《中國(guó)塑料》首屆高分子材料技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用論壇上的新觀點(diǎn)、新成果

劉學(xué)

（北京工商大學(xué)輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所，《中國(guó)塑料》雜志社，北京 100048）

2024年3月23日上午，《中國(guó)塑料》首屆高分子材料技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用論壇在北京工商大學(xué)開(kāi)幕。出席開(kāi)幕式的嘉賓有：第十四屆全國(guó)政協(xié)常委、國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局黨組書(shū)記、局長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院第九屆學(xué)部主席團(tuán)成員、中國(guó)科學(xué)院院士申長(zhǎng)雨教授，中國(guó)工程院院士、大連理工大學(xué)蹇錫高教授，中國(guó)工程院院士、四川大學(xué)王琪教授，中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)王占杰理事長(zhǎng)、焦紅文秘書(shū)長(zhǎng)，福建師范大學(xué)副校長(zhǎng)陳慶華教授，香港科技大學(xué)（廣州）教學(xué)副校長(zhǎng)吳景深教授，鄭州大學(xué)副校長(zhǎng)劉春太教授等，以及來(lái)自全國(guó)各高校、科研院所、企事業(yè)單位的長(zhǎng)江學(xué)者、國(guó)家杰青、國(guó)家優(yōu)青、教授、專家、工程師、科研人員、學(xué)生代表200余人。

《中國(guó)塑料》編委會(huì)主任申長(zhǎng)雨院士在致辭中表示，在剛剛結(jié)束的兩會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記就發(fā)展“新質(zhì)生產(chǎn)力”做出了重要論述，專門(mén)強(qiáng)調(diào)了要積極促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的高端化、智能化、綠色化，因此此次論壇的舉辦也是落實(shí)習(xí)總書(shū)記重要論述的具體行動(dòng)。雖然高分子材料只有百年的發(fā)展歷史，但是由于其具有獨(dú)特的性能而廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，技術(shù)創(chuàng)新備受關(guān)注，同時(shí)也面臨著各種挑戰(zhàn)。改革開(kāi)放40多年來(lái)，高分子材料的產(chǎn)業(yè)技術(shù)和科研條件突飛猛進(jìn)，先進(jìn)成果不斷涌現(xiàn)，為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展提供了非常重要的支撐。但是面對(duì)高端化、智能化、綠色化的需要，我們還要繼續(xù)加大高分子材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)步。相信在大家的共同努力下，此次論壇一定會(huì)成為高水平、有特色的論壇，有力促進(jìn)高分子材料領(lǐng)域最新成果和學(xué)術(shù)思想的交流，推動(dòng)高分子材料學(xué)科發(fā)展。

中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)王占杰理事長(zhǎng)在致辭中表示，塑料加工行業(yè)向著功能化、輕量化、精密化、生態(tài)化、智能化的科技創(chuàng)新方向發(fā)展。目前，塑料行業(yè)的產(chǎn)量約8 000萬(wàn)噸，比1949年新中國(guó)成立時(shí)增長(zhǎng)了40萬(wàn)倍。我國(guó)塑料加工行業(yè)的生產(chǎn)能力、實(shí)際產(chǎn)量、需求量、應(yīng)用量、出口量目前在世界上均保持第一的位置。取得這樣的成績(jī)，與大家的辛苦工作和貢獻(xiàn)密不可分，其中《中國(guó)塑料》也發(fā)揮了相應(yīng)的作用。

開(kāi)幕式之后的院士報(bào)告論壇由王占杰理事長(zhǎng)主持。申長(zhǎng)雨院士、蹇錫高院士、王琪院士分別做了題為《國(guó)家戰(zhàn)略用超厚超大透明殼體制造：成型、模具和裝備》、《新型雜環(huán)高性能工程塑料及其復(fù)合材料應(yīng)用研發(fā)進(jìn)展》、《塑料先進(jìn)制造加工》的報(bào)告。

