高性能高分子材料体系梳理及国内外发展现状
材料是人类赖以生存和发展的物质基础,新材料产业作为战略性新兴产业的重要组成部分,是发展其他各类高新技术产业的物质基础,是抢占科技和经济发展制高点的重要支撑。 高分子材料是新材料中的一大类,在国民经济及国防建设中发挥着重要作用。目前,我国已成为世界高分子材料生产与消费第一大国。 目前,欧美国家凭借先发优势,在技术和市场上占据优势地位。我国虽然在高分子材料产业规模方面已居世界第一,但主要以通用品种为主,电子、医疗及航空航天领域用高端品种仍大量从国外进口;除生物基高分子材料方面与国外基本处于同一发展水平之外,大部分类别的高分子材料仍缺乏原创技术支撑,部分关键设备尚不能完全自立;总体上尚未形成完善的材料体系,产品以仿制国外品种为主,总体质量不稳定,且深加工制品牌号少。
高分子材料产品种类繁多,应用广泛,其中具有耐高温、高强高模、高绝缘、耐辐照等优异性能,并且在国防装备和国民经济领域有重大应用需求的高性能高分子材料和绿色低碳的高分子材料主要包括:高性能树脂及工程塑料、有机纤维、生物基树脂及可降解材料、特种橡胶及弹性体等。具体分类及应用需求见表1。

(一) 高性能树脂及工程塑料
一直以来,西方发达国家不断扩展聚芳醚、聚酰亚胺等高端高性能树脂及工程塑料的应用领域,如聚醚醚酮(PEEK)具有优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能,在航空航天、生物医疗、机器人等领域应用广阔。
美国波音公司的B757民航客机采用玻璃纤维与PEEK复合,以注射成型的方法制备发动机整流罩,该材料具备抗恶劣条件如高湿度、超声振动、高流速等特点,质量比金属制品减轻约30%,价格降低约90%。
在植入性医疗器械领域,已陆续开发出脊柱融合器械、膝关节和髋关节置换部件、接骨板和髓内钉、颅颌面、种植体等产品,成为了应用最广泛的生物医用非金属材料。
在机器人等新兴领域,由于PEEK材料满足高强度、轻量化的要求,也显示出较高的应用潜力。2023年,特斯拉汽车公司展示了Optimus-Gen2人形机器人,因采用了PEEK复合材料,在不牺牲性能的情况下减重10 kg,行走速度加快30%。
近年来,发达国家竞相开发耐热等级更高、加工性能优异的新型聚芳醚砜、聚芳醚酮等高性能树脂。
美国的杜邦公司和德国的巴斯夫公司针对PEEK进行了相应的技术改进,开发出耐热等级更高的聚醚酮(PEK)和聚醚酮酮(PEKK)产品,但上述高性能树脂均未解决难溶解、难加工、成本高的问题。
目前国际上应用面最广的高性能树脂仍然是聚醚醚酮、聚醚砜等,使用温度均在240 ℃以下,并且当使用温度超过其玻璃化温度后,机械性能将会大幅度下降。
(二) 有机纤维
目前,高性能有机纤维领域依然以美国、日本、德国和荷兰为主导。
在高性能超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维方面,荷兰皇家帝斯曼集团是世界上率先形成UHMWPE纤维产业化的公司,也一直是UHMWPE纤维行业的引领者,其他生产商还包括美国霍尼韦尔国际公司以及日本的东洋纺织株式会社、三井化学株式会社等。
在PBO纤维方面,1991年日本东洋纺织株式会社购买了道康宁公司关于PBO纤维研究的全部专利,并开始进行独立研发,直到目前,日本东洋纺织株式会社仍然是世界唯一一家可以规模生产PBO纤维的公司。
有机纤维中最具代表性的是芳纶纤维,其工业化品种主要为对位芳纶和间位芳纶,具有高强高模、耐高温、阻燃等特性,在航空航天、防护装备、交通运输、环境保护、体育器材等领域具有广泛应用。
目前,芳纶的主要生产厂家主要集中在美国、亚洲和欧洲等地区,其中美国杜邦公司和日本帝人公司拥有规格完整的产品系列,占据了全球主要市场。
俄罗斯在技术上另辟蹊径,开发出综合性能更优异的杂环芳纶系列产品,区别于美国杜邦公司的间位芳纶和对位芳纶。
在合成技术方面,以对位芳纶为例,主要有界面缩聚法和低温溶液缩聚法两种。相比之下,低温溶液缩聚法是目前国内外工艺最成熟的合成芳纶纤维方法,其产品质量更稳定,适合大规模合成,但工艺相对复杂,溶剂浪费较多