高分子材料研究前沿及发展趋势
高分子材料研究前沿及发展趋势
.通用高分子材料向高性能、多功能、低污染、低成本方向发展
通用高分子材料主要是指塑料、橡胶、纤维三大类合成高分子材料及涂料、黏合剂等精细高分子材料。高性能、多功能、低成本、低污染（环境友好）是通用合成高分子材料显着的发展趋势。在聚烯烃树脂研究方面，如通过新型聚合催化剂的研究开发、反应器内聚烯烃共聚合金技术的研究等来实现聚烯烃树脂的高性能、低成本化。高性能工程塑料的研究方向主要集中在研究开发高性能与加工性兼备的材料。通过分子设计和材料设计，深入、系统地研究芳杂环聚合物材料制备中的基本化学和物理问题，研究其多层次结构及控制技术，认识结构与性能之间的本质联系，寻求在加工性能和高性能两方面都适合的材料。合成橡胶方面，如通过研究合成方法、化学改性技术、共混改性技术、动态硫化技术与增容技术、互穿网络技术、链端改性技术等来实现橡胶的高性能化。在合成纤维方面，特种高性能纤维、功能性、差别化、感性化纤维的研究开发仍然是重要的方向。同时生物纤维、纳米纤维、新聚合物纤维德研究和开发也是纤维研究的重要领域。在涂料和黏合剂方面，环境友好及特殊条件下使用的高性能涂料和黏合剂是发展的两个主要方向。
2.功能高分子材料发展迅速，应用领域不断扩大，越来越多的功能高分子材料将从科学发明、发现走向实际应用
在有机/高分子光电信息功能材料领域，光、电、磁等功能高分子材料作为新一代信息技术的重要载体，在21世纪整个信息技术的发展中将占有极其重要的地位。非常值得关注并可能取得突破的重要方向是：有机/高分子显示材料特别是电致发光材料、超高密度高分子存储材料、高分子生物传感材料等。此外，还有新型功能高分子材料的设计、模拟与计算、合成与组装以及分子纳米结构的构筑。高分子的组装、自组装以及在分子电子器件上的应用研究等。
在生物医用材料领域，总的发展趋势是：从简单的植入发展到再生和重建有生命的组织和器官；从大面积的手术损伤发展到微创伤手术治疗；从暂时性的组织和器官修复发展到永久性的修复和替换；从药物缓释发展到控释、靶向释放。生物医用材料研究的重点是：基于生物学原理，赋予材料和植入体生物结构和生物功能的设计；可靠地试验材料生物安全性和预测材料长期寿命的科学基础；先进的工艺制造方法学。
在吸附分离材料领域，分离膜的发展重点是在研究聚合物分离膜制备、成膜机理及其与聚合物结构关系基础上实现膜结构与膜分离性能的预测、调控与优化；通过分离膜与生化技术的集成，实现合成高分子膜材料的强度与可加工性能以及天然生物膜的特殊选择性与生物活性的有机组合。对于吸附分离树脂，不直接利用生物配体，而是通过模拟亲和作用及超分子化学的多重作用（分子识别）来设计合成具有分子识别特征的高选择性吸附树脂材料，具有重要的理论意义和实用价值。新型印迹聚合物材料的设计与制备及选择性分离功能的研究也是重要的发展方向。
3.高分子材料科学与资源、环境的协调发展越来越受到重视
基于石油资源的合成高分子材料已得到了大规模的应用，在带给我们方便的同时也带来了环境污染的问题，而且50年后将面临石油资源逐渐枯竭的威胁。因此，基于可再生的动物、植物和微生物资源的天然高分子将有可能成为未来高分子材料的主要化工原料。其中最丰富的资源有纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、各种动植物蛋白质以及多糖等。它们具有多种功能基团，可通过化学、物理方法改性成为新材料，也可通过化学、物理及生物技术降解成单体或齐聚物用作化工原料。为解决环境污染问题，一方面生物降解高分子材料的研究已成为研究热点，另一方面废弃高分子材料的回收利用也成为重要研究方向。生物降解高分子材料在20世纪末和21世纪初得到迅速的发展，特别是一些发达国家的政府和企业投入巨资开展
生物可降解高分子材料的研究与开发，已取得可喜的进展。生物降解高分子材料要求具有好的成型加工性及使用性能，在完成其使用功能后容易降解，同时还应具有可接受的成本。而实现废弃高分子材料的回收利用，建设高分子材料绿色工程，是保护人类生态环境、实现资源充分利用、保证经济和社会可持续发展必须确实解决的全球性战略问题。
4.高分子材料加工领域的研究不断拓展并深化