申長(zhǎng)雨院士在報(bào)告《國(guó)家戰(zhàn)略用超厚超大透明殼體制造：成型、模具和裝備》中介紹了團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于解決的4個(gè)科學(xué)問(wèn)題：1.復(fù)雜多場(chǎng)作用下材料不同層次形態(tài)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律。宏觀成型、微觀成型。成型中復(fù)雜熱機(jī)歷史作用下復(fù)雜流體的不同層次結(jié)構(gòu)演化問(wèn)題。2.成型過(guò)程中高聚物復(fù)雜流體的跨尺度計(jì)算理論。微結(jié)構(gòu)演化（結(jié)晶、取向）與流變（本構(gòu)），耦合微觀結(jié)構(gòu)演化的跨尺度模擬等。3.成型后高聚物制品性能和服役行為的跨尺度分析。復(fù)雜外載條件下制品不同尺度的變形、屈服、破壞機(jī)理，老化和降解。4.成型工藝控制和模具設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化理論和方法，多層次、多目標(biāo)的優(yōu)化理論和方法。

目前的研究方向：1.高分子材料成型模擬及模具優(yōu)化設(shè)計(jì)。成型和模具一體化、成型和功能一體化、多尺度模擬，完成了基于統(tǒng)一網(wǎng)格的注射成型和模具變形一體化數(shù)值模擬；基于Lorentz-Lorenz方程的成型和光學(xué)性能一體化模擬；基于模量匹配的成型模擬和制品結(jié)構(gòu)分析聯(lián)合仿真技術(shù)；基于滑移鏈接模型和SPH方法多尺度成型模擬等。目前工作重點(diǎn)：一是利用拉格朗日物質(zhì)描述體系，基于微觀結(jié)構(gòu)演化的局部應(yīng)力耦合方法，實(shí)現(xiàn)注射成型過(guò)程跨尺度仿真，真正解決傳統(tǒng)注射成型缺陷問(wèn)題，如翹曲變形問(wèn)題、熔接線結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題等；二是芯片封裝過(guò)程的毛細(xì)作用主導(dǎo)的芯片封裝過(guò)程中的復(fù)雜流動(dòng)和傳熱行為，如Underfill問(wèn)題，熱管理問(wèn)題等。2.結(jié)構(gòu)化復(fù)合材料成型及模具技術(shù)。碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料成型：自主開(kāi)發(fā)了一套碳纖維寬展-上漿-預(yù)浸一體化處理工藝及裝備，具有自沖裁結(jié)構(gòu)的熱壓模具實(shí)現(xiàn)一次近凈成型，完成了汽車(chē)橫梁連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料成型，整個(gè)橫梁減重50 %。新型可逆樹(shù)脂（Vitrimer）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件形性制造：開(kāi)發(fā)兼具熱固性高強(qiáng)度和熱塑性易成型、可自修復(fù)、可降解的新型樹(shù)脂Vitrimer，完成了1 m×2 m飛機(jī)壁板大型制件的制造。3.國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)品研制。例如，出艙、交會(huì)對(duì)接、太空工作站用航天服面窗的研制，作戰(zhàn)光電頭盔護(hù)目鏡，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（PEEK）注射成型。申院士在報(bào)告中重點(diǎn)跟大家交流了海下戰(zhàn)略用超大超厚深腔殼體注射成型和模具技術(shù)，研制了全球最大的具有注壓功能的注塑機(jī)（8 500 t鎖模力）、全球最大的注塑模具（模具質(zhì)量100 t左右）、全球最大的注塑產(chǎn)品（產(chǎn)品質(zhì)量130 kg左右）。

蹇錫高院士在報(bào)告《新型雜環(huán)高性能工程塑料及其復(fù)合材料應(yīng)用研發(fā)進(jìn)展》中指出，2035發(fā)展戰(zhàn)略研究中的建議發(fā)展重點(diǎn)為：1.高性能高分子材料及其復(fù)合材料。2.特種功能性高分子材料。3.通用高分子材料高性能化、功能化。4.生物基高分子材料、可回收循環(huán)利用的高分子材料。傳統(tǒng)高性能工程塑料主要結(jié)構(gòu)是芳環(huán)或/和芳雜環(huán)，已商業(yè)化的品種主要包括聚芳醚、聚芳酰胺、聚芳酰亞胺、聚芳酯等，尚在研發(fā)的品種如聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯基三嗪、聚吡嚨等新型芳雜環(huán)聚合物均未規(guī)?；a(chǎn)。

