材料化學(xué)工程的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

摘要：近年來，在我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展的同時，生態(tài)建設(shè)工作也取得一定進(jìn)展，通過節(jié)能減排，提高資源利用率，保證經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。在這一過程中，化學(xué)材料工程發(fā)展起到重要的推動作用。當(dāng)前新型的有機金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中表現(xiàn)出重要作用，新型的半導(dǎo)體材料也在不斷提高半導(dǎo)體發(fā)展水平。因此發(fā)展新型材料已經(jīng)成為新時代下經(jīng)濟發(fā)展的重要任務(wù)，因此加強對其具體應(yīng)用的研究具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：材料化學(xué)工程;應(yīng)用;發(fā)展趨勢

1材料化學(xué)工程概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)得到了迅速的發(fā)展，隨之而來的環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重。國家在發(fā)展經(jīng)濟的同時，堅持實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，采取了材料化學(xué)工程計劃。國家將材料化學(xué)工程引進(jìn)到新能源的開發(fā)與利用、工業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)化中。為了更好地實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，國家科技研究部門積極開發(fā)新材料，希望能夠建立起完整的材料設(shè)計和過程優(yōu)化的理論與方法，將主要的研究內(nèi)容設(shè)定為新材料的膜過程、吸附過程等。科技的進(jìn)步使各項材料的功能和作用相互融合，例如將聚合物混凝土、薄膜材料應(yīng)用在玻璃的制作上。科學(xué)研究員通過技術(shù)來對新型的化學(xué)材料進(jìn)行性能上的轉(zhuǎn)變與融合，促進(jìn)其功能的升級。在將新型的化學(xué)材料與化學(xué)工程進(jìn)行融合中，可通過改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)減少對生態(tài)的破壞，降低污染材料的使用。

2材料化學(xué)工程的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

2.1納米材料的應(yīng)用

納米材料主要的構(gòu)成部位為極細(xì)的晶粒，從其特征維度尺寸來看，納米量級處于0.1nm到100nm，屬于一種固體材料。因納米材料的尺寸處在微觀與宏觀物體兩者之間，所以和常規(guī)的材料比較，其具備多方面的效果，包括：量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)以及介電限域效果等。以表面效應(yīng)為例，指的是納米材料的表面原子數(shù)和總原子數(shù)之間的比值，會在晶體尺寸變小的情況下，而急劇變大，進(jìn)一步導(dǎo)致納米材料發(fā)生物理性質(zhì)變化或化學(xué)性質(zhì)變化。當(dāng)納米材料的顆粒直徑變小，那么其比表面積將會明顯變大，由此表明表面原子所占比重明顯增大。對于其中直徑>0.1μm的顆粒表面效應(yīng)可以忽略不計;如果顆粒尺寸<0.1μm的情況下，會導(dǎo)致其表面原子的比重快速上升，這樣表面原子便具備非常高的活性，所以也非常不穩(wěn)定，容易和別的原子結(jié)合。例如，化學(xué)農(nóng)藥生產(chǎn)過程中排放大量廢水，為保護生態(tài)環(huán)境，這些廢水排放前需做無害化處理。而廢水中主要包含苯、有機磷、鹽、酚和汞，其污染物濃度高、毒害性高、成分復(fù)雜，利用常規(guī)途徑難以降解。納米材料指結(jié)構(gòu)單元的尺寸在1nm-100nm之間的材料，具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)?？梢岳眉{米材料吸附廢水中藥物分子，也利用其光催化性能，將有毒有機分子有效轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好的無機分子，達(dá)到可排放標(biāo)準(zhǔn)。再比如，據(jù)中國疾病預(yù)防控制中心公布的數(shù)據(jù)，惡性腫瘤發(fā)病率和死亡率均居各種疾病發(fā)病率和死亡率的首位，2015年腫瘤發(fā)病率為313.28/10萬，死亡率為205.40/10萬，大部分患者確診時已經(jīng)是中晚期，總體療效不佳，5年生存率為36.9%。在目前的腫瘤綜合治療中，手術(shù)治療、化療、放療是腫瘤治療的三大主要手段，然而患者接受各種手段治療之際均存在一定的復(fù)發(fā)、轉(zhuǎn)移風(fēng)險，也可能出現(xiàn)治療相關(guān)的并發(fā)癥，因此尋找新的治療手段成為十分重要的問題。近年來，納米技術(shù)在生物醫(yī)藥，尤其是惡性腫瘤診治上的發(fā)展和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。納米材料是對至少在某一維度下尺寸介于1-100nm或以這種結(jié)構(gòu)組合而成的超精細(xì)材料的統(tǒng)稱。納米材料的尺寸介于原子水平與宏觀物體水平之間，賦予納米材料特殊的性質(zhì)，如比表面積大、反應(yīng)活性高、強度高、熱阻低、比熱容高、擴散性高、特殊的磁性和光學(xué)性質(zhì)等，使納米粒子擁有更高的可塑性，使其在醫(yī)學(xué)影像學(xué)診斷和藥物運輸中的應(yīng)用成為可能。