高分子材料的最终使用性能在很大程度上依赖于经过加工成型后所形成的材料的形态。聚合物形态主要包括结晶、取向等，多相聚合物还包括相形态（如球、片、棒、纤维等）。聚合物制品形态主要是在加工过程中复杂的温度场与外力场作用下形成的。因此，研究高分子材料在加工过程中外场作用下形态形成、演化、调控及最终“定构”，发展高分子材料加工与成型的新方法，对高分子材料的基础理论研究和开发高性能化、复合化、多功能化、低成本化及清洁化高分子材料有重要意义。目前这一学科前沿研究领域的主攻方向是：研究在加工成型过程中材料结构的形成与演变规律，实现对材料形态的调控；探索新型加工原理和开发新加工方法。
另外，对于功能高分子材料和自组装超分子结构材料的加工正成为新兴的研究领域。例如通过新型的加工方法得到不同微纳尺寸的结构应用于光电器件等领域。
5.高分子材料科学与其他学科的交叉不断加强
高分子材料科学与生物科学、生物工程、化学、物理、信息科学、环境科学等的交叉既促进了高分子材料科学本身的发展，同时又使高分子材料扩大了其应用范围。例如，仿效生物体的结构或其特定功能的仿生高分子材料，是发展生物材料的重要途径。对有机/高分子材料电子过程的研究是使有机高分子材料科学与信息科学紧密结合，使有机塑料电子学成为一个重要研究方向。扫描探针显微镜和超高分辨率等现代检测技术的发展使有机/高分子纳米材料的研究得以深入。
我国高分子发展现状及对策
自改革开放我国对外贸易不断扩大，加入WTO更为国内企业提供了更多公平竞争的机会，中国已俨然成为贸易大国。但贸易大国不等于贸易强国，我国在对外贸易中存在的问题不能不引起我们重视。分析现状、制定对策，显然具有重要意义：
对外贸易现状分析
从宏观层面分析，我国对外贸易具有以下四个特点：
1.进出口贸易总额逐年增大。根据商务部的统计资料，中国的对外进出口从1978年亿美元增长到2002年亿美元，2003年进出口总值更达到亿美元，再创新高。
2.经贸格局发生了变化，但实质出口产品仍以劳动密集型产品为主，工业附加值不高。以中国最重要的贸易伙伴美国(加上香港的转口贸易，对美贸易占到中国总贸易的25%以上)为例。据美国商务部的统计，2002年中国对美出口排在前五项的商品分别是杂项制品%)、办公用机械及自动数据处理设备%)、电信及声音的录制及重放装置设备%)、鞋靴（%）、电力机械器具%)。单从数据来看，中国对美出口以纺织服装为主的格局已开始发生变化，计算机通信类产品出口份额在上升。但是结合中国商务部的统计可以看到，中国高新技术产品出口的主要贸易方式仍然是加工贸易类。仍然是以劳动密集型
型产品为主、工业附加值不高。
3.贸易伙伴过于集中、抗风险能力不足。我国的贸易伙伴仍相对集中在欧亚和美洲，特别是有限的几个世界主要国家，如排前3位的分别为日、美和欧盟，对这三者的贸易额占到总额的近一半。这种贸易格局不具备足够的抗风险能力，一个明显的例子就是近来由于这几个主要贸易伙伴经济不景气纷纷采取保守的贸易政策使得中国的对外贸易额受到了较大的影响，到2003年中国的对外贸易顺差为亿美元，同比减少了%。
4.传统的优势产业受到国际市场比较大的影响。我国传统的优势产业主要是一些劳动密集型的产业，近几年这些产业商品的国际市场有萎缩的现象，这种情况的出现主要有三方面的原因：(1)新兴的经济高速发展的国家对我国出口贸易的冲击，如墨西哥对我国纺织业的冲击；(2)发达国家出于自身利益的考虑限制进口，如美国为了保护自己的国内产业限制进口，欧盟为了新加入的国家的利益限制进口等；(3)随着中国经济能力的增强，外国取消对中国的优惠政策。如欧盟决定取消对我国乳、蛋制品等六类产品的普惠制。这三方面因素综合作用的结果就是欧美等国家不断对我国多种商品提出倾销的控诉，使我国的出口受到了很大影响，一些优势产业因此出现下滑的迹象。
从微观层面分析，我国外贸企业具有以下三个特点：
1.国际贸易及国际金融方面的人才缺乏使企业承担更大的经营风险。有专家预测过，中国入世后外贸及金融方面的人才缺口大概在20万左右，随着越来越多的企业取得进出口许可权，这方面的人才缺口将会更大。在这种情况下总会有一些企业不能获得自己需要的人才，并因此要承担两方面的额外风险：（1）由于不熟悉wto规则所需要承担的风险；（2）由于金融知识的匮乏所要承担的风险。如果不能规避这两方面风险，企业就可能会遭受灭顶之灾。
2.信息不对称导致无序竞争。出口企业很难预测自己将要进军的市场到底有多大容量、有多少竞争对手。但对立一方则不同，它基本上可以搞清楚目标进口地的该种商品的产能，举例来说，中国的一家企业想对美国出口家具，它是不清楚全世界会有多少家具制造商将向美国提供家具的，但美方则不同，如果它想从中国进口家具完全可以通过—些正常的信息渠道调查清楚中国家具产业的产能。这种信息的不对称造成的严重后果就是行业的无序竞争：看到去年某种商品出口旺盛，今年大家就会都来生产，结果造成产品的大量积压、竞相降价，让进口方得了利，更严重的可能给人以倾销的口实，从而导致这种产品在各国引起连锁的反倾销效应，完全丧失国际市场。