科學(xué)界和工業(yè)界都十分關(guān)注開(kāi)發(fā)既耐高溫又可溶解的新品種，希望實(shí)現(xiàn)高性能、低成本、可控制備。針對(duì)聚芳醚溶解性差的問(wèn)題從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，引入扭曲非共平面結(jié)構(gòu)，阻礙結(jié)晶，改善溶解性；針對(duì)傳統(tǒng)工藝難以得到高分子量的聚芳醚的技術(shù)難題，開(kāi)發(fā)新催化體系和新溶劑體系，提高分子量。從而創(chuàng)制出既耐高溫又可溶解、綜合性能優(yōu)異的高分子量新型聚芳醚高性能樹(shù)脂。

（1）開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)全新的單體，如圖1所示，進(jìn)而開(kāi)發(fā)全新的聚合物，如圖2所示。

圖1 新單體及DHPZ的空間結(jié)構(gòu)Fig.1 New monomer and the spatial structure of DHPZ

圖2 新聚合物Fig.2 The new polymer

DHPZ的苯環(huán)與二氮雜萘酮環(huán)不在同一個(gè)平面上，相互扭曲一個(gè)角度，具有扭曲、非共平面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，活性類似雙酚單體。新單體的二氮雜萘酮結(jié)構(gòu)與聚酰亞胺中的酰亞胺環(huán)類似，但其六元二氮雜環(huán)的化學(xué)穩(wěn)定性顯著優(yōu)于酰亞胺五元一氮雜環(huán)，克服了酰亞胺環(huán)耐濕熱性能差的缺點(diǎn)。由于引入DHPZ結(jié)構(gòu)，使聚合物也具有扭曲非共平面結(jié)構(gòu)，阻礙結(jié)晶，利于溶解，實(shí)現(xiàn)了既耐高溫又可溶解，解決了傳統(tǒng)聚芳醚不能兼具耐高溫可溶解的技術(shù)難題。

（2）含二氮雜萘酮結(jié)構(gòu)聚醚砜酮（PPESK）系列（圖3）的使用溫度為250 ℃，其熱變形溫度比PEEK高100 ℃，在250 ℃時(shí)PPESK的拉伸強(qiáng)度是PEEK的2.5倍多。在PPESK與PEEK（450G）的性能對(duì)比中，其使用性能與PEEK（450G）基本一致，但是室溫下的溶解性有很大差異，PEEK（450G）只溶于濃硫酸，但PPESK還可溶解于NMP、CHCl3、DMAc。PPESK的Tg為263～305 ℃，PEEK（450G）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為143 ℃，PPESK的Tg高于PEEK（450G）100 ℃多，并且PEEK（450G）有熔點(diǎn)，而PPESK沒(méi)有熔點(diǎn)。

圖3 PPESKFig.3 PPESK

圖4 PPENSFig.4 PPENS

（3） 第二代：雜萘聯(lián)苯聚醚腈砜系列（PPENS）的使用溫度為300 ℃。與不含氰基的聚芳醚相比，由于強(qiáng)極性氰基側(cè)基引入，帶來(lái)如下優(yōu)點(diǎn)：耐熱性、阻燃性、力學(xué)性能等均有顯著提高；可利用其氰基進(jìn)行交聯(lián)或功能化改性，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出“全芳環(huán)非共平面扭曲的分子鏈結(jié)構(gòu)可賦予聚合物既耐高溫又可溶解的優(yōu)異綜合性能”的結(jié)論，在此思想指導(dǎo)下，研制成功含二氮雜萘酮聯(lián)苯結(jié)構(gòu)二酐、二胺、二酸等系列新單體，進(jìn)而開(kāi)發(fā)成功新型聚芳酰胺、聚酰亞胺、聚酰胺酰亞胺、聚芳酯等系列高性能樹(shù)脂，已形成一個(gè)獨(dú)具特色的高聚物體系（圖5）。

