化學(xué)，就在我們身邊 - 人類進(jìn)入新型合成材料時代

轉(zhuǎn)載作者：金湖聯(lián)儀化工行業(yè)網(wǎng)    來源：《科技日報》 發(fā)布時間：2011-06-03

【摘要】2010年，中國新材料產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模超過800億元；相關(guān)專家指出，至2015年，這一數(shù)值將達(dá)到2000億元左右，增長空間巨大，在不遠(yuǎn)的將來，各種新型材料都有望得到研制開發(fā)，比如可被隨意擠壓成形的凝膠材料、可以制作隱身斗篷的隱身材料、透光混凝土材料、氣凝膠材料等等

———— 材料新聞 ————

　　中國新資料產(chǎn)業(yè)市場增長空間宏大

　　據(jù)悉，工信部協(xié)同多部委共同編制的《新資料產(chǎn)業(yè)“十二五”開展規(guī)劃》，將于今年8月發(fā)布施行。據(jù)統(tǒng)計，目前新資料產(chǎn)業(yè)約占我國國內(nèi)消費(fèi)總值的15%，估計年增長速度堅持在20%以上。數(shù)據(jù)顯現(xiàn)，目前，全球新資料市場范圍每年曾經(jīng)超越4000億美圓，而由新資料帶動產(chǎn)生的新產(chǎn)品和新技術(shù)市場則更為寬廣，年停業(yè)額打破2萬億美圓。2010年，中國新資料產(chǎn)業(yè)的市場范圍超越800億元；相關(guān)專家指出，至2015年，這一數(shù)值將到達(dá)2000億元左右，增長空間宏大。

　　資料是人類社會生活的物質(zhì)根底，資料創(chuàng)新則是科技進(jìn)步的集中表現(xiàn)。往常，新資料的研發(fā)程度及成果轉(zhuǎn)化范圍正逐步成為權(quán)衡一個國度經(jīng)濟(jì)開展和科技進(jìn)步的重要標(biāo)志。資料與化學(xué)之間有何關(guān)系？聚合物資料、復(fù)合資料以及納米資料等新資料有何優(yōu)勢？當(dāng)前的研發(fā)、運(yùn)用現(xiàn)狀如何？帶著這些問題，記者采訪了北京化工大學(xué)資料科學(xué)與工程學(xué)院隋剛教授。

　　———— 專家解讀 ————

　　控制化學(xué)反響，合成新資料

　　“不同的資料具有不異化學(xué)組成，即使是化學(xué)元素相同，因其原子排列、分子構(gòu)象發(fā)作變化，也會構(gòu)成物理性質(zhì)完整不同的資料。因而，資料與化學(xué)是兩個親密相關(guān)的學(xué)科。從化學(xué)成分角度能夠?qū)①Y料劃分為金屬資料、無機(jī)非金屬資料以及有機(jī)高分子資料。隨著資料研討程度的進(jìn)步，人類早已超越自然資料時期，進(jìn)入了合成資料時期�！彼鍎偨淌谑紫雀爬ㄒ�見了資料與化學(xué)之關(guān)系。

　　接著，隋剛教授進(jìn)一步解釋說：“往常，資料與化學(xué)的關(guān)系日益親密，應(yīng)用化學(xué)手腕，能夠設(shè)計新的分子構(gòu)造，經(jīng)過控制化學(xué)反響過程合成出新資料，滿足人類社會開展和生死水平進(jìn)步的需求。其中有機(jī)高分子資料，也稱作聚合物，就是一類最重要的合成資料，它是由許多個單體分子經(jīng)聚合反響而成的。”

　　應(yīng)用化學(xué),“改造” 聚合物資料

　　塑料、橡膠、合成纖維……我們的消費(fèi)與生活早已離不開這些常見的聚合物資料。而它們的研發(fā)與應(yīng)用，離不開化學(xué)學(xué)科的奉獻(xiàn)。