3.研发能力不足阻碍我国产品进入国际市场。中国在10年前打过一场漂亮的家电保卫战，众多的国内家电企业凭借价格优势取得了国内的绝大部分市场份额。可惜后来国内家电业在同行业竞争中总是把价格战当作最后致胜的法宝，忽视产品的创新，结果当洋家电以更高的性能重新杀入我国市场后马上夺取相当大的一部分市场，这种情况完全可以类推到其他行业。中国的外贸企业由于技术达不到要求被拒之门外的事屡见不鲜。而且由于技术水平的原因，我国的产品很难挤入高档次系列。研发能力的不足也使我国企业产品附加值不高。
若干对策建议
1.完善中央、省、市-分级化管理的纵向体系
其实中央、省、市-分级化管理体系是业已存在的事实，完善这一体系将对完成我国的对外贸易结构性调整起到关键性作用，完善体系一个重要内容是明确确定对这一体系各级管理的控制目标或任务。
中央一级外贸部门的任务应包含以下几项：(1)参与wto规则及双边协议的制定及修改。加入wto虽然总体上来看对我国有利，但有些wto的规则的确对发展中国家是不利的。以中美签订wto协议有关农业条款和金融条款为例，这份协议规定如某产品大量涌入美国市场，美国政府可以采取特别手段保护国内产业。具体来说，任何一项产品，在美国市场上突然增长20%-30%，美国就可采取禁止进口等断然措施，而不需提供国内产业受伤害的证据。这个条款与反倾销法案相比要更为苛刻。此类对发展中国家不利的条款还有很多，中央一级外贸部门显然应积极主动地参与此类协议的修订，为我国的外贸企业争取利益，变被动接受为主动争取。（2）分析全国性商品进出口结构，制定相关的产业政策。商务部可以通过对进出口结构的分析，找出竞争优势、劣势产业，产能过剩和产能不足产业，制定相关产业政策，抑制过剩，发展不足。(3)为企业开拓海外市场提供政策帮助。中国的贸易伙伴相对集中，不利于抗击风险，海外市场的开拓虽然靠的是企业或行业，但政策性的帮助也很重要，这些政策只能由商务部提供，这样才能使国内企业大胆进军新的国际市场。(4)对外贸进出口许可证发放的控制。商务部门可以根据行业的统计数据对外贸企业实行末位淘汰，每年取消一部分企业的外贸经营权，保证外贸企业处于良性经营及竞争状态，这样可以减少一些无序竞争。(5)为企业提供完备的信息服务。
省、市两级外贸部门的任务相对类似，主要有：一是分析本地区进出口产品结构，确定本地区的优势产业；二是为本地区的进出口产品提供各方面的帮助。
2.建立以专业外贸公司为纽带的行业内部的横向战略联盟
中央、省、市-的纵向管理体系虽然可以解决宏观层面的一些问题、但外贸企业遇到的微观难题则应依赖于同行业间的横向联盟的建立，这种战略性的联盟是以专业的外贸公司为纽带的。
横向联盟不同于传统的行会，它是一种战略联盟，没有硬性规定的责任和义务，这一点使它与行会区别开来。这种松散的结构形式可以保证成员可以相对比较自由、独立地进行生产经营，但通过专业外贸公司为纽带，又能在以下方面可以为联盟的成员提供帮助。
(1)人才自由流动帮助企业规避风险。在这种联盟体系下，不需要每个外贸企业都要有自己的外贸专业人才。通过专业外贸公司为媒介，专业人才可以作为流动资源，只有在项目需要的时候他才在这个公司工作，这种方式还有利于企业降低成本，因为公司不用固定地支付人才费用。
（2）应对冲击，特别是关于倾销的控诉。在国际市场上一旦遇到关于倾销之类的情况，只有全行业统一口径才能在国际谈判中取得相对较好的效果，这时候联盟的结构会变得暂时紧密。而且联盟的建立也有助于减少个别企业为了自身利益扰乱出口秩序的情况，因为不规范的行为虽然不会受到直接的制裁(战略联盟不具备这种功能)，却可使不守规则的企业被排除出联盟，降低企业的商誉。
(3)建立行业信息平台，变事后控制为事前控制。战略联盟一个很重要的任务就是为成员提供决策所需要的本行业详细的数据。而且联盟也可以做出行业分析、企业排名，预测下一期的进出口，并通报商务部，为商务部许可证的发放决策提供依据，预防后一期的无序竞争，变事后控制为事前控制。举例来说，2002年对美国出口服装300亿美元，考虑到世界经济竞争形势，预期2003年会出口310亿美元，服装行业联盟将此结论通报商务部，商务部因此决定增减许可证发放、从而避免了这样的一种后果：过多的服装企业为美国提供服装导致价格的恶性竞争，造成出口量增加，出口额反而减少，美国还提出了一项反倾销控诉。有了这种信息平台显然有利于缓解信息不对称对企业造成的不利影响。