圖6 雜萘聯(lián)苯高性能工程塑料需求及發(fā)展趨勢(shì)Fig.6 Demand and development trend of heterinaphthalene biphenyl high-performance engineering plastics

雜萘聯(lián)苯高性能樹(shù)脂在高性能樹(shù)脂基復(fù)合材料中的應(yīng)用：（1）短纖維及顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料典型應(yīng)用：注射級(jí)30 %玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；耐磨自潤(rùn)滑復(fù)合材料；航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速止推軸承；核主泵動(dòng)壓滑動(dòng)軸承瓦面；華龍一號(hào)核電機(jī)組反應(yīng)堆冷卻劑泵軸承；高鐵風(fēng)源壓縮機(jī)渦旋動(dòng)渦卷。（2）連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料預(yù)浸帶及熱成型深加工，在預(yù)浸帶基礎(chǔ)上，研究了熱塑性復(fù)合材料的模壓成型工藝，制備了U型梁，對(duì)零件進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)，內(nèi)部無(wú)缺陷，對(duì)其進(jìn)行孔隙含量檢測(cè)，低于0.2 %；新型耐高溫高頻覆銅板。（3）有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化聚合物樹(shù)脂：超高音速飛行器外表面防護(hù)。

王琪院士在報(bào)告《塑料先進(jìn)制造加工》中介紹了其團(tuán)隊(duì)的主要工作。1.發(fā)明了以剪切力為主的固相力化學(xué)加工裝備，攻克了規(guī)?；苽涓叻肿游⒓{米功能復(fù)合材料、有效回收利用廢舊塑料橡膠、規(guī)?；滔喔咧祷锰烊簧镔|(zhì)材料等世界難題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。（1） 建立了基于三維剪切力場(chǎng)的固相力化學(xué)加工理論；（2） 發(fā)明了集成粉碎、分散、混合、力化學(xué)多重功能的固相力化學(xué)加工裝備；（3）突破了黏彈性高分子材料室溫超細(xì)粉碎、固相快速微納分散和交聯(lián)型高分子材料部分解交聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)；（4）解決常規(guī)塑料加工裝備不能解決的三大難題。2.高分子材料3D打印加工。（1）創(chuàng)新研制了先進(jìn)加工裝備，建成了先進(jìn)的高分子材料3D打印加工平臺(tái)。（2）發(fā)明了適應(yīng)不同種類高分子材料的連續(xù)球形化裝備，規(guī)?；苽淝蛐螐?fù)合粉體。（3）發(fā)明了直接熔融擠出的新型熔融沉積快速成型（FDM）打印機(jī)。3.高分子材料微型加工。在國(guó)際上率先開(kāi)展高分子微納米功能復(fù)合材料的微型加工，發(fā)展了高分子材料微型加工的理論和技術(shù)。建立了先進(jìn)的高分子材料微型加工平臺(tái)。自主設(shè)計(jì)研制了微型加工專用模具。制備了系列微型高分子功能器件。4.塑料管旋轉(zhuǎn)擠出加工。（1） 建立了形成偏離軸向增強(qiáng)相提高塑料管性能的新理論。（2） 發(fā)明了系列塑料管旋轉(zhuǎn)擠出加工新裝備。（3） 旋轉(zhuǎn)擠出制備了系列高性能塑料管。（4）發(fā)明了旋轉(zhuǎn)擠出流變儀。5.高分子泡沫材料加工。（1）創(chuàng)新研制了先進(jìn)發(fā)泡設(shè)備，建立了高性能多功能高分子泡沫材料和制品加工平臺(tái)。（2）建立了高性能多功能高分子泡沫材料和制品加工新技術(shù)。（3）制備了常規(guī)發(fā)泡技術(shù)不能制備的多種高性能多功能泡沫材料和制品。6.高分子材料激光加工。（1）開(kāi)發(fā)了多種聚合物激光標(biāo)記添加劑及可鐳雕塑膠材料。（2）開(kāi)發(fā)了多種高效激光敏化劑及聚合物功能復(fù)合材料。（3）建立了柔性聚合物激光活化選擇性金屬化新技術(shù)。7.聚乙烯醇（PVA）熱塑加工。（1）建立PVA熱塑加工新原理。（2）發(fā)明PVA熱塑加工新技術(shù)。8.無(wú)鹵阻燃高分子材料制備加工。（1）發(fā)明無(wú)鹵阻燃劑三聚氰胺氰尿酸鹽（MCA）制備新技術(shù)。（2）反應(yīng)性擠出加工制備無(wú)鹵阻燃塑料。（3）建立了難阻燃泡沫塑料加工新技術(shù)。（4）發(fā)明了三嗪界面阻燃加工新技術(shù)。（5）建立了纖維素材料無(wú)鹵阻燃新技術(shù)。

