高分子材料产业现状

1、高分子材料产业现状综述（南通大学 化学化工学院 高分子材料与工程132 朱梦成 1308052064 ）摘 要 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。关键词 高分子；材料；产业；产量；高分子材料；聚合物1引言如果以材料来标志人类社会文明发展的阶段，刚刚过去的20世纪的社会文明的标志、则是以塑料、橡胶和纤维为代表的合成高分子材料走人了干家万户，影响农业、能源、信息、环境及人口与健康等领域的进步与

2、发展。合成高分子材料按使用性质划分，有塑料、橡胶、纤维、涂料等，按用途划分有结构型和功能型，同一用途不同层次则有通用型和高性能型之分，功能型细分则有光、电、磁功能和生物相容功能等。合成高分子材料具有量大、面广的特点。量大是指全世界合成高分子材料的年产量，按体积计已超过了钢铁材料的产量。美国的高分子材料的年消费总量为800亿美元，以重量汁接近钢铁材料，消费量的递增速度超过了GDP的递增。面广是指合成高分子材料的种类和品种繁多，即使是同了种化学组成的合成高分子材料，也往往因其结构的细微差别而成为不同的专用品种，以满足特定的使用需要。2高分子材料分类2.1按来源分类高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑

3、料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。高分子胶粘剂是以合成

4、天然高分子化合物为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质，添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同，分为油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。高分子基复合材料是以高分子化合物为基体，添加各种增强材料制得的一种复合材料。它综合了原有材料的性能特点，并可根据需要进行材料设计。高分子复合材料也称为高分子改性，改性分为分子改性和共混改性。功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息的转换、磁性、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物

5、降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。高聚物根据其机械性能和使用状态可分为上述几类。但是各类高聚物之间并无严格的界限，同一高聚物，采用不同的合成方法和成型工艺，可以制成塑料，也可制成纤维，比如尼龙就是如此。而聚氨酯一类的高聚物，在室温下既有玻璃态性质，又有很好的弹性，所以很难说它是橡胶还是塑料。2.2按应用功能分类按照材料应用功能分类，高分子材料分为通用高分子材料、特种高分子材料和功能高分子材料三大类。通用高分子材料指能够大规模工业化生产，已普遍应用于建筑、交通运输、农业、电气电子工业等国民经济主要领域和人们日常生活的高分子材料。这其中又分为塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料

6、等不同类型。特种高分子材料主要是一类具有优良机械强度和耐热性能的高分子材料，如聚碳酸酯、聚酰亚胺等材料，已广泛应用于工程材料上。功能高分子材料是指具有特定的功能作用，可做功能材料使用的高分子化合物，包括功能性分离膜、导电材料、医用高分子材料、液晶高分子材料等。2.3按高分子主链结构分类碳链高分子：分子主链由C原子组成，如： PP、PE、PVC杂链高聚物：分子主链由C、O、N、P等原子构成。如：聚酰胺、聚酯、硅油元素有机高聚物：分子主链不含C原子，仅由一些杂原子组成的高分子。如：硅橡胶2.4名称和用途塑料是指以聚合物为主要成分，在一定条件（温度、压力等）下可塑成一定形状并且在常温下保持其形状不变

7、的材料。塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料。加热后软化，形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料。主要的热塑性塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚氨酯、聚四氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等。加热后固化，形成交联的不熔结构的塑料称为热固性塑料。常见的有环氧树脂, 酚醛塑料， 聚酰亚胺，三聚氰氨甲醛树脂等。塑料的加工方法包括注射，挤出，膜压，热压，吹塑等等。橡胶又可以分为天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶的主要成分是聚异戊二烯。合成橡胶的主要品种有丁基橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶、三元乙丙橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等等。纤维是高分子材料的

8、另外一个重要应用。常见的合成纤维包括尼龙、涤纶、腈纶聚酯纤维、芳纶、丙纶纤维等。涂料是涂附在工业或日用产品表面起美观或这保护作用的一层高分子材料，常用的工业涂料有环氧树脂，聚氨酯等。黏合剂是另外一类重要的高分子材料。人类在很久以前就开始使用淀粉，树胶等天然高分子材料做黏合剂。现代黏合剂通过其使用方式可以分为聚合型，如环氧树脂；热融型，如尼龙，聚乙烯；加压型，如天然橡胶；水溶型，如淀粉。2.5新型高分子材料高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中，被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。尽管高分子材料因普遍具