3.企业自身重视价值工程分析
行业间的横向战略联盟是一种松散的联盟形式，联盟成员间依然存在自由竞争关系，所以企业自身应该努力，提高产品竞争力。这就要求企业运用价值工程来指导产品的研发、生产。企业实行价值分析过程中可以利用外部资源。自身研发能力不足可以借助高校资源，企业和高校间也可以建立一种长期的战略合作关系，将高校的人才资源转化为企业的经济效益，对企业和高校是一种双赢策略，而且也是一种相对快捷的方式。
以三个方面的对策并不是相互独立，而是互动的。联系它们的纽带是信息，借助现代化的信息交流平台，这些对策的相互作用将会促使我国从贸易大国向贸易强国的转变。
高分子学科研究现状及发展趋势高分子学科研究现状
及发展趋势
1、学科概况
高分子科学与工程学科，含有高分子化学、高分子物理、高分子工程三个基础分支学科及功能高分子、高分子新材料二个派生领域，其学科特点是理－工结合、基础－应用结合、学术－产业结合。在高分子学科发展中，我们应掌握高分子学科特点，促进学科发展。高分子各分支学科应相互联系，互促发展。应以学科研究为高分子学科的基础，同时兼顾新材料、新技术研究，使学科研究和材料应用研究彼此相辅相承。高分子科研队伍约万人，其中副教授以上约2000人，人员的专业分布为，高分子化学占65％，高分子物理占25％，高分子工程占10％。
2、高分子化学概况
高分子化学研究线索是，研究新聚合反应、新合成方法以及新聚合物和新结构高分子聚合物的合成，在这些方面国内有大量的研究工作。目前存在的问题是，追踪别人的工作多，创新工作少；应用性课题多，学术问题研究少。今后应注意非键合聚合物（超分子聚集体）的研究，注意生物合成方法，提高有序合成的技巧以及通过分子设计采用共聚合方法，探讨通用聚合物高性能化、功能化的途径。
3、高分子物理概况
高分子物理研究线索是，研究大分子运动，分子相互作用，大分子聚合物的多层次结构，结构与材料性能、功能间的关系以及相关的检测、表征方法。目前国内主要工作有高分子凝聚态研究，亚稳态研究，复杂流体研究，聚合物材料的形态控制研究以及计算机方法、数学方法研究等。目前存在的主要问题是工作思路窄，创新少，还有一些工作停留在物性表征阶段。今后应注意利用“软物质”的概念研究聚合物对外界刺激产生结构的响应的情况，注意利用各种外场控制聚合物的形态及结构，注意特殊情况下的聚合物凝聚态情况。
4、高分子工程概况
高分子工程的研究线索包括二个方面，其一是研究在外场作用下高分子链运动，相态、结构的演变及控制形成（高分子成型）；另一是研究工业规模聚合物的合成（聚合反应工程）。国内目前在螺杆剪切成型、振动剪切成型、反应加工、力化学加工及新成型工艺、聚合工艺方面有大量的工作。目前存在的问题是，制品研究多，工艺研究多，基础性学术问题研究相对较少。今后应注意开展成型原理研究，控制结构成型研究以及计算机辅助设计成型工艺研究等。
5、功能高分子及高分子新材料领域概况
本领域研究线索是，通过学科交插，探索各种所需的功能材料及通用材料。功能高分子研究主要集中在光、电、磁等信息材料及医用材料研究方面。通用材料研究主要工作有工程材料、复合材料、建筑材料、环境降解材料、杂化材料等。目前存在的问题是，学科交插不够，过分着眼于应用，对基础性学术问题注意不够。今后应注意聚合物结构与功能、性能关系研究，注意绿色环境材料研究。
6、结论
高分子各分支学科应协调发展，以学科基础研究为主体，注意新材料、新技术研究。提倡创新意识，提倡通过学科交插，学科介入，从实践中提炼学术问题等途径来增加创新性研究工作。
新型有机高分子材料
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类文明的重要里程碑．当今有人将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础．自从合成有机高分子材料出现的那一天起，人们始终在不断地研究、开发着性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足计算机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工业和机械工业等尖端技术发展的需要．除了传统的三大合成材料以外，又出现了高分子膜，具有光、电、磁等特殊功能的高分子材料，生物高分子材料，医用高分子材料，隐身材料和液晶高分子材料等许多新型有机高分子材料．这些新型有机高分子材料在我们的日常生活、工农业生产和尖端科学技术领域中起着越来越重要的作用．本节我们简要介绍其中的两种．
