，节省土地所带来的效益是不言而喻的。除了合成纤维大规模走进人们的服装行列之外，高分子材料在衣着中其他方面的应用也毫不逊色。单举衣服中光彩夺目的仿珍珠纽扣来说，它们就是利用不饱和聚酯，并加入人造的或天然的珍珠颜料，然后经过加工得到的。2.2.3高分子材料与食人类生活中的一个重要环节“食”，与高分子材料的关系也十分密切。高分子材料的应用不但给人类带来更多更丰富的食品，也极大地丰富了我们的生活。我国北方乃至西藏等高寒地区常年能吃到丰富的蔬菜品种，寒冬过后提前品尝到鲜甜的瓜果，首先得益于塑料大棚的功劳。塑料地膜覆盖既保温又保湿，能带来粮食、蔬菜及棉花等作物的增产效果，已成为国内外农业增产的重要技术措施。塑料地膜与化肥、农药一起已成为现今农业生产中的三大化工材料。据统计，我国用于农膜生产的聚乙烯(PE)约占全部PE产量的1/4。在“食”问题上高分子材料的另一重要作用是解决海水淡化问题，芳香聚酰胺或醋酸纤维素制成的反渗透中空纤维膜，可以使海水和苦咸水淡化。利用这种中空纤维膜淡化海水是解决沿海地区及岛屿农田灌溉和生活用水的有效途径，对一些缺淡水的国家具有特别重要的意义。高分子材料用于日常食品的包装、储存、运输、保鲜等方面已为人们所熟知。它们大多数是聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子的制品，这些包装材料以其重量轻、不易碎、免回收、免洗涤、装饰性强、美观大方而大量取代过去的玻璃包装，给旅行和居家生活带来了很大的方便。至于由高分子材料制成的餐饮用具，更比比皆是。在市场上看到的“不粘锅”，不用放油就可以煎鸡蛋，它是20世纪70年代未美国杜邦公司推出的产品，是在煎锅表面镀上一层光滑耐温的聚四氟乙烯膜制成的。2.2.4高分子材料与住高分子材料与“住”的关系倍加密切。我们的祖先早就懂得用木料、竹子、草来盖房子和制造家具，知道用天然漆装饰和保护家具、房屋。近几十年来，随着高分子材料工业的迅速兴起，高分子材料以其漂亮美观，经济实用而在建筑业中又开辟了广阔的应用领域。用于建筑中的高分子材料既包括取代金属、木材、水泥等的框架结构材料，也包括墙壁、地面、4/7窗户等装饰材料以及卫生洁具、上下水管道等配套材料和消声、隔热保温、防水等各种材料。举头可以看见塑料压制的美观大方的吊灯和镀塑灯具；俯首是色彩鲜艳，不怕虫蛀的丙纶地毯或人造大理石；墙外、室内大量使用水溶性涂料或花色丰富的壁纸；坐下来是美观的人造革内包弹性良好的聚氨酯泡沫塑料；随手触摸到的是塑料压制的家具；抬眼看到的是合成纤维编织的金丝绒垂地窗帘；在卫生间看到的是美观的人造大理石梳妆台(由不饱和聚酯加石灰石和颜料制成)和玻璃钢浴缸，墙内还有看不到的保温隔热泡沫塑料；房顶有质轻防雨的波形瓦。2.2.5高分子材料与行至于高分子材料与“行”的关系就更加重要了。高分子复合增强材料的自重小，比强度、比模量高，而且可设计性强，首先成为飞机中许多部件的首选材料，例如，碳纤维复合材料有比强度、比模量高，质轻，且在高温(2000℃以上)情况下强度不降的优异特性。在飞机中，1kg碳纤维复合材料可以代替3kg传统的铝合金结构材料，因而目前由碳纤维复合材料制造的飞机零部件已有上千种。在造船工业中，玻璃纤维复合材料以其质轻、高强、耐腐蚀、抗微生物附着、非磁性、可吸收撞击能、设计成形自由度大等一系列优点而被广泛用于制造汽艇、游艇、救生艇、渔船等。美国Derektor造船厂大量使用碳纤维复合材料建造的长达22.5m的飞艇，其质量比铝合金舰艇轻3t，时速达120km/h。在汽车制造业中，各种高分子材料也大显神通，其作用首先是减轻车辆的自重，改善运行性能，提高燃油效率。