隨后的大會(huì)報(bào)告論壇由長(zhǎng)江學(xué)者、北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授主持。中國(guó)塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)王占杰理事長(zhǎng)，原中國(guó)石化首席專家、北京化工研究院副院長(zhǎng)喬金樑教授級(jí)高工，福建師范大學(xué)副校長(zhǎng)陳慶華教授，香港科技大學(xué)（廣州）教學(xué)副校長(zhǎng)吳景深教授分別做了題為《中國(guó)塑料加工業(yè)現(xiàn)狀及創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)》、《我國(guó)高分子材料產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)與機(jī)遇》、《傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)多源高分子材料固廢的梯次高質(zhì)利用集成技術(shù)與低碳高值產(chǎn)品開(kāi)發(fā)》、《半導(dǎo)體芯片封裝高分子材料的斷裂與結(jié)構(gòu)可靠性》的報(bào)告，從行業(yè)整體現(xiàn)狀、未來(lái)發(fā)展到具體創(chuàng)新技術(shù)、應(yīng)用升級(jí)的討論，契合了高端化、智能化、綠色化發(fā)展的主題。

王占杰理事長(zhǎng)在報(bào)告《中國(guó)塑料加工業(yè)現(xiàn)狀及創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)》中介紹了中國(guó)塑料加工業(yè)現(xiàn)狀（圖7），2023年全國(guó)塑料制品行業(yè)完成產(chǎn)量7 488.5萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)3.0 %；21 800家規(guī)模以上企業(yè)累計(jì)完成主營(yíng)業(yè)務(wù)收入2.111萬(wàn)億元，同比下降1.7 %；實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)總額1 153.0億元，同比下降1.6 %；塑料制品出口1 008.1億美元，同比下降3.9 %。

圖7 2014-2023年我國(guó)塑料制品產(chǎn)量及增長(zhǎng)率Fig.7 China's plastic products production and growth rate from 2014 to 2023

在23日下午及24日上午的分會(huì)場(chǎng)論壇中，清華大學(xué)謝續(xù)明教授，華東理工大學(xué)辛忠教授、謝林生教授，四川大學(xué)郭少云教授、楊杰研究員、趙海波教授、王洪濤副教授，吉林大學(xué)楊柏教授，北京化工大學(xué)楊衛(wèi)民教授、薛平教授、謝鵬程教授、寧南英教授、潘凱教授，北京師范大學(xué)劉正平教授，中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院透明件研究所陳宇宏研究員，中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所唐濤研究員，中科院化學(xué)所董俠研究員、翟磊副研究員，中石化（北京）化工研究院有限公司者東梅教授級(jí)高工，北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測(cè)試研究所高峽研究員，鄭州大學(xué)劉憲虎教授、程浩然博士，國(guó)知局專利局審協(xié)北京中心鄭凱正高級(jí)知識(shí)產(chǎn)權(quán)師，北京國(guó)知專利預(yù)警咨詢有限公司裴軍副研究員，景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)于盛睿教授，青島科技大學(xué)鑒冉冉副教授，浙江曼瑞德舒適系統(tǒng)有限公司段凱歌經(jīng)理等來(lái)自全國(guó)各知名高校、科研院所、企業(yè)的教授、學(xué)者分別呈現(xiàn)了28場(chǎng)精彩的報(bào)告，并同時(shí)進(jìn)行了7場(chǎng)研究生快閃報(bào)告和墻報(bào)展示。