一、功能高分子材料
功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料．如高分子分离膜①是用具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜．它的特点是能够有选择地让某些物质通过，而把另外一些物质分离掉．这类分离膜广泛应用于生活污水、工业废水等废液处理以及回收废液中的有用成分，特别是在海水和苦咸水的淡化方面已经实现了工业化．在食品工业中，分离膜可用于浓缩天然果汁、乳制品加工、酿酒等，分离时不需要
加热，并可保持食品原有的风味．未来的高分子膜不仅可以用在物质的分离上，而且还能用在各种能量的转换上，如传感膜能够把化学能转换成电能，热电膜能够把热能转换成电能等．这种新的高分子膜为缓解能源和资源的不足，解决环境污染问题带来希望．在医学上，人们一直想用人工器官来代替不能治愈的病变器官，但是，在过去很长一段时间内都没有成功，主要是材料问题解决不了．直到高分子材料大力发展以后，人们的这种愿望才初步得以实现．合成高分子材料一般具有优异的生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求．此外，用作人体不同部位的人工器官，还必须具备某些特殊的功能．拿人工心脏来说，不仅要求材料与血液能有很好的相容性，不能引起血液凝固、破坏血小板等，而且还要求材料具有很高的机械性能．这是因为，心跳一般为75次/分左右，如果使用10年，人工心脏就得反复挠曲4亿次，这样高的要求，一般材料是很难胜任的，目前大都使用硅聚合物和聚氨酯等高分子材料．随着医用高分子材料的发展，人类目前已经制成从皮肤到骨骼，从眼到喉，从心肺到肝肾等各种人工器官．所有这些再加上新型高分子药物的发展都将为人类的健康和长寿作出不可估量的贡献．
二、复合材料
随着社会的发展，单一材料已不能满足某些尖端技术领域发展的需要，为此，人们研制出各种新型的复合材料．复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型的材料．其中一种材料作为基体，另外一种材料作为增强剂，就好像人体中的肌肉和骨头一样，各有各的用处．例如，以玻璃纤维和树脂组成的复合材料——玻璃钢，质轻而坚硬，机械强度可与钢材相比，可做船体、汽车车身等，也可做印刷电路板．复合材料可以发挥每一种材料的长处，并避免其弱点，既能充分利用资源，又可以节约能源．因此世界各国都把复合材料作为大有发展前途的一类新型材料来研究．
由于复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上超过了单一材料，因此，宇航工业就成了复合材料的重要应用领域．我们知道，质量对于飞机、导弹、火箭、人造卫星、宇宙飞船来说是一个非常重要的因素．有的导弹的质量每减少1 kg，它的射程就可以增加几千米．而且这些航天飞行器还要经受超高温、超高强度和温度剧烈变化等特殊条件的考验，所以，复合材料就成为理想的宇航材料，它的发展趋势从小部件扩大到大部件，从简单部件扩大到复杂部件，成为宇宙航空业发展的关键所在．另外，复合材料在汽车工业、机械工业、体育用品甚至人类健康方面的应用前景也十分广阔．
三、有机高分子材料的发展趋势
目前，世界上有机高分子材料的研究正在不断地加强和深入．一方面，对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和推广，使它们的性能不断提高，应用范围不断扩大．例如，塑料一般作为绝缘材料被广泛使用，但是近年来，为满足电子工业需求，又研制出具有优良导电性能的导电塑料．导电塑料已用于制造电池等，并可望在工业上获得更广泛的应用．另一方面，与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强，并且取得了一定的进展，如仿生高分子材料、高分子智能材料等．这类高分子材料在宇航、建筑、机器人、仿生和医药领域已显示出潜在的应用前景．总之，有机高分子材料的应用范围正在逐渐扩展，高分子材料必将对人们的生产和生活产生越来越大的影响．
隐形眼镜