例如1990年美国高级轿车卡迪拉克内使用的塑料制品就达136kg。2.2.6高分子材料在其他方面的应用上面所叙述的只是我们现代生活中衣食住行四个重要环节与高分子材料的关系，除了这几个环节以外，在能源、通讯甚至日常生活的文娱、体育等各个方面都与高分子材料息息相关。燃料、水力和核能是目前广泛利用的能源，高分子材料良好的绝缘性能是电力工业、电子和微电子工业必不可少的绝缘材料，广泛应用于发电机、电动机、电缆、导线和各种仪器仪表中。各种塑料、橡胶、纤维、薄膜和胶粘剂为能源工业和通讯产业做出了重要的贡献。体育器材中使用高分子材料的例子也不胜枚举。纤维复合材料已广泛应用于球杆、球拍、球棒等各个项目中。目前，50%的碳纤维产量是用来做体育器材的。在医疗领域里，使用胶粘剂粘接皮肤、血管、人工角膜等；使用记忆合金材料代替骨骼和牙齿等。5/72.3高分子材料在国民经济中的地位2.3.1高分子材料发展迅猛，是国民经济发展的重要支柱。年塑料（百万M2）钢材（百万M2）196614.260197027721980871151985265145199036517920001480287以塑料为例，作为一种新型材料，塑料具有耐蚀、耐用、绝缘、轻便、高强度等优异性能，已广泛应用于织物、家电、包装、日常用品、农膜、汽车等许多方面。随着生产技术的成熟，塑料成本日益降低，已成为一类与人们生活息息相关的物美价廉的用品，不断改变我们的生活面貌。2.3.2高分子材料是未来经济竞争的重要方面聚合物复合材料高分子材料先进材料光学纤维半导体未来三大高技术领域先进陶瓷电子信息技术生物技术3高分子材料的发展趋势2004年高分子材料市场规模及世界排名名称消费量世界（万吨）中国（万吨）比例世界排名原油加工3740029182.77.83五大通用树脂13384.62952.722.0626/7五大工程塑料461.911023.81合成橡胶1111.8248.722.371化学纤维2852.81556.354.551现人均：2Kg/年是美国的2.4%；日本的2.9%以玻璃钢为例：国家项目产量（万吨）人均水平（Kg/人）种类美国1616.135000日本63.92.2中国28.50.23000高分子材料的发展趋势：生物化；开发天然高分子的潜在资源化；绿色化。3.1生物化自然界已为我们制造了完美的高分子科学的样板-----------生命物质。凭借着氨基酸、多糖、脂质体、核糖核酸等“生物大分子”的有序排列和有序组合，构成了各种奇特的“生命功能”和“生命材料”，其中的奥妙是值得高分子科学家研究和仿效的。因此向生命科学学习，研究生命现象中的各种高分子问题，将成为高分子科学发展的一个源泉。3.2开发天然高分子的潜在资源化当代合成高分子材料主要依赖石油这种化石资源。石油的生成是一个浸长的地质过程，石油资源正日益减少而又无法及时再生，因此，有必要寻找可以替代石油的其他资源来作为合成高分子材料的原料来源。解决的途径可以是天然高分子的利用，也可以探索无机高分子材料的合成。结合基因工程的方法，促使植物产生出更多的可直接利用的天然高分子，或可供合成高分子材料需要的原料单体。无机高分子泛指主链原子是除碳以外的其他原子形成的长链分子。无机高分子的原料来源丰富且多样，已知约有四五十种无机元素可以形成长链分子。如地球上储量最丰富的硅元素，可以合成得到主链全部是硅原子且具有有机侧链的聚硅烷材料。这种聚硅烷既可用作结构材料又可用作功能材料，还可以制得氮化硅结构陶瓷材料。3.3绿色化合成高分子材料的生产要尽可能实现绿色化学过程，高分子材料的应用耍体现绿色材料的概念。研究高分子材料的环境同化，强化环境友好的特征，实现高分子材料的生