我國高分子材料工業發展動態

本文是作者根據國家自然科學基金委員會組織的“15”學科發展專家戰略研究結果，結合基金管理，完成的。主要介紹我國高分子材料發展相關的動態和值得重視的研究方向。同時,簡述了國家自然科學基金近況和在高分子領域的資助概況,以供讀者參考。1中國高材料工業的發展與發展1.1零售業:我國是肉制品生產的大國高分子材料工業是我國的支柱產業之一。我國合成樹脂的產量和消費量目前居世界第五位。2000年我國通用樹脂的年需求量為1500～1600萬噸,國內年產合成樹脂達到1000萬噸,成為世界上合成樹脂生產大國之一,國內需要的專用牌號80%可自己生產,國產樹脂保持國內60%以上的市場占有率,2010年,合成樹脂總生產能力可望達到1600萬噸/年,國內市場占有率將達80%以上。我國塑料制品產量居世界第二位。塑料制品的生產遍及全國所有省市和地區,形成了較為完整的工業體系。可以說我國是塑料制品生產大國,也是塑料制品消費大國。特別是農膜、化學建材、包裝和工程塑料等應用之廣,已成為國民經濟的主要組成部分。我國塑料工業五十多年來獲得蓬勃發展,現已步入世界塑料大國行列。但同時我們應當看到,我國通用樹脂工業正面臨結構性短缺和結構性過剩的困難局面:一方面,國內生產的大部分是通用型樹脂,性能價格比低,使許多國內產品滯銷,造成部分廠家壓庫、停產的局面;另一方面,國內專用料品種少,產量低,僅占國內樹脂產量的30%左右(而國外則高達70%以上),無法滿足家電、包裝、棚膜、汽車、電子和信息等領域的需求。目前中國的樹脂生產仍不能滿足需求,進口量在1000萬噸左右。這一需求缺口至少在十五年內都將依靠進口彌補。進入WTO后,合成材料的進口關稅將逐年遞減,國內高分子材料的生產和加工工業將受到更大的沖擊。我國塑料制品工業是新興的大行業,正處于一個新的發展階段。加快我國高分子材料制備與加工技術的進步和創新的步伐,在我國加入WTO的形勢下,我國塑料工業迫切需要增強自主創新能力,發展高性能合成樹脂與塑料制品生產技術,加強基礎研究是必由之路。目前我國塑料機械生產量居世界第一位,具有生產10萬臺套以上門類齊全的塑料機械的能力,已成為塑料機械制造業的世界性大國。1.2纖維加工總量巨我國合成纖維產量目前已居世界第二,中國是世界上最大的紡織生產國,纖維加工總量達到了1000萬噸;同時也是世界上最大的紡織出口國,出口額占世界紡織品出口貿易額的13%,也占中國商品出口總額的23%。合成纖維人均水平處于世界中等水平,略高于世界平均水平。1.3合成橡膠生產世界第三我國合成橡膠工業體系已基本建立,2000年生產能力為100萬噸,天然橡膠產量約為50萬噸。1997年合成橡膠產量60萬噸,消耗量75萬噸,步入合成橡膠生產大國的行列,居世界第三。1997年合成橡膠與天然橡膠總消耗量達160萬噸,預計2010年總需求將達300萬噸。1.4涂料和粘合劑涂料和膠粘劑產量居世界第四,涂料年產140萬噸以上,膠粘劑年產200萬噸以上,預計產量將不斷上升。2最近，中國的高材料研究十分重要2.1主要技術創新成果根據國家安全和支柱產業的發展需要,結合國際發展趨勢、我國已有的基礎和鼓勵原始創新、取得標志性基礎研究成果的可能性。近期樹脂基復合材料的重要領域如下:針對高性能復合材料的低成本化和工程化基礎科學問題,系統開展的研究工作,在低成本復合原理、材料技術、制備科學方面取得創新和突破,并在以航空航天為代表的高技術領域取得標志性成果;同時,建筑領域和基礎設施補強復合材料技術、紡織復合材料、熱塑性復合材料等重要領域進行有效的組織和交叉,形成研究特色,在一些重要技術前沿取得創新成果。根據復合材料特點,系統研究復合材料多尺度模型和計算原理,有效預報新的復合體系的結構與性能關系。同時,支持和建立我國自主知識產權的復合材料數據庫或關鍵模塊,迅速改變我國在復合材料計算、設計、制備與,加工的信息化方面的落后狀況,取得多項復合材料計算材料學和工藝模擬仿真與優化的創新性成果。支持創新性的新型復合原理與功能復合材料及復合材料的功能一結構一體化基礎研究,特別是與信息技術、生命科學、環保技術和仿生技術等相關創新性研究工作,這些領域的技術和研究突破可帶來重大的技術和經濟效益,以及實現復合材料的源頭創新。開展綠色復合材料技術研究,建立復合材料工業環境污染相關模型,研究更先進的環保型閉模成型工藝和材料體系,探索廢舊復合材料的回收、再生及循環使用的技術原理和工業應用方案,建立我國綠色復合材料技術基礎體系。