角膜接触镜，俗称隐形眼镜．它是一种直接贴附在角膜表面的镜片，可随着眼球运动而运动，具有视力矫正作用．隐形眼镜可分为硬质、半刚性和软质三种，硬质隐形眼镜是由基本上不能透过氧的有机玻璃以及可渗透氧的硅氧烷和丙烯酸酯共聚物制成；半刚性隐形眼镜则是由可渗透氧和可维持角膜表面正常呼吸的硅橡胶制成，需使用专用的润湿溶液来保持润湿；为了满足舒适性和生理上的要求，目前大量使用的是软质隐形眼镜，最常用的是由聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)制成的中心厚度为mm的超薄镜片．HEMA分子是网状结构，使镜
片具有吸附和释放低分子液体的功能，含水量越高，镜片的功能越好，现在已经有了十几种新的材料．目前的软质隐形眼镜不能连续长期戴用，必须每天取下消毒．一些角膜重症及某些眼病患者也不适宜使用软质隐形眼镜
生物降解塑料开发概况
生物降解塑料又分为天然生物降解塑料、微生物降解塑料和化学合成生物降解塑料几大类,下面分别介绍。
2. 3. 1 天然生物降解塑料
天然生物降解塑料是指以天然聚合物为原料,可通过各种成型工艺制成生物降解塑料制品的一类材料。这类材料包括由淀粉、纤维素、甲壳素、大豆蛋白等天然聚合物及其各种衍生物和混合物。其中,热塑性淀粉已经产业化,其他天然材料尚处于基础研究阶段。
热塑性淀粉是采用一定技术改性淀粉使其具有热塑性,再加入各种可在自然环境中降解的添加剂或与其他可生物降解塑料配混,通过挤塑、注塑、吹塑或发泡等工艺加工成型的材料。有几种淀粉塑料的制备方法:
(1) 淀粉可塑化改性并与少量添加成分挤出; (2) 淀粉与生物降解聚酯共挤出;
(3) 改性淀粉与PVA 共混,并使其具有热塑性。
20 世纪90年代中期以后,江西省科学院、中科院长春应用化学研究所、华南理工大学、天津大学、天津工业大学材料科学与化学工程学院、中科院兰州化物所、绿维新材料(深圳)有限公司、武汉华丽科技有限公司等科研单位陆续推出了热塑性淀粉生物降解塑料的研究成果,制品包括薄膜、网、片材和发泡材料,但尚未规范化进入市场。目前,武汉华丽科技有限公司已开始热塑性淀粉产品商品化生产,规模10 kt/ a 。
蛋白质类的是通过采用甘油等增塑剂增塑植物蛋白,可以制得可模塑的蛋白塑料。上海交通大学对大豆蛋白进行了研究,清华大学高分子材料研究所对鸡蛋膜蛋白进行了研究,但是,其应用前景还相当遥远。
再生纤维素类,武汉大学化学与分子科学学院和湖北纤维厂承担国家863计划,研发了一种新的廉价的纤维素溶剂体系———尿素和氢氧化钠体系,用于天然纤维素的湿法纺丝或流延法成膜,以制造纤维和薄膜。另外,湖北工学院化工系采用生物发酵法合成了茁霉多糖(pullulan),并研究了它的成膜性及其膜性能,由于其极低的氧气透过率,适合用作食品保鲜包装材料,有望成为一种有前途的生物降解塑料。
2. 3. 2 微生物合成生物降解塑料
聚乳酸( PLA) 是以糖蜜等发酵制得的乳酸为原料,再通过直接缩合聚合法,或其
二聚体丙交酯开环聚合法等方法化学合成的。
中国聚乳酸研发还处于研究阶段。聚乳酸的合成主要采用丙交酯催化开环聚合的路线。通过催化剂的研究,提高聚乳酸的相对分子质量,降低聚乳酸的成本。目前,中科院成都有机所已经能合成相对分子质量达到百万的消旋聚乳酸,这种高相对分子质量的聚乳酸有很好的力学性能。开展研究工作的有中科院长春应用化学研究所、中科院成都有机化学研究所、中科院上海有机研究所、武汉大学、浙江大学、复旦大学、天津大学、南开大学、东华大学、华南理工大学、华东理工大学、北京理工大学等。最近,中科院长春应用化学研究所和浙江海生生物降解塑料股份有限公司正共同进行中试研究,产品性能基本达到Cargill Dow 公司产品水平,目前正在设计组建5 000 t 生产能力的示范生产线[2 ] 。
另外,上海同济大学开发成功了乳酸一步法直接缩聚制备聚乳酸的工艺,并作为上海“科教兴市”重大科技产业化项目将建立年产千吨级的聚乳酸生产线。该项目是具有自主知识产权的项目。另外的研究单位还有浙江轻工业学院等。
北京理工大学和原北京轻工业学院联合研究过采用化学合成的方法制备聚乳酸。
在聚乳酸的应用方面中科院成都有机所、中科院长春应用化学研究所正进行聚乳酸在医疗方面的应用,制品包括医用片材、骨螺钉、手术缝合线等医用材料。
中国聚羟基烷酸酯的研究最早开始于上世纪80年代中,武汉大学开展了生物合成聚羟基丁酸酯的研究,但是,工作未能进行下去,至上世纪90年代初,一些单位在国内不同部门的支持下,又开始了微生物发酵法合成聚羟基烷酸酯的研究工作。主要研究单位有中科院微生物所、清华大学生物系和化工系、中科院长春应用化学研究所、山东大学、无锡轻工大学、中科院成都生物研究所、西北工业大学等,生产单位有广东江门生物技术开发中心、广东汕头华逸生物工程公司、宁波天安生物材料有限公司等。其中宁波天安生物材料有限公司已具备年产聚羟基戊酸酯(PHBV)千吨的规模。
