新型高分子材料的研发及应用进展

新型高分子材料的研发及应用进展

王旭

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摘要：化工行业是高耗能、高污染行业，近年，在我国绿色环保理念的倡导下，化工企业亟待转变生产模式，积极推动高分子材料合成与应用的绿色创新发展。本文指出高分子材料合成与应用中存在的问题，提出了实现绿色化工的三个基本途径，即低碳化、清洁化和节能化。从高分子材料绿色制备技术、绿色加工技术及绿色应用技术三方面进行了探讨。

关键词：新型；高分子；材料研发；应用进展

引言

随着我国基础设施建设的迅速发展，人们对于结构的使用要求越来越多样性，除木材、石材、水泥、砖块、混凝土、钢筋等传统建筑材料外，高分子材料因其抗拉性能好、耐冲击、抗开裂、质量轻、耐磨、耐腐蚀、易加工等特点也逐渐应用于建筑工程，使得建筑材料的功能不断完善和扩展。大量研究表明，通过改性后的高分子材料无论在强度还是功能性上都得到很大的提升，本文对目前建筑工程中使用较多的单一高分子材料PVC和纤维增强树脂复合材料（FRP）及木塑复合材料的本构和力学性能研究进行了综述。

1酰胺基材料

在高分子主链上，如果存在重复的酰胺基单元，我们通常把它归类为酰胺基材料。脂肪族、半芳香族酰胺基材料称为尼龙，全芳香族通常称之为芳纶。间位芳纶俗称芳纶1313酰胺基材料，是常用的芳纶材料它有非常好的特殊性能，所以国际上把它应用在很多比较苛刻的环境和条件下。从产业链来看，我国现在最强的是基础原材料单体，芳纶制品等仍在不断开发、不断推进和不断验证的过程当中。

飞机轴承上常用的自润滑衬垫，采用间位芳纶纤维和聚四氟乙烯纤维，经过编织以后，再经酚醛树脂浸渍涂覆，然后用在衬垫里面。这是飞机上常用的一个关键部件，经过十几年的发展，我们打通了各个环节，包括轴承制造、纤维编织、浸渍涂覆等，剩下最后一公里就是纤维。

最近几年我们重点突破了纤维制造技术。国内以前也有芳纶纤维的生产，而且产量比较大，但是和国外比起来仍然有差距。国外树脂是连续聚合，而国内是间歇聚合，这样纤维性能相对不稳定，在开始聚合的低温控制不是很精确，后面溶液黏度上升以后，它的搅拌和散热又相对比较困难，这样就造成产品不仅性能不好，表观还会有发黄等缺点。

我们现在开发的连续聚合技术，在一定程度上克服了这些问题，使树脂的质量大幅度提高。此外还有一个问题，国外大多采用干法纺丝，而国内之前采用的是湿法纺丝，湿法纺丝导致产品表面的缺陷很多，纤维的取向度和结晶度也不够。我们采用了干喷湿纺技术以后，改善了纤维产品外观，而且提升了产品性能。从第三方测试数据看，在做成衬垫以后，它的摩擦系数和国外相当，磨耗量比国外有明显下降，现在产品在积极推进使用过程中。芳纶纤维还是做芳纶蜂窝纸的材料。芳纶蜂窝是在飞机上大量应用的、性能优异的复合材料，它在客机、直升机、无人机等机型的很多部位上都有应用。

一个原因是上文说的国内纤维有一定的差距，另一个原因就是纸的成型工艺也有一定的差异，与国外比较，性能上最后体现出了差距。因此，之前我们虽然提供蜂窝，但是纸还是依赖进口。在前期研究基础上，我们先解决了纤维强度的问题，同时解决了纸配方中另外一个重要组分沉析纤维制备的问题，使它比表面积和表面结构得到了大幅度提升。我们采用长网成形工艺。这个工艺有什么特点？它能在比较长的时间内进行相对缓慢的脱水，这样就制成了芳纶蜂窝纸。它是三维结构，最短维度（厚度）方向上的结构对使用性能要求影响非常大，它表面要有一定的透气性，这样后期做芳纶蜂窝浸胶的时候，能够使胶和纸非常好地浸润在一起，保持非常好的黏接性能，同时保证胶不浸透纸的表面，不进入纸的内部结构，否则做出来的蜂窝发脆，韧性不好。我们现在已经能够做出性能合格的纸，最终做出合格的蜂窝。