9、有许多金属和无机材料所无法取代的优点而获得迅速的发展，但目前已大规模生产的还是只能在寻常条件下使用的高分子物质，即所谓的通用高分子，它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点。而现代工程技术的发展，则向高分子材料提出了更高的要求，因而推动了高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，这样就出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。2.5.1高分子分离膜：用高分子材料制成的具有选择性透过功能的半透性薄膜。采用这样的半透性薄膜，以压力差、温度梯度、浓度梯度或电位差为动力，使气体混合物、液体混合物或有机物、无机物的溶液等分离技术相比，具有省能、高效和洁净等特点，因而被认为是支撑新技术革命

10、的重大技术。膜分离过程主要有反渗透、超滤、微滤、电渗析、压渗析、气体分离、渗透汽化和液膜分离等。用来制备分离、渗透汽化和液膜分离等。用来制备分离膜的高分子材料有许多种类。现在用的较多的是聚枫、聚烯烃、纤维素脂类和有机硅等。膜的形式也有多种，一般用的是平膜和空中纤维。推广应用高分子分离膜能获得巨大的经济效益和社会效益。例如，利用离子交换膜电解食盐可减少污染、节约能源：利用反渗透进行海水淡化和脱盐、要比其它方法消耗的能量都小；利用气体分离膜从空气中富集氧可大大提高氧气回收率等。2.5.2高分子磁性材料：人类在不断开拓磁与高分子聚合物(合成树脂、橡胶)的新应用领域的同时，而赋予磁与高分子的传统应用以

11、新的涵义和内容的材料之一。早期磁性材料源于天然磁石，以后才利用磁铁矿(铁氧体)烧结或铸造成磁性体，现在工业常用的磁性材料有三种，即铁氧体磁铁、稀土类磁铁和铝镍钴合金磁铁等。它们的缺点是既硬且脆，加工性差。为了克服这些缺陷，将磁粉混炼于塑料或橡胶中制成的高分子磁性材料便应运而生了。这样制成的复合型高分子磁性材料，因具有比重轻、容易加工成尺寸精度高和复杂形状的制品，还能与其它元件一体成型等特点，而越来越受到人们的关注。高分子磁性材料主要可分为两大类，即结构型和复合型。所谓结构型是指并不添加无机类磁粉而高分子中制成的磁性体。目前具有实用价值的主要是复合型。2.5.3光功能高分子材料：所谓光功能高分子

12、材料，是指能够对光进行透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。目前，这一类材料已有很多，主要包括光导材料、光记录材料、光加工材料、光学用塑料(如塑料透镜、接触眼镜等)、光转换系统材料、光显示用材料、光导电用材料、光合作用材料等。光功能高分子材料在整个社会材料对光的透射，可以制成品种繁多的线性光学材料，像普通的安全玻璃、各种透镜、棱镜等;利用高分子材料曲线传播特性，又可以开发出非线性光学元件，如塑料光导纤维、塑料石英复合光导纤维等；而先进的信息储存元件兴盘的基本材料就是高性能的有机玻璃和聚碳酸脂。此外，利用高分子材料的光化学反应，可以开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料

13、及粘合剂;利用高分子材料的能量转换特性，可制成光导电材料和光致变色材料；利用某些高分子材料的折光率随机械应力而变化的特性，可开发出光弹材料，用于研究力结构材料内部的应力分布等。2.5.4高分子复合材料：高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料。高分子复合材料最大优点是博各种材料之长，如高强度、质轻、耐温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质，根据应用目的，选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料，制成满足需要的复合材料。高分子复合材料分为两大类：高分子结构复合材料和高分子功能复合材料。以前者为主。高分子结构复合材料包括两个组分：增强剂。为具有高强度、高模量、耐温的纤维及织物，

14、如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物。基体材料。主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂，这种复合材料的比强度和比模量比金属还高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料。3高分子材料产业研究成果3.1合成高分子材料发展历程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蚤合成高分子材料的时代。1935年，英国帝国化学公司（ICI）开发出高压聚乙烯，因其极低

15、的介电常数而在第二次世界大战期间用作雷达电缆和潜水艇电缆的绝缘材料，此后得到广泛应用。1940年，美国杜邦公司（Du Pont）推出尼龙纺织品（如尼龙丝袜），因其经久耐用而在当时的美国和欧洲风靡一时，而尼龙66纤维制造的降落伞，更是大大提高了美国军队在第二次世界大战中的作战能力。20世纪中叶的石油化工的发展虽然得到了许多可供合成高分子材料工业使用的原料，但其中的许多原料却不能被当时已有的高分子合成反应和技术所接受。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，大幅度地扩大了合戚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

16、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，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。导电聚合物在发光二极管、太阳能电池、移动电话和微型电视显示装置等领域不断找到新的用武之地。3.2我国高分子材料的研究和开发我国的高分子材料的研究起步于20世纪50年代初，通过高分子化学、高分子物理、高分子成型加工和高分子反应工程等学科和产业部门的合作，开发出一批体现我国