2.2先進(jìn)陶瓷的應(yīng)用

2.2.1電子陶瓷

隨著信息化產(chǎn)業(yè)、電子消費產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)用電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品將保持快速發(fā)展趨勢，對電子陶瓷的需求巨大，預(yù)計到2020年全球電子陶瓷需求將突破400億美元。電子陶瓷是先進(jìn)陶瓷中最成熟的技術(shù)產(chǎn)品，占先進(jìn)陶瓷市場份額的65%。主要用于芯片、電容、集成電路封裝、傳感器、絕緣體、鐵磁體、壓電陶瓷、半導(dǎo)體、超導(dǎo)等。主要材料有鈦酸鋇、氧化鋅、鈦鋯酸鉛、鈮酸鋰、氮化鋁、二氧化鋯和氧化鋁等。

2.2.2納米陶瓷膜

納米陶瓷膜產(chǎn)生于21世紀(jì)初，是氧化樹脂的氧化物，利用光譜篩選的隔熱原理，用最先進(jìn)的納米技術(shù)與優(yōu)越的噴濺技術(shù)制造生產(chǎn)而成。將1米的10億分之一的納米陶瓷物質(zhì)，均勻涂層在高透明、高品質(zhì)的聚酯薄膜上，就制成了世界上最先進(jìn)的能夠具有光譜選擇性，只篩選可見光的納米陶瓷隔熱膜。納米陶瓷膜具有分離效率高、效果穩(wěn)定、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機械強度高、膜再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護簡便、膜使用壽命長等眾多優(yōu)勢，并且對GPS信號無任何屏蔽作用。納米陶瓷隔熱膜是21世紀(jì)的航天領(lǐng)域高科技產(chǎn)品，該產(chǎn)品起先應(yīng)用于美國軍事、航空、航天領(lǐng)域，如美國航天飛機表面的蜂窩陶瓷涂層等。

2.2.3生物陶瓷

生物陶瓷是指直接作用于人體或者與人體相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料，廣義講，凡屬于生物工程的陶瓷材料統(tǒng)稱為生物陶瓷。作為生物陶瓷材料應(yīng)具備以下功能：代替人體內(nèi)有病的或損傷的部分，作為人體先天性缺損部分的代用品，有助于人體內(nèi)組織的恢復(fù)。生物陶瓷類材料在封閉性、粘結(jié)性、生物組織相容性、促進(jìn)生物礦化和誘導(dǎo)成牙本質(zhì)分化等性能上有顯著優(yōu)勢，但它也存在凝固時間長、促進(jìn)牙髓-牙本質(zhì)再生的能力有限等問題。且其強堿性在誘導(dǎo)牙髓組織形成牙本質(zhì)橋的同時會引起一部分組織壞死，而這部分壞死的組織會始終保留在形成的鈣化橋中導(dǎo)致其形態(tài)缺陷，產(chǎn)生微滲漏。近年來，生物活性分子在第三期牙本質(zhì)形成過程中發(fā)揮的重要作用逐漸被發(fā)現(xiàn)，如轉(zhuǎn)化生長因子-β超家族的生物活性分子（轉(zhuǎn)化生長因子-β1、成纖維細(xì)胞生長因子-2和牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白-1等）能在較輕的炎癥反應(yīng)初期誘導(dǎo)第三代牙本質(zhì)形成。然而，單獨使用生物活性分子時，給藥方式受到限制，難以維持局部有效濃度和長期效果，臨床應(yīng)用成本較高等缺點限制了它們在臨床的應(yīng)用。有學(xué)者將生物陶瓷類材料負(fù)載具有生物活性的小分子物質(zhì)形成緩釋系統(tǒng)后用于活髓保存治療，如載轉(zhuǎn)化生長因子-β1/血管內(nèi)皮生長因子的硫酸鈣/羥基磷灰石半水化合物、載辛伐他汀的中空羥基磷灰石等。未來，在強化新型生物陶瓷材料生物學(xué)性能的同時，應(yīng)進(jìn)一步研究復(fù)合生物活性材料蓋髓劑。

2.3光學(xué)薄膜的應(yīng)用

光學(xué)薄膜的理論學(xué)科是以光的干涉效應(yīng)的薄膜光學(xué)為基礎(chǔ)的，研究光在層狀介質(zhì)中的傳播方式。一排光波照射在透明薄膜上，兩列光波分別從薄膜的上下表層或前后表層反射，兩列相干光波相互疊加最終形成干涉反應(yīng)。該理論能夠準(zhǔn)確地描述光在數(shù)十微米層、納米層甚至原子層厚膜中的傳播行為，從而能夠設(shè)計出不同波長、不同性能、適應(yīng)不同要求的光學(xué)薄膜元件。光學(xué)薄膜在平時隨處可見，從精密的光學(xué)儀器、顯示器件到我們生活中的很多應(yīng)用。如果沒有光學(xué)薄膜技術(shù)作為其發(fā)展的基礎(chǔ)，現(xiàn)代光電、通信或激光技術(shù)將無法取得進(jìn)步，這也說明了光學(xué)薄膜技術(shù)的研究和發(fā)展的重要程度。

參考文獻(xiàn)

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[2]李曉娜.材料化學(xué)工程的應(yīng)用及發(fā)展趨勢研究[J].云南化工，2018，4503：5-6.

作者簡介：付會兵，浙江工業(yè)大學(xué)，生物工程專業(yè)，碩士學(xué)歷，現(xiàn)主要從事生物材料及生物傳感器的研發(fā)工作。