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化學,就在我們身邊 - 人類進入新型合成材料時

時間:2020-03-02

【摘要】2010年,中國新材料產業的市場規模超過800億元;相關專家指出,至2015年,這一數值將達到2000億元左右,增長空間巨大,在不遠的將來,各種新型材料都有望得到研制開發,比如可被隨意擠壓成形的凝膠材料、可以制作隱身斗篷的隱身材料、透光混凝土材料、氣凝膠材料等等

———— 材料新聞 ————

  中國新資料產業市場增長空間宏大

  據悉,工信部協同多部委共同編制的《新資料產業“十二五”開展規劃》,將于今年8月發布施行。據統計,目前新資料產業約占我國國內消費總值的15%,估計年增長速度堅持在20%以上。數據顯現,目前,全球新資料市場范圍每年曾經超越4000億美圓,而由新資料帶動產生的新產品和新技術市場則更為寬廣,年停業額打破2萬億美圓。2010年,中國新資料產業的市場范圍超越800億元;相關專家指出,至2015年,這一數值將到達2000億元左右,增長空間宏大。

  資料是人類社會生活的物質根底,資料創新則是科技進步的集中表現。往常,新資料的研發程度及成果轉化范圍正逐步成為權衡一個國度經濟開展和科技進步的重要標志。資料與化學之間有何關系?聚合物資料、復合資料以及納米資料等新資料有何優勢?當前的研發、運用現狀如何?帶著這些問題,記者采訪了北京化工大學資料科學與工程學院隋剛教授。

  ———— 專家解讀 ————

  控制化學反響,合成新資料

  “不同的資料具有不異化學組成,即使是化學元素相同,因其原子排列、分子構象發作變化,也會構成物理性質完整不同的資料。因而,資料與化學是兩個親密相關的學科。從化學成分角度能夠將資料劃分為金屬資料、無機非金屬資料以及有機高分子資料。隨著資料研討程度的進步,人類早已超越自然資料時期,進入了合成資料時期。”隋剛教授首先概括引見了資料與化學之關系。

  接著,隋剛教授進一步解釋說:“往常,資料與化學的關系日益親密,應用化學手腕,能夠設計新的分子構造,經過控制化學反響過程合成出新資料,滿足人類社會開展和生死水平進步的需求。其中有機高分子資料,也稱作聚合物,就是一類最重要的合成資料,它是由許多個單體分子經聚合反響而成的。”

  應用化學,“改造” 聚合物資料

  塑料、橡膠、合成纖維……我們的消費與生活早已離不開這些常見的聚合物資料。而它們的研發與應用,離不開化學學科的奉獻。

  依據聚合物分子的化學構造,能夠把有機高分子資料分為熱塑性和熱固性兩大類。熱塑性聚合物在恰當溶劑中能夠溶解,加熱到一定溫度可以凝結活動,能夠重復加工成型,主要在室溫或較低溫度下運用,如尼龍、聚苯乙烯等。而熱固性聚合物,如環氧樹脂和酚醛樹脂等,在成型前是可溶可熔的,但經過化學交聯反響就變為不溶不熔的固體,即便加熱至碳化也不會再軟化。普通來說,熱固性資料的模量和耐熱性要優于熱塑性聚合物,但韌性較差。

  化學是怎樣“改造”聚合物資料的呢?隋剛教授解釋說:“為了讓聚合物資料具有更優良的綜合性能,能夠采用化學辦法停止性能改良。例如,在高分子鏈中引入芳環構造,可以有效進步熱塑性聚合物的模量和耐熱性,聚芳砜(PASF)、聚苯硫醚(PPS)等熱塑性聚合物的熱變形溫度能夠到達250℃以上。而在熱固性聚合物中,經過引入不異化學構造的固化劑停止交聯,也能夠使資料的模量和韌性得到調理。”

  改動化學構造,催生復合資料

  隨著科技和工業的開展,對資料性能的請求不時進步,單一化學構造的資料已無法滿足某些運用需求,復合資料越來越得到人們的注重。由于復合資料能夠將不異化學構造、物理性質的資料組分分離在一同,發揮各自的性能優勢,經過構造設計滿足高性能和特殊功用請求,因此遭到資料研討專家的高度注重,應用范圍不時擴展。