商业化生产PHBV 的关键是降低成本,已有人开始利用植物的叶子或根来生产PHBV ,如柳枝稷,如果这项技术成功,PHBV的价格有可能降低。
2. 3. 3 化学合成生物降解塑料
用微生物等方法合成的生物聚酯价格较高,是目前难以普遍采用的主要障碍,化学合成便于批量生产,降低成本。化学合成法开发的生物降解塑料的主要有各种脂肪族聚酯,前者主要品种包括聚己内酯(PCL) 、脂肪族聚碳酸酯(二氧化碳和环氧化合物共聚物或称聚二氧化碳) 等。另外,也在开始研究脂肪族聚酯和芳香族聚酯的共聚酯。
2. 3. 3. 1 脂肪族聚酯
当前,聚二氧化碳的合成研究是一个十分热门的环保课题,这一领域竞争非常激烈。中国从1985年由前期的国家自然科学基金开始立项研究,至今已近20年,主要的研究单位有中科院广州化学研究所、长春应用化学研究所、浙江大学、中山大学理工学院等。其中,中科院广州化学研究所主要采用聚合物负载的双金属催化体系(PBM),产品略带**,相对分子质
量较低。长春应用化学研究所以二氧六环作溶剂,采用三元混合稀土催化体系(稀土/ 烷基锌/ 甘油),得到了交替结构的产物,二氧化碳固定量接近50 % ,而且外观呈白色,硬度较高,催化效率高。浙江大学采用三元稀土催化剂(稀土/ 烷基铝/甘油) ,以二氧六环与甲苯作溶剂,得到相对分子质量较高的无规共聚物,但二氧化碳固定量低。另外,中国台湾清华大学(Chung- Sung2Tan) 也在研发PPC。
内蒙古蒙西集团公司采用长春应用化学研究所的技术,已建成年产3 kt 二氧化碳/环氧化合物共聚物的装置,产品主要应用在包装和医用材料上;中科院广州化学研究所的技术已在江苏泰兴开始投产,品种是低相对分子质量二氧化碳/环氧化合物共聚物,用来作为聚氨酯发泡材料的原材料,用于家用电器等包装。
中科院上海有机化学研究所在详细研究了聚丁二酸丁二醇酯( PBS)的耐水性、稳定性等的基础上,开发了高效催化体系,合成了高稳定性高相对分子质量的聚丁二酸丁二醇酯,重均相对分子质量可达到250 000。另外,中科院理化研究所也在进行聚丁二酸丁二醇酯共聚酯的合成研究。
四川大学化学学院低成本合成了对二氧环己酮,为制备聚对二氧环己酮创造了条件。他们的工作也涉及聚对二氧环己酮的接枝和共混改性。
2. 3. 3. 2 脂肪族/ 芳香族共聚酯
热塑性芳香族聚酯热性能稳定,力学性能优良,便于加工,价格低廉,自从工业化以来,已经发展成为一类用途广泛的树脂,但芳香族聚酯生物降解性很差,不能单独作为生物降解塑料使用,因此,设计合成了脂肪族/芳香族共聚酯(CPEs) ,使其既有脂肪族聚酯的可生物降解性又有芳香族聚酯的力学性能。自20 世纪80年代,尤其90年代以来,有许多研究者致力于此领域的研究,并取得了丰硕的成果。至21 世纪初,一些世界着名的化学公司相继推出各种可生物降解的脂肪族/芳香族共聚酯商品。
脂肪族/芳香族共聚酯原料来源广泛,其中许多是大规模工业化原料,且整个生产过程不需要另外添置设备,在现有的条件下即可进行生产,所以,不仅生产技术较成熟,而且可获得廉价的产品,有利于生物降解塑料的市场化应用。
用于合成脂肪族/ 芳香族共聚酯的芳香族组分通常有:聚对苯二甲酸乙二醇酯( PET) 、聚对苯二甲酸丁二醇酯( PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯( PPT) 、聚间苯二甲酸乙二醇酯( PEIP) 和聚对苯二甲酸二甲酯(DMT) 等; 脂肪族组分通常有乙二醇(EG) 、丙二醇(PDO) 、1 ,4 - 丁二醇(BDO) 、环己烷二甲醇(CHDM)等二元醇和琥珀酸(Succinicacid)、己二酸(Adipicacid) 、癸二酸( Sebacicacid) 、富马酸( Fumaricacid) 、草酸等二元酸,乙醇酸(GA) 、L - 乳酸(LA) 、二羧酸酰氯等双官能度单体及聚乙二醇( PEG) 、聚四氢呋喃( PTMG) 、PGA、PLA、PCL等聚合物。
合成脂肪族/ 芳香族共聚酯有3 种常用的方法: ①PET 等芳香族组分与PEG、PGA、PLA、PCL等聚合物直接在高温、高真空度下进行酯交换反应; ②将二元醇、二元酸等与DMT一起投入反应釜中,先在相对较低的温度下进行酯交换反应,然后再升高温度、提高真空度,进行熔融缩聚反应; ③将对苯二甲酸乙(丁)二醇酯或其衍生物与二羧酸酰氯等溶解
