對(duì)高分子材料未來(lái)研究方向的思考

潘飛 劉聰 畢海英

摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科技技術(shù)更新速度日益加快。高分子材料早已經(jīng)滲透到我們?nèi)祟惿畹姆椒矫婷?，在我們的日常生活中發(fā)揮著不可替代重要的作用。目前，高分子材料研究領(lǐng)域，，已經(jīng)由原來(lái)如何方便人類生活，如何開發(fā)新型材料，逐步向減少環(huán)境負(fù)擔(dān)，材料可循環(huán)利用，低能高效的方向發(fā)展。同時(shí)，隨著航天事業(yè)的發(fā)展，高分子材料同樣發(fā)揮著不可替代的作用。在未來(lái)的研究方面，將會(huì)是向低碳環(huán)保和科技技術(shù)方面發(fā)展。本文主要是對(duì)高分子材料未來(lái)研究的幾個(gè)方向進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：高分子材料；納米技術(shù)；功能高分子；航天；可降解生物

中圖分類號(hào)：K477 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、高分子材料改性中納米技術(shù)的應(yīng)用

一般，納米技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)納米材料的性質(zhì)和納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的一項(xiàng)研究技術(shù)。當(dāng)任何材料用高科技手段被細(xì)化到納米量級(jí)時(shí)，該材料的物化性能就會(huì)發(fā)生巨大的變化，產(chǎn)生出一些奇異的物化現(xiàn)象，呈現(xiàn)出與常規(guī)材料完全不同的新的性質(zhì)。而且如果將擁有特殊性能的納米粒子與高分子材料復(fù)合時(shí)，納米粒子可以顯著改變或者增強(qiáng)該高分子材料的某些性能。因此，在高分子材料改性中應(yīng)用的納米技術(shù)主要是包括兩大類：第一，納米粒子與高分子材料的復(fù)合；第二，對(duì)高分子材料進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作。其中第一類占主要地位。

例如，于苯乙烯一丙烯酸醋IPN/MMT納米復(fù)合阻尼材料的研究，就是利用納米粒子與高分子材料復(fù)合，提高原材料由于粘彈性而具有的抗震消聲性能。并且研究表明，納米粒子特別是二維納米片均勻分散于聚合物基體中之后，將能大大改進(jìn)和提高材料原有的應(yīng)用性能，同時(shí)還能賦予基體材料其他新的性能：增強(qiáng)增韌性能、耐磨性能、阻透性能、抗菌性能、抗老化性能及防紫外線性能。再如，將納米無(wú)機(jī)粘土粒子通過(guò)咪唑類有機(jī)改性劑有機(jī)化后得到的納米粒子片層，跟尼龍6材料復(fù)合后，所得復(fù)合材料的阻燃性能顯著提高。

利用納米材料和納米結(jié)構(gòu)的種種特有性能，可以幫助我們合成制造出更多更適用的新材料。因此，開發(fā)納米高分子復(fù)合材料，是改造傳統(tǒng)聚合物工業(yè)技術(shù)的最有效途徑，具有巨大研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)潛力。

二、功能高分子材料發(fā)展

功能高分子材料是指與常規(guī)聚合物相比具有明顯不同的物理化學(xué)性質(zhì)，并具有某些特殊功能（如電學(xué)、光學(xué)等方面的特殊功能）的聚合物大分子（主要指全人工和半人工合成的聚合物）。功能高分子是高分子材料的一個(gè)特殊領(lǐng)域，泛指性能特殊、有某些特殊功能、用量少但能產(chǎn)生重要新技術(shù)的一類特殊高分子材料。隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新能源開發(fā)、交通和宇航技術(shù)、微電子技術(shù)、生物醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步都迫切需要相應(yīng)的功能高分子材料作為基礎(chǔ)。高分子材料的功能設(shè)計(jì)的主要途徑是：1）通過(guò)分子設(shè)計(jì)合成新功能，如非晶質(zhì)光盤（APO）的研制；2）通過(guò)特殊加工賦予材料功能特性，如功能高分子膜和塑料光纖；3）通過(guò)兩種或兩種以上具有不同功能或性能的材料復(fù)合獲得新功能，如層積復(fù)合填料復(fù)合的EMI/RFI屏蔽導(dǎo)電塑料和高分子磁性體；4）通過(guò)對(duì)材料進(jìn)行各種表而處理以獲得新功能，如表面處理法，EMI/RFI屏蔽導(dǎo)電塑料進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的思想，貫穿了功能高分子材料發(fā)展的各領(lǐng)域，代表著當(dāng)今功能高分子材料的發(fā)展方向。在生物醫(yī)藥材料領(lǐng)域，就有人模仿自然骨成分和形成過(guò)程，利用電化學(xué)反應(yīng)為膠原分子自組裝和礦化提供反應(yīng)動(dòng)力和微環(huán)境，獲得了成分和結(jié)構(gòu)與骨組織相似的生物活性涂層，并且可以可控的釋放生物活性因子調(diào)控促進(jìn)骨生長(zhǎng)，是增強(qiáng)醫(yī)用移植體材料生物活性，加快早起治愈速度的理想方法。特種與功能高分子材料之所以能成為國(guó)內(nèi)外材料學(xué)科的重要研究熱點(diǎn)之一，最主要的原因在于它們具有獨(dú)特的“性能”和“功能”，可用于替代其他功能材料，并提高或改進(jìn)其性能，使其成為具有全新性質(zhì)的功能材料。因此，功能高分子的發(fā)展是沒(méi)有固定學(xué)科邊界的。而我國(guó)更應(yīng)該加大對(duì)功能高分子材料研究的重視，加強(qiáng)國(guó)際交流，努力提高自主研發(fā)水平，躋身世界高精尖技術(shù)行列。