17、科研和产业化水平和能力的高分子材料及生产技术。这些材料有满足国防需要的离子交换树脂和高分子粘结剂，有已产业化的镰催化顺丁橡胶、辐照交联热收缩高分子材料及超细旦聚丙烯纤维，有已出口的SBS热塑弹性体工业化生产技术和聚丙烯工业化生产用型催化剂，还有已在境外实施的稀土催化异戊橡胶等。我国是高分子材料的大国，年消费量超过3000万，但还不是强国。不仅产品的竞争力有待提高，产量也不能满足国内的需求，如合成塑料和合成橡胶的年产量只能满足一半左右的国内需求。尽快完成从高分子材料的生产和消费大国到强国的转变，发挥高分子材料对传统产业的改造、对新兴产业的兴起的支撑作用，需要开展高分子材料科学的创新研究，需要实现

18、高分子材料产业的持续发展。3.3高分子材料技术的创新研究3.3.1高分子材料的化学合成多品种的合成高分子材料虽然体现了多用途的使用价值，但却增加了材料合成与制备的复杂性和材料回收再利用的难度。因为不同品种的高分子材料是由不同的原料单体采用不同的合成技术制得的，要采用不同的技术进行分类后才能回收再利用。如果能开发一种化学合成技术，实现分子结构和立体结构的调控，达到由一种或有限的几种原料单体，制得具备不同性质、满足多种需求的高分子材料，显然是很有挑战意义的。这和钢铁材料产业提出的一钢多能样，对通用高分子材料的更新换代有战略意义。3.3.2高分子材料的物理合成高分子材料的作用和功能的发挥，不仅取决于

19、化学合成形成的分子链的化学结构，还取决于分子链间的非化学成键的相互作用的支撑和协调。分子链间的非化学成锭的相互作用的形成，可以通过所谓的物理合成方法来实现。利用外场的物理作用，在一确定的空间或环境中像搬运积木块一样地移动分子链，采用自组合、自合成或自组装等方法，靠分子链间的相互作用，构建具有特殊结构形态的分子链聚集体。如果再在分子链聚集体中引发化学成键，则能得到具有高度准确的多级结构的高分子材料。这种物理合成的方法对获得大面积高分子功能薄膜材料和器件很有意义。3.3.3高分子材料的仿生合成和生命活性化日光、二氧化碳和水经过植物的合成，成为可以使用的高分子材料（如天然橡胶等）。柔蚕将桑叶合成蚕丝

20、，蜘蛛将体液合成蜘蛛网，可以得到别具特色的纤维材料。自然界中生物体的这种活性反应器和活性催化剂的功能和作用，正是高分子材料的仿生合成可惜鉴之处。传递着所有生命过程的生物大分子，与合成高分子一样都是长链分子，但由于难以在合成高分子的分子链上接上确定的序列结构，难以形成精确的链折叠和链间组装，合成高分子表现不出生命活性。生命大分子结构的精确、活性的专一和功能的多元，对合成高分子材料的生物应用提出了挑战。合成高分子材料与生物工程学和生命科学的结合，不仅能开发出更多的生物医用高分子材料，还能制备出与生物高分子一样精确的序列结构，组装成类似细胞那样能控制生命过程的生物活性合成高分子材料，也能得到连接细胞

21、与计算机、沟通生命与信息的合成高分子材料。3.3.4高分子材料的成型加工高分子材料的最终使用形式是高分子材料制品，而高分子材料制品的性能与其成型加工过程息息相关。成型加工技术不仅要适应化学结构不断变化的各种新型高分子材料的出现，不仅要通过成型加工，在材料制品中实现甚至优化体现材料性能的分子聚集架构，还要发展诸如在工程学层次上操纵分子链进行高分子材料成型加工的新技术，这是纳米材料规模化应用的关键技术。注意发展在材料表面引人分子、纳米粒子的超临界流体溶胀技术，制备分子链有序排列的大面积高分子光电功能薄膜或纳米纤维的外场辅助制膜成纤技术，适用于超分子体系制备的成型加工技术，以及计算模拟技术在成型加工

22、中的应用等技术，是很有战略意义的。3.3.5高分子材料的智能化材料的智能化是未来各类材料发展的一个方向。智能化是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识的调节、修饰和修复。高分子材料中长链分子的丰富构象变化及较弱的分子链间相互作用，赋予高分子材料以自适应性。高分子表现出的其结构、作用和功能随外界环境而变化的软物质特征，是高分子材料作为智能材料应用的基础。己经知道无论是最大的力学载荷的传递，还是最快的功能信号的传递，都是沿着高分子的链轴方向，因此了解和掌握外场存在下分子链的取向和聚集，实现外场方向与分子链取向和聚集的同步变化（即当根据需要调节外场方向和强度时，分子链的取向方向和聚集层次也可以