　　依據(jù)聚合物分子的化學(xué)構(gòu)造，能夠把有機(jī)高分子資料分為熱塑性和熱固性兩大類。熱塑性聚合物在恰當(dāng)溶劑中能夠溶解，加熱到一定溫度可以凝結(jié)活動，能夠重復(fù)加工成型，主要在室溫或較低溫度下運(yùn)用，如尼龍、聚苯乙烯等。而熱固性聚合物，如環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂等，在成型前是可溶可熔的，但經(jīng)過化學(xué)交聯(lián)反響就變?yōu)椴蝗懿蝗鄣墓腆w，即便加熱至碳化也不會再軟化。普通來說，熱固性資料的模量和耐熱性要優(yōu)于熱塑性聚合物，但韌性較差。

　　化學(xué)是怎樣“改造”聚合物資料的呢？隋剛教授解釋說：“為了讓聚合物資料具有更優(yōu)良的綜合性能，能夠采用化學(xué)辦法停止性能改良。例如，在高分子鏈中引入芳環(huán)構(gòu)造，可以有效進(jìn)步熱塑性聚合物的模量和耐熱性，聚芳砜（PASF）、聚苯硫醚（PPS）等熱塑性聚合物的熱變形溫度能夠到達(dá)250℃以上。而在熱固性聚合物中，經(jīng)過引入不異化學(xué)構(gòu)造的固化劑停止交聯(lián)，也能夠使資料的模量和韌性得到調(diào)理�！�

　　改動化學(xué)構(gòu)造，催生復(fù)合資料

　　隨著科技和工業(yè)的開展，對資料性能的請求不時進(jìn)步，單一化學(xué)構(gòu)造的資料已無法滿足某些運(yùn)用需求，復(fù)合資料越來越得到人們的注重。由于復(fù)合資料能夠?qū)⒉划惢瘜W(xué)構(gòu)造、物理性質(zhì)的資料組分分離在一同，發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢，經(jīng)過構(gòu)造設(shè)計滿足高性能和特殊功用請求，因此遭到資料研討專家的高度注重，應(yīng)用范圍不時擴(kuò)展。

　　在航空、航天、能源、交通、軍事和體育等范疇，有著高強(qiáng)度、高模量和耐高溫性能的先進(jìn)復(fù)合資料發(fā)揮著不可替代的作用。

　　隋剛教授以樹脂基復(fù)合資料為例，對復(fù)合資料的普遍應(yīng)用停止了簡單闡明：“這是技術(shù)開展比擬成熟，運(yùn)用范圍最普遍的一類復(fù)合資料，普通是由短切纖維、連續(xù)纖維及其織物加強(qiáng)熱固性或熱塑性聚合物基體而成。

　　在航空方面，碳纖維樹脂基復(fù)合資料在減輕構(gòu)造重量、進(jìn)步構(gòu)造效率、改善構(gòu)造牢靠性、延長構(gòu)造運(yùn)用壽命方面，具有其他資料無法比較的優(yōu)勢，曾經(jīng)是應(yīng)用于A380、波音787等飛機(jī)的主構(gòu)造資料。

　　在航天方面，固體火箭發(fā)起機(jī)殼體、液體燃料貯箱、儀器艙段、衛(wèi)星整流罩等重要部件也都是由復(fù)合資料制造的。而風(fēng)能和核能發(fā)電設(shè)備、輕量化汽車、體育休閑用品等更是離不開復(fù)合資料的身影。此外，在集成電路、電磁屏蔽、隱身體料以及生物組織工程等方面，復(fù)合資料同樣大有可為�！�

