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化学,就在我们身边 - 人类进入新型合成材料时

文章作者:红旗仪表(江苏)有限公司发布时间:2019-03-04

【摘要】2010年,中国新材料产业的市场规模超过800亿元;相关专家指出,至2015年,这一数值将达到2000亿元左右,增长空间巨大,在不远的将来,各种新型材料都有望得到研制开发,比如可被随意挤压成形的凝胶材料、可以制作隐身斗篷的隐身材料、透光混凝土材料、气凝胶材料等等

———— 材料新闻 ————

  中国新资料产业市场增长空间宏大

  据悉,工信部协同多部委共同编制的《新资料产业“十二五”开展规划》,将于今年8月发布施行。据统计,目前新资料产业约占我国国内消费总值的15%,估计年增长速度坚持在20%以上。数据显现,目前,全球新资料市场范围每年曾经超越4000亿美圆,而由新资料带动产生的新产品和新技术市场则更为宽广,年停业额打破2万亿美圆。2010年,中国新资料产业的市场范围超越800亿元;相关专家指出,至2015年,这一数值将到达2000亿元左右,增长空间宏大。

  资料是人类社会生活的物质根底,资料创新则是科技进步的集中表现。往常,新资料的研发程度及成果转化范围正逐步成为权衡一个国度经济开展和科技进步的重要标志。资料与化学之间有何关系?聚合物资料、复合资料以及纳米资料等新资料有何优势?当前的研发、运用现状如何?带着这些问题,记者采访了北京化工大学资料科学与工程学院隋刚教授。

  ———— 专家解读 ————

  控制化学反响,合成新资料

  “不同的资料具有不异化学组成,即使是化学元素相同,因其原子排列、分子构象发作变化,也会构成物理性质完整不同的资料。因而,资料与化学是两个亲密相关的学科。从化学成分角度能够将资料划分为金属资料、无机非金属资料以及有机高分子资料。随着资料研讨程度的进步,人类早已超越自然资料时期,进入了合成资料时期。”隋刚教授首先概括引见了资料与化学之关系。

  接着,隋刚教授进一步解释说:“往常,资料与化学的关系日益亲密,应用化学手腕,能够设计新的分子构造,经过控制化学反响过程合成出新资料,满足人类社会开展和生死水平进步的需求。其中有机高分子资料,也称作聚合物,就是一类最重要的合成资料,它是由许多个单体分子经聚合反响而成的。”

  应用化学,“改造” 聚合物资料

  塑料、橡胶、合成纤维……我们的消费与生活早已离不开这些常见的聚合物资料。而它们的研发与应用,离不开化学学科的奉献。

  依据聚合物分子的化学构造,能够把有机高分子资料分为热塑性和热固性两大类。热塑性聚合物在恰当溶剂中能够溶解,加热到一定温度可以凝结活动,能够重复加工成型,主要在室温或较低温度下运用,如尼龙、聚苯乙烯等。而热固性聚合物,如环氧树脂和酚醛树脂等,在成型前是可溶可熔的,但经过化学交联反响就变为不溶不熔的固体,即便加热至碳化也不会再软化。普通来说,热固性资料的模量和耐热性要优于热塑性聚合物,但韧性较差。

  化学是怎样“改造”聚合物资料的呢?隋刚教授解释说:“为了让聚合物资料具有更优良的综合性能,能够采用化学办法停止性能改良。例如,在高分子链中引入芳环构造,可以有效进步热塑性聚合物的模量和耐热性,聚芳砜(PASF)、聚苯硫醚(PPS)等热塑性聚合物的热变形温度能够到达250℃以上。而在热固性聚合物中,经过引入不异化学构造的固化剂停止交联,也能够使资料的模量和韧性得到调理。”

  改动化学构造,催生复合资料

  随着科技和工业的开展,对资料性能的请求不时进步,单一化学构造的资料已无法满足某些运用需求,复合资料越来越得到人们的注重。由于复合资料能够将不异化学构造、物理性质的资料组分分离在一同,发挥各自的性能优势,经过构造设计满足高性能和特殊功用请求,因此遭到资料研讨专家的高度注重,应用范围不时扩展。