2新型高分子材料的特点

高分子材料是以高分子化合物为基体，再配以其他添加剂构成的材料，也称聚合物材料，包括橡胶、塑料、纤维等。现代工程技术的进步推动了高分子复合材料的发展，高分子复合材料性能比天然高分子材料更为优越，因此虽然发展时间仅短短几十年，但是应用已经非常普遍。

2.1聚氯乙烯（PVC）

聚氯乙烯（PVC）是世界上产量最大的高分子材料之一，具备耐腐蚀性好、强度高、质量轻、成本低廉等优点，2007年以来，我国PVC产能总体上呈增长趋势，近几年，中国PVC消费构成中，硬制品比例不断提高，随着国家建筑行业不断的进步，PVC管材与型材等硬质品消费比例不断提高，比例已经达到56.2%。

2.2 FRP复合材料

纤维增强复合材料FRP（Fiber-ReinforcedPolymer/Plastic）是通过缠绕、模压或拉挤等成型工艺对基体材料和纤维增强体进行加工形成。研究表明，在常用的几种纤维增强复合材料中，CFRP质量仅为钢材的20%但是弹性模量却与之等同，抗拉强度和比强度极高，目前使用最为广泛的是GFRP，AFRP是所有FRP中综合性能最好的，密度较GFRP低40%，抗碱性和延伸率较CFRP更强，BFRP是近年兴起的新型高分子材料，废弃后可以在环境中直接降解，绿色环保。由于FRP材料在强度及刚度、抗疲劳、抗化学腐蚀等方面具有性能优势使得其在土木工程中的应用与研究逐渐成为热点。

2.3木塑复合材料

木塑材料（Wood-PlasticComposites,WPC）是一种由塑料与植物纤维经热压复合、熔融挤出等不同加工方式制成的一种新型复合材料。木塑复合材料密度低于木材，更是远远低于钢材，刚度与承载能力高于木质与全塑材料，耐用性比纯木材高7～10倍，具有良好的耐老化性、耐酸碱，加工时可将废弃木材和塑料进行充分的循环利用，是一种较为理想的绿色环保材料。

3高分子材料合成研究

3.1高分子材料绿色制备技术

传统的高分子材料合成过程中会应用大量挥发性强、毒性大的有机溶剂和催化剂等，生成大量有机挥发物质；同时，一些高分子材料合成工艺繁琐，耗时较长，造成极大水资源和能源的浪费。因此，亟待开发一种新型的环境友好、资源节约的高分子材料制备技术，实现材料的绿色制备。

3.1.1流体辅助加工技术

通过将流体引入到高分子材料的加工环节中，在流体压力流动和冷却作用下加工高分子材料产品。该技术具有装置简单、对设备损耗小、能耗低、制备工艺可控性强等优势，是现代高分子材料绿色加工技术的重要代表。

3.1.2辐射加工技术

高分子材料在电离辐射下可形成性质活泼的中间体和自由基，该反应过程在室温常压环境下进行，具有清洁、高效、污染低的特点。目前，辐射技术在化工领域的应用主要包括通过辐射技术诱导发生交联、降解反应等，在高分子改性领域发展前景广阔。

3.1.3动态反应加工一体化技术

传统的高分子材料制备过程主要有两步，反应过程复杂、耗时长、能耗高、效率低，造成严重的资源和能源浪费。动态反应成型一体化技术是将材料的合成与加工过程合并，实现整个过程一体化的动态控制，不仅节约时间，还降低能耗，提升产品品质。目前，该工艺在制备聚氨酯泡沫材料等领域应用较多。

3.2高分子材料绿色应用技术

物理循环又称为“机械回收”。主要过程是先收集、分类后，再进一步分离和干燥，通过熔融加工再利用。由于在该系列过程中，材料本身分子结构会遭到一定破坏，材料性能难免发生不同程度的降低，可通过加入添加剂等方式提升材料性能。目前，物理回收是简单、经济的回收方式，几乎适用于所有的热塑性高分子材料，不足之处在于过程中会导致材料部分性能的降低或丧失。

结语

这也是一个学习的过程，拿到答案以后就可以要求国内的供应商按照这样的标准去实现，在比较长的一段时间内，既有一家国外供应商，又有一家国内供应商，既安全又有发展空间。据我了解，现在中国高铁上只有少数几种产品和国际水平还有一定的差距，这些主要是基础材料和基础器件。

参考文献

[1]杨瑞芳,周毅英.新型高分子材料在建筑工程中的应用[J].工程塑料应用,2016,44(07):147-150.