  在航空、航天、能源、交通、軍事和體育等范疇,有著高強度、高模量和耐高溫性能的先進復合資料發揮著不可替代的作用。

  隋剛教授以樹脂基復合資料為例,對復合資料的普遍應用停止了簡單闡明:“這是技術開展比擬成熟,運用范圍最普遍的一類復合資料,普通是由短切纖維、連續纖維及其織物加強熱固性或熱塑性聚合物基體而成。

  在航空方面,碳纖維樹脂基復合資料在減輕構造重量、進步構造效率、改善構造牢靠性、延長構造運用壽命方面,具有其他資料無法比較的優勢,曾經是應用于A380、波音787等飛機的主構造資料。

  在航天方面,固體火箭發起機殼體、液體燃料貯箱、儀器艙段、衛星整流罩等重要部件也都是由復合資料制造的。而風能和核能發電設備、輕量化汽車、體育休閑用品等更是離不開復合資料的身影。此外,在集成電路、電磁屏蔽、隱身體料以及生物組織工程等方面,復合資料同樣大有可為。”

  有機化學修飾,帶來納米資料范疇新停頓

  資料科學開展到今天,納米資料越來越多地得到人們的關注。納米粒子具有許多不同于常規固體的新奇特性,而且,僅用少量的納米填料就可完成復合資料性能的進步。因而,納米資料范疇遭到不少復合資料研討人員的注重與喜愛。不過,由于碳納米管和碳納米纖維等一維納米資料在聚合物基體中易聚會、界面粘結差,難以發揮性能優勢,這讓不少研討者都頗為傷神。針對此項難題,隋剛教授停止了多年研討,終于有所收獲。

  “我們對碳納米資料外表停止了有機化學修飾,并經過與特殊化合物的力化學反響及后處置技術,得到液態的納米添加物。這種液態納米添加物在環氧樹脂等聚合物基體中不匯集不纏繞,易于分散,并具有恰當的反響活性,可以和環氧樹脂基體發作化學及物理分離,構成一種超分子構造。”隋剛教授這樣說。

  當問到這種納米添加物與傳統工藝的簡單混合以及普通化學接枝有何不同時,隋剛教授解釋道:“它消弭了納米粒子關于環氧樹脂黏度的影響,可以經過共價鍵鏈接在環氧樹脂分子鏈上,平均散布在環氧樹脂交聯網絡之中,發揮加強作用。同時,經過調理交聯網絡密度,改善資料韌性。此外,還能夠降低環氧樹脂外表能,進步熱穩定性,改善聚合物基體與碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維等加強資料的界面黏接。經過碳納米資料和連續纖維的多尺度協同加強作用,可同時完成納米復合資料的高強、高韌和良好的界面性能。”(文·實習生 馬媛媛)

  ■ 延伸閱讀

  資料與化學的“雙重變奏史”

  資料的每一次開展,都影響著科學技術范疇的整體程度,并給人們的生活帶來宏大的變化。沒有半導體單晶硅資料就不可能有今天的微電子產品,沒有先進復合資料也不可能有航空航天工業的飛速開展。

  自然橡膠產品呈現于19世紀初期,但由于它在酷熱天氣下會變軟,而在冰冷天氣下又會變脆,在適用性方面存在很大障礙。1839年創造的自然橡膠硫化技術處理了這一難題,化學促進劑和穩定劑的參加改善了自然橡膠存在的問題,而這一根本辦法現今仍在運用。

  從20世紀20年代早期實驗火箭的初次發射,到50年代的通訊衛星,再到80年代的可反復運用的航天飛機,人類在探究太空方面獲得了驕人的業績。在這一過程中,化學技術提供了契合設計請求的資料。研制出來的鋁、鈦合金為飛機制造提供了強度高、重量輕、耐高溫和耐腐蝕的資料。隨著對碳纖維及復合資料研討的不時深化,其技術和產品也逐步進入軍用和民用范疇,如用作飛機構造資料、電磁屏蔽除電資料、人工韌帶等人體代用資料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等。

  在不遠的未來,各種新型資料都有望得到研制開發,比方可被隨意擠壓成形的凝膠資料、能夠制造隱身斗篷的隱身體料、透光混凝土資料、氣凝膠資料等等。

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