  在航空、航天、能源、交通、军事和体育等范畴,有着高强度、高模量和耐高温性能的先进复合资料发挥着不可替代的作用。

  隋刚教授以树脂基复合资料为例,对复合资料的普遍应用停止了简单阐明:“这是技术开展比拟成熟,运用范围最普遍的一类复合资料,普通是由短切纤维、连续纤维及其织物加强热固性或热塑性聚合物基体而成。

  在航空方面,碳纤维树脂基复合资料在减轻构造重量、进步构造效率、改善构造牢靠性、延长构造运用寿命方面,具有其他资料无法比较的优势,曾经是应用于A380、波音787等飞机的主构造资料。

  在航天方面,固体火箭发起机壳体、液体燃料贮箱、仪器舱段、卫星整流罩等重要部件也都是由复合资料制造的。而风能和核能发电设备、轻量化汽车、体育休闲用品等更是离不开复合资料的身影。此外,在集成电路、电磁屏蔽、隐身体料以及生物组织工程等方面,复合资料同样大有可为。”

  有机化学修饰,带来纳米资料范畴新停顿

  资料科学开展到今天,纳米资料越来越多地得到人们的关注。纳米粒子具有许多不同于常规固体的新奇特性,而且,仅用少量的纳米填料就可完成复合资料性能的进步。因而,纳米资料范畴遭到不少复合资料研讨人员的注重与喜爱。不过,由于碳纳米管和碳纳米纤维等一维纳米资料在聚合物基体中易聚会、界面粘结差,难以发挥性能优势,这让不少研讨者都颇为伤神。针对此项难题,隋刚教授停止了多年研讨,终于有所收获。

  “我们对碳纳米资料外表停止了有机化学修饰,并经过与特殊化合物的力化学反响及后处置技术,得到液态的纳米添加物。这种液态纳米添加物在环氧树脂等聚合物基体中不汇集不缠绕,易于分散,并具有恰当的反响活性,可以和环氧树脂基体发作化学及物理分离,构成一种超分子构造。”隋刚教授这样说。

  当问到这种纳米添加物与传统工艺的简单混合以及普通化学接枝有何不同时,隋刚教授解释道:“它消弭了纳米粒子关于环氧树脂黏度的影响,可以经过共价键链接在环氧树脂分子链上,平均散布在环氧树脂交联网络之中,发挥加强作用。同时,经过调理交联网络密度,改善资料韧性。此外,还能够降低环氧树脂外表能,进步热稳定性,改善聚合物基体与碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维等加强资料的界面黏接。经过碳纳米资料和连续纤维的多尺度协同加强作用,可同时完成纳米复合资料的高强、高韧和良好的界面性能。”(文·实习生 马媛媛)

  ■ 延伸阅读

  资料与化学的“双重变奏史”

  资料的每一次开展,都影响着科学技术范畴的整体程度,并给人们的生活带来宏大的变化。没有半导体单晶硅资料就不可能有今天的微电子产品,没有先进复合资料也不可能有航空航天工业的飞速开展。

  自然橡胶产品呈现于19世纪初期,但由于它在酷热天气下会变软,而在冰冷天气下又会变脆,在适用性方面存在很大障碍。1839年创造的自然橡胶硫化技术处理了这一难题,化学促进剂和稳定剂的参加改善了自然橡胶存在的问题,而这一根本办法现今仍在运用。

  从20世纪20年代早期实验火箭的初次发射,到50年代的通讯卫星,再到80年代的可反复运用的航天飞机,人类在探究太空方面获得了骄人的业绩。在这一过程中,化学技术提供了契合设计请求的资料。研制出来的铝、钛合金为飞机制造提供了强度高、重量轻、耐高温和耐腐蚀的资料。随着对碳纤维及复合资料研讨的不时深化,其技术和产品也逐步进入军用和民用范畴,如用作飞机构造资料、电磁屏蔽除电资料、人工韧带等人体代用资料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

  在不远的未来,各种新型资料都有望得到研制开发,比方可被随意挤压成形的凝胶资料、能够制造隐身斗篷的隐身体料、透光混凝土资料、气凝胶资料等等。

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