從分子和微觀相結構水平出發,設計和開發同時具有高性能(高韌性、高耐熱性和高模量)、良好工藝性能(低粘度、寬加工窗口、低溫成型和高可調性)的低成本復合材料樹脂基體系,以及新型增強材料技術。2.2高材料2.2.1高分子材料性能與結構的非平衡問題在高分子材料的高性能化研究中,通用高分子材料的高性能化及高功能化依然是極其重要的主題。除了利用新型催化技術得到更加可控的聚烯烴材料外,通過多元與多層次的復合實現材料的高性能化仍是重要的研究方向。必須從聚合/加工-性能-外場-環境的系統思維出發,以加工技術的改進與創新為支撐,深入探討高分子材料高性能化方面的一些基本科學問題,如高分子體系凝聚結構的非平衡問題;處于中間過渡態的高分子的結構與性能優化的對應關系;高分子體系的相結構發展與凝聚過程中的熱力學與動力學研究等。重視新的表征方法與手段在聚合物結構的動態變化研究,形態、結構與宏觀性能、功能的關系研究中的作用,還應注重材料在具體應用中的失效分析。在高分子成型方面,著重支持新成型理論、新成型方法研究及注意以計算機模擬為手段的理論研究和實驗研究的結合。2.2.2高反應加工(1)制備高分子材料的方法設計和研制具有特定功能的反應型擠出機,以一種或數種單體為原料,采用自由基引發聚合、陰離子引發聚合、縮聚聚合等原理制備高分子材料新品種或實現對傳統高分子材料的合成工藝和生產裝置的改造或替代。(2)高分子合物材料設計和研制具有特定功能的反應型擠出機,以功能單體和聚合物或兩種及兩種以上聚合物為原料,制備功能型、高性能化的或具有多種附加性能的高分子材料和高分子合金材料,以滿足電子、家電、包裝、建材、汽車等不同領域的需求。(3)形態結構的在線檢測和定量跟蹤主要研究內容包括反應型擠出機螺桿的幾何構型對溫度場、剪切應力場、傳熱及傳質的影響;螺桿內的溫度場、剪切場對聚合物形態的形成及發展的影響;工藝參數、化學結構及聚集態結構的在線檢測和跟蹤;加工工藝與形態結構及材料性能間的定性或定量關系;化學流變學研究及產物的加工性能等。(4)建立反應型擠出機軟件建立數學模型和本構方程,對聚合物的反應加工過程進行模擬;為反應型擠出機的設計和制作,工藝過程和工藝參數的選擇和優化等提供指導;并針對具體對象,建立商業軟件。此方向已在國家自然科學基金“十五”期間安排了重大項目進行跨學科交叉研究。2.2.3功能的一體化特種高分子材料的研究,需重視在分子設計與低成本化學制備技術上的創新,并應注重結構一性能一功能的一體化。在特種工程塑料的高性能化上,注重將熱固性材料和熱塑性材料的優異特性有機地結合在一起的新材料研究,同時,加強并擴展超級工程塑料在熱塑性復合材料及高分子合金材料上的應用。為適應信息技術發展的需要,還應加強應用于光電信息材料上的聚芳雜環聚合物的結構與性能的研究。2.2.4策略、光領域、高新技術領域的研究液晶聚合物是近二十年迅速發展起來的一類新型高性能高分子材料。與一般聚合物相比,液晶聚合物具有非常獨特的性能,可廣泛應用于電子電器、航天航空、國防軍工、光通訊等高新技術領域,以及汽車、機械、化工、醫療等國民經濟各工業部門。總體來講,我國液晶聚合物材料還處于研究開發階段,至今還沒有一個很好的液晶高分子品種投入工業化生產。重視和加強液晶聚合物基礎研究和應用基礎研究,開發液晶聚合物新品種,發展液晶高分子原位復合材料及其相關基礎理論的研究,加強功能性液晶高分子材料的發展,擴展液晶聚合物研究領域的內涵,拓展其應用領域范圍,不僅具有理論意義,也為其應用研究奠定了良好的基礎,加速我國液晶聚合物產品產業化進程。2.2.5納米粒子復合涂料有機一無機納米復合材料制備的新方法、新手段、新工藝和新配方。納米粒子復合高分子結構材料,具有吸波等功能的高分子納米復合涂料及具有納米尺度高級結構如納米晶等的納米復合材料。研究納米材料性能與功能的特異性及其發生機制。2.2.6橡膠制品的回收利用和改性新型合成橡膠品種的開發和應用是高性能橡膠材料研究的重點和核心。使用新方法的橡膠補強和復合技術依然重要,例如納米復合等。高性能輪胎的制備、改性、結構和性能研究中的基礎問題有必要深化,特別是其結構與粘彈性、動態力學行為的關系。橡膠制品的回收和改性對于環境問題十分重要,2.2.7高性能合成纖維新型纖維的分子設計與開發在十五期間應予以足夠的重視。高強高模纖維材料與材料的耐熱性和韌性及其加工性如何有機地統一是基礎研究的重要方向。