三、生物可降解高分子材料的發(fā)展

生物可降解高分子材料是指在一定的時(shí)間和一定的條件下，能被微生物或其分泌物在酶或化學(xué)分解作用下發(fā)生降解的高分子材料。生物可降解的機(jī)理大致有以下三種方式：生物的細(xì)胞增長(zhǎng)使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞；微生物對(duì)聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì)；酶的直接作用，即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。一般認(rèn)為，高分子材料的生物可降解是經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。首先，微生物向體外分泌水解酶和材料表面結(jié)合，通過(guò)水解切斷高分子鏈，生成分子量小于500的小分子量的化合物；然后，降解的生成物被微生物攝入人體內(nèi)，經(jīng)過(guò)種種的代謝路線，合成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動(dòng)的能量，最終都轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。因此，生物可降解并非單一機(jī)理，而是一個(gè)復(fù)雜的生物物理、生物化學(xué)協(xié)同作用，相互促進(jìn)的物理化學(xué)過(guò)程。到目前為止，有關(guān)生物可降解的機(jī)理尚未完全闡述清楚。除了生物可降解外，高分子材料在機(jī)體內(nèi)的降解還被描述為生物吸收、生物侵蝕及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除與材料本身性能有關(guān)外，還與材料溫度、酶、PH值、微生物等外部環(huán)境有關(guān)。

四、先進(jìn)高分子材料在航天工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

新中國(guó)成立以來(lái)，以兩彈一星為代表的航天產(chǎn)品的研制帶動(dòng)了我國(guó)許多關(guān)鍵新材料項(xiàng)目的啟動(dòng)和開展。改革開放以來(lái)，我國(guó)載人航天、探月工程等重點(diǎn)工程的開展需要眾多新材料的支撐，也促使我國(guó)在許多關(guān)鍵新材料領(lǐng)域的研制工作取得了突破。其中，先進(jìn)高分子材料是我國(guó)航天工業(yè)賴以支撐的重要配套材料，主要包括橡膠、工程塑料、膠黏劑及密封劑、涂料等。

作為理想的密封及阻尼材料，橡膠的應(yīng)用非常廣泛。我國(guó)航天工業(yè)建立伊始，為了滿足當(dāng)時(shí)的迫切需求，我國(guó)開展了大量特種橡膠材料的研制攻關(guān)工作；隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，高性能橡膠材料及應(yīng)用技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。工程塑料是指可作為結(jié)構(gòu)材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)承受機(jī)械應(yīng)力，在較苛刻的化學(xué)物理環(huán)境中使用的高性能高分子材料。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是主鏈由苯環(huán)、萘環(huán)、氮雜環(huán)等通過(guò)醚基、砜基、酮基等連接而成，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好和耐輻射性好等優(yōu)良特性，已經(jīng)逐步取代金屬材料，用于裝備中大量次結(jié)構(gòu)件的制造。目前，在國(guó)防裝備上獲得應(yīng)用的工程塑料主要有聚酰胺（PA）、聚氨酯（PU）、聚苯硫醚（PPS）、聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚四氟乙烯（PTFE）等。航天產(chǎn)品廣泛采用輕合金、蜂窩結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料，因此，膠黏劑及膠接技術(shù)應(yīng)用普遍，但航天產(chǎn)品使用環(huán)境苛刻，要承受高溫、燒蝕、溫度交變、高真空、超低溫、熱循環(huán)、紫外線、帶電粒子、微隕石、原子氧等環(huán)境考驗(yàn)。航天材料及工藝研究所研制了百余種特種膠黏劑及密封劑，主要包括聚氨酯類、酚醛樹脂類、環(huán)氧樹脂類、有機(jī)硅類、丙烯酸酯類、有機(jī)硼類膠黏劑等，其中絕大多數(shù)已應(yīng)用于我國(guó)運(yùn)載火箭、衛(wèi)星及飛船等航天產(chǎn)品。

結(jié)語(yǔ)

高分子材料也叫做聚合物材料，通常是指由千萬(wàn)個(gè)小分子化合物以化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)而成的大分子化合物。我們生活中應(yīng)用的高分子材料主要就是指合成塑料、合成橡膠、合成纖維等合成高分子材料。然而至20世紀(jì)60年代，高分子材料工業(yè)已基本完善，解決了人們的衣著、日用品和工業(yè)材料等需求。因此，在未來(lái)的高分子材料研究領(lǐng)域，高分子材料的三個(gè)鐘頭發(fā)展方向?qū)?huì)是高分子材料功能化、納米高分子材料復(fù)合應(yīng)用以及可生物降解高分子材料研發(fā)。

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