　　有機(jī)化學(xué)修飾，帶來納米資料范疇新停頓

　　資料科學(xué)開展到今天，納米資料越來越多地得到人們的關(guān)注。納米粒子具有許多不同于常規(guī)固體的新奇特性，而且，僅用少量的納米填料就可完成復(fù)合資料性能的進(jìn)步。因而，納米資料范疇遭到不少復(fù)合資料研討人員的注重與喜愛。不過，由于碳納米管和碳納米纖維等一維納米資料在聚合物基體中易聚會、界面粘結(jié)差，難以發(fā)揮性能優(yōu)勢，這讓不少研討者都頗為傷神。針對此項難題，隋剛教授停止了多年研討，終于有所收獲。

　　“我們對碳納米資料外表停止了有機(jī)化學(xué)修飾，并經(jīng)過與特殊化合物的力化學(xué)反響及后處置技術(shù)，得到液態(tài)的納米添加物。這種液態(tài)納米添加物在環(huán)氧樹脂等聚合物基體中不匯集不纏繞，易于分散，并具有恰當(dāng)?shù)姆错懟钚�，可以和環(huán)氧樹脂基體發(fā)作化學(xué)及物理分離，構(gòu)成一種超分子構(gòu)造。”隋剛教授這樣說。

　　當(dāng)問到這種納米添加物與傳統(tǒng)工藝的簡單混合以及普通化學(xué)接枝有何不同時，隋剛教授解釋道：“它消弭了納米粒子關(guān)于環(huán)氧樹脂黏度的影響，可以經(jīng)過共價鍵鏈接在環(huán)氧樹脂分子鏈上，平均散布在環(huán)氧樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之中，發(fā)揮加強(qiáng)作用。同時，經(jīng)過調(diào)理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)密度，改善資料韌性。此外，還能夠降低環(huán)氧樹脂外表能，進(jìn)步熱穩(wěn)定性，改善聚合物基體與碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維等加強(qiáng)資料的界面黏接。經(jīng)過碳納米資料和連續(xù)纖維的多尺度協(xié)同加強(qiáng)作用，可同時完成納米復(fù)合資料的高強(qiáng)、高韌和良好的界面性能。”(文·實(shí)習(xí)生 馬媛媛)

　　■ 延伸閱讀

　　資料與化學(xué)的“雙重變奏史”

　　資料的每一次開展，都影響著科學(xué)技術(shù)范疇的整體程度，并給人們的生活帶來宏大的變化。沒有半導(dǎo)體單晶硅資料就不可能有今天的微電子產(chǎn)品，沒有先進(jìn)復(fù)合資料也不可能有航空航天工業(yè)的飛速開展。

　　自然橡膠產(chǎn)品呈現(xiàn)于19世紀(jì)初期，但由于它在酷熱天氣下會變軟，而在冰冷天氣下又會變脆，在適用性方面存在很大障礙。1839年創(chuàng)造的自然橡膠硫化技術(shù)處理了這一難題，化學(xué)促進(jìn)劑和穩(wěn)定劑的參加改善了自然橡膠存在的問題，而這一根本辦法現(xiàn)今仍在運(yùn)用。

　　從20世紀(jì)20年代早期實(shí)驗火箭的初次發(fā)射，到50年代的通訊衛(wèi)星，再到80年代的可反復(fù)運(yùn)用的航天飛機(jī)，人類在探究太空方面獲得了驕人的業(yè)績。在這一過程中，化學(xué)技術(shù)提供了契合設(shè)計請求的資料。研制出來的鋁、鈦合金為飛機(jī)制造提供了強(qiáng)度高、重量輕、耐高溫和耐腐蝕的資料。隨著對碳纖維及復(fù)合資料研討的不時深化，其技術(shù)和產(chǎn)品也逐步進(jìn)入軍用和民用范疇，如用作飛機(jī)構(gòu)造資料、電磁屏蔽除電資料、人工韌帶等人體代用資料以及用于制造火箭外殼、機(jī)動船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。

　　在不遠(yuǎn)的未來，各種新型資料都有望得到研制開發(fā)，比方可被隨意擠壓成形的凝膠資料、能夠制造隱身斗篷的隱身體料、透光混凝土資料、氣凝膠資料等等。

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