在有机溶剂中,在适宜的温度下进行溶液缩聚。
国内研究脂肪族/ 芳香族共聚酯材料的单位有北京理工大学、成都有机研究所等,但目前还未见有商业化产品推出。
3 发展趋势
回顾中国生物降解塑料的研究开发历程,发现产业界和学术界各自独立开展工作,交流很少。产业界盲目引进了多条聚烯烃/淀粉塑料生产线,学术界独立开展全生物降解塑料的研究,未能和产业界紧密结合,结果,影响了中国生物降解塑料发展。今后,在生物降解塑料的研发进程中,要加强学术界和产业界的联系和交流,促进中国生物降解塑料的健康发展。
在中国,依赖于石油资源的塑料制品对环境的污染仍是一个迫切需要解决的问题。有希望担当此重任的生物降解塑料品种主要有热塑性淀粉、聚二氧化碳/环氧化合物、聚羟基丁酸戊酸酯和聚乳酸等,目前总能力约在20 kt ,国内市场的实际用量还很小。鉴于国内市场对价格的承受能力较小以及人们的环保意识还不够,国内生产企业都将目光转向了国外市场,如日本、韩国和欧洲。
在应用领域,降解塑料地膜经上世纪90 年代的大规模试验,其结果表明了降解塑料地膜降解和应用的复杂性,同一配方的降解塑料地膜在不同的地方、对不同的作物有不同的降解表现,必须通过应用研究才能推广使用。为此,降解塑料地膜的实际推广受到了阻碍,虽然有需求,但是,应用终未能走向普及。降解塑料在地膜上的应用还是一个未能解决的问题,是今后需要进一步开发的应用领域。
在大量的一次性使用的塑料包装袋、餐具等应用领域,用生物降解塑料去替代不可降解塑料,因受到经济原因的制约,也尚未形成其应有的市场。在这一领域,生物降解塑料的任务是进一步降低成本,提高性能,推进市场化。
生物降解塑料在其他领域的应用,如卫生用品、光盘盒、文具、家电零部件方面的应用应该引起重视。
4 结语
以建立生物降解塑料各项标准为核心,以生物降解塑料研发为主体,中国正在重组科研和生产队伍,经过锲而不舍的努力,生物降解塑料产品正向着实现商品化的方向发展。另一方面,生物基聚合物由于其可再生资源原料的优势,在产品市场上甚至正在取得更快的进展。
3有机／高分子材料有机／高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面广的通用高分子材料需要不断地升级改造，以降低成本、提高材料的使用性能；另一方面各类新型的高分子材料将应运而生，尤其是有机及聚合物分子或少数分子组合体的光、电和磁特性将成为高分子向功能化以及微型器件化发展的重要方向。（1）分子材料与分子电子器件研究该领域的主要研究方向是：新型功能分子的设计、合成与组装；分子纳米结构的构筑；分子的组装、
自组装以及自组装技术在分子电子器件上的应用研究。这些分子电子器件主要包括分子电开关、分子光开关和分子电光开关的设计、分子导线、分子整流器、分子开关、分子晶体管、分子马达及分子逻辑器等。（2）光电信息功能高分子材料研究重点主要在：●有机／高分子光子晶体材料：探索有机／高分子形成光子材料的途径；●超高密度高分子存储材料：开发存储密度高的高分子材料；●高分子传输材料：研究和开发应用于通讯传输的具有较高光学透过性，光学均匀，且高折射率、低光损耗的高分子塑料光纤；
●高分子显示材料：有机／高分子电致发光材料、高分子液晶材料等，其发展方向为开发出具有高的电致发光效率、低驱动电压，具有不同发光波长（彩色）和长寿命的各种发光器件。（3）生物医用高分子材料包括：●药物载体与控释材料：研究适于各类药物的新型生物降解高分子载体和控释材料的设计与合成，药物与载体的相互作用以及药物载体体系的生物医学性能（注射、口服、吸收、分布、排泄等）评价；●诱导组织自修复与再生材料：研究能够诱导组织自修复与再生新型生物降解材料的设计与制备，材料的形态、孔度、降解速度等与组织自修复和再生过程的相互作用关系；●生物医用材料的表面修饰以及生物相容性研究：研究不同结构的生物医用材料表面修饰新方法以解决材料的生物相容性问题等。（4）与能源、环境相关的高分子功能材料●燃料电池、太阳能电池的关键高分子材料：研究高能、长寿命固态电池及相关电极材料；研究不同有机光敏染料和纳米半导体结构体系的太阳能电池，柔性、薄膜太阳能电池的研究将是未来发展的重要方向；
●吸收／分离高分子材料：重点研究用于废气与废水处理的功能材料；具有高选择性吸附、分离功能的膜及纳米介孔材料等；●环境敏感材料与材料智能化：研究对微量有害物质等环境因素高灵敏度感应和传感材料及危害防护材料等；●绿色、环保高分子材料研究：重点研究天然高分子材料（如淀粉、纤维素等）的改性等