此外,還需加強大品種成纖聚合物的工藝和品質改進,如加深對紡程工藝參數與纖維結構的關系的研究等。功能纖維材料的研究和應用也應加強。在事關航空航天等國防領域和有重要民生用途的碳纖維的研究與開發上,應組織力量攻關,尤其在原絲的制備上要化大力氣投入,爭取突破瓶頸。2.2.8生物化學成分產品在人類面臨環境不斷惡化的今天,高分子材料的發展要從節能和清潔環境的戰略角度出發?，F在的一個重要發展方向就是綠色化學產品,如深度加工的天然高分子、生物合成可降解高分子和用于高分子合成和聚合的生物催化劑。發展生態環境材料,包括防輻射、降噪音、污染防治材料等。加強高分子材料的生物降解和回收再利用的研究,使其在使用后不污染環境。對于大量的使用后的高分子材料,在回收再利用方面應著重研究和開發新型相溶劑尤其是反應型萬能相溶劑的研究與開發具有重要的意義。2.3積極研究有機聚合物光電材料與器件的制備工藝在此相關領域,國家自然科學基金“九五”期間組織重大項目‘“有機/聚合物光電信息材料與器件”和“電子聚合物若干基礎化學問題”立項。項目負責人分別是我國著名有機高分子科學家沈家驄院士和王佛松院士。經過四年的研究,項目研究人員在有機聚合物光電信息材料與器件研究領域的新概念、新材料與新的制備工藝方面開展了大量的工作,取得了一批重要的成果,本項目研究取得了豐碩的成果,研制了若干原形器件。這些成果使我國有機聚合物光電材料與器件研究方面形成了很強的國際對話能力,提高了我國有機光電材料研究領域的整體創新能力,為解決本領域的某些關鍵技術問題,為形成我國自己的知識產權做出了貢獻。今后一段時間需重視的研究方向有:(1)有機與高分子發光材料的分子設計,制備以及光物理過程(2)有機與高分子光導材料的分子設計,制備以及光物理過程(3)有機激光器基本問題的探索及其實現途徑(4)有機分子導線與光限幅材料(5)功能組裝、分子聚集態的調制及有序薄膜構筑(6)有機磁性材料(7)有機光子晶體材料(8)有機晶體與有機晶體管和場效應管其中,自2001年有機光電信息功能材料部分已成為國家自然科學基金“光電信息功能材料重大研究計劃”的重要資助領域。國家基礎研究重點規劃項目于2002年設立了有機聚合物光電材料領域的課題。2.4生物材料2.4.1納米尺度藥物釋放系統適于多肽蛋白藥物的新型生物降解高分子載體和控釋材料的結構設計與新合成技術;納米與亞微米尺度藥物控制釋放系統的構筑;藥物與載體材料的適配及其相互作用機制;材料降解速度的調控;藥物載體體系的生物醫學性能(注射、口服、吸收、分布、排泄等)等評價。2.4.2高分子材料的制備能夠誘導組織自修復與再生新型生物降解高分子材料的設計與制備;高分子材料的加工過程及其對生物醫學性能的影響;高分子材料的形態、孔度、降解速度等與組織自修復和再生過程的相互作用關系。2.4.3生物材料的表面涂層和界面不同結構的生物醫用高分子材料表面修飾新方法;高分子材料在界面區域與細胞及適用環境相關的生物分子的相互作用特點與調控。2.5與能源和環境有關的功能性材料2.5.1有機高分子材料及器件研究自然能源(如太陽能)利用等相關材料低成本化、高效率轉換新途徑;探索實現高效熱一電轉換(熱電致冷和發電)的有機高分子新材料及器件;研究新型有機高分子儲能材料。2.5.2吸收層析成像重點研究用于廢氣與廢水處理的有機高分子功能材料;具有高選擇性吸附、分離功能的膜、納米介孔有機高分子材料等。2.5.3環境中的敏感材料和材料的智能研究對微量有害物質等環境因素高靈敏度感應和傳感有機高分子材料,及危害防護有機高分子材料等。2.5.4燃料保護的重要材料研究高能、長壽命固態電池質子分離膜材料。3自然資源的現狀3.1優化研究環境,確立科研前沿性研究重點國家自然科學基金面向全國,是國家創新體系的重要組成部分,主要資助自然科學基礎研究和部分應用研究,重點支持具有良好研究條件、研究實力的高等院校和科研機構中的研究人員,依據“著力營造有利于創新的研究環境,著力推動源頭創新”的工作定位和“依靠專家,發揚民主,擇優支持,公正合理”的評審原則,擇優支持有重要科學意義或重要應用前景的基礎性研究,尤其是符合國際科學發展趨勢,具有戰略性、前瞻性、基礎性和開拓新興科學技術領域的研究,以及為適應我國社會主義現代化建設的長遠需要,針對我國自然資源和自然條件特點的研究。2002年經費20億元,“十五”期間總經費為100億元。3.2產品研發能力分析國家自然科學基金委在化學科學部和工程與材料科學部分別有