23、随之变化），则能在不同方向和不同层次上调节和发挥高分子材料的功能和性质，使其表现出智能性。4高分子材料产业现状4.1塑料高分子材料的市场前景随着我国经济发展水平的快速提高，国内电子信息、汽车、电子电气、建筑、机械等领域的发展速度、规模及技术水平得到明显提升，塑料以其可设计自由度大、生产效率高、轻质、节能等特点得到广泛应用，而具有比普通塑料更高强度、耐热、耐磨、电绝缘性优良等性能的工程塑料和特种工程塑料等新材料市场需求将以更快的速度增加。2008-2013 年期间，我国塑料制品产量复合增长率为10.75%，各年度具体增长情况如下：根据塑料加工业“十二五”发展规划指导意见确定的“十二五”目标，塑料

24、制品产量在“十二五”期间年均增长12%左右，据此按照2013 年产量预测，2014-2015 年期间，我国塑料制品产量为：4.2合成橡胶高分子材料的市场前景随着汽车工业、装备工业的快速发展，对我国橡胶产业产生了较大的需求，2008-2013 年期间，我国合成橡胶产量复合增长率为11.41%，各年度具体增长情况如下：根据石化和化学工业“十二五”发展规划，“十二五”期间我国合成橡胶工业还将稳定增长，产品结构持续改善，丁苯橡胶、丁二烯橡胶等合成橡胶品种需求至少年均保持3.5%以上的增长率。据此按照2013 年产量保守预测，2014-2015 年期间我国合成橡胶产量情况为：4.3化学纤维高分子材料的市

25、场前景随着国民生活水平改善和全面建设小康社会进程的加快推进，直接拉动化纤产品消费的增加，2008-2013 年期间，我国化学纤维产量复合增长率为11.44%，各年度具体增长情况如下：根据化纤工业“十二五”发展规划，“十二五”期间，将进一步扩大化纤产品尤其是高性能纤维在交通、新能源、医疗卫生、安全防护、环境保护、航空航天等领域的应用，市场需求的扩大为我国化纤工业的发展提供了市场保障，“十二五”的发展目标是年均增长达到5.8%，据此按照2013 年产量预测2014-2015 年我国化纤产量如下：4.4涂料高分子材料的市场前景我国涂料行业在高速成长的房地产、汽车、船舶、运输、交通道路、家电等行业的带

26、动下，生产总量快速发展，2008-2013 年期间，我国涂料产量复合增长率达到24.04%，具体各年度增长情况如下：根据涂料行业“十二五”规划，“十二五”期间国内经济仍将保持较高的速度发展，涂料行业受下游工业和民用两方面的需求影响，预计将保持年均10%的增速增长，据此按照2013 年产量预测2014-2015 年我国涂料产量如下：4.5胶黏剂高分子材料的市场前景据中国胶粘剂和胶粘带工业协会统计，2011 年我国胶黏剂（含密封剂）产量为516.5 万吨，销售额669.3 亿元，分别比2010 年增长11.6%和14.0%（三醛胶未统计在内）。同时根据合成胶黏剂和胶黏带行业“十二五”发展规划的披露

27、，我国胶黏剂产量从2005 年的256.0 万吨增加至2009 年的405.0 万吨，增长了58.2%，年均增长率为12.15%（以上数据不包括脲醛、酚醛和三聚氰胺树脂胶），高于“十一五”规划规定的年增长率11.5%的指标。随着国家新材料产业政策以及十二五规划的大力支持，我国胶黏剂行业得到较快发展，产业结构逐渐优化，产品附加值得到显著提高，特别是用于新能源、汽车、LED、电子、建筑、医疗卫生以及航空航天等领域的胶黏剂产品将得到更快发展。根据合成胶黏剂和胶黏带行业“十二五”发展规划，“十二五”期间我国胶黏剂的发展目标是：产量年平均增长率为10%，销售额年均增长率为12%，至2015 年末我国胶黏

28、剂的产量达到717 万吨，销售额达到1,038亿元，届时我国胶黏剂的产量与销售额均将居世界前列。据此预测2013-2015年我国胶黏剂产量如下：5促进高分子材料产业持续发展的相关建议5.1改善高分子材料对资源的依赖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。5.2加强高分子材料与环境的协调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物降解、无害焚烷或循环再生。增加高分子材料的循环和再生使用的价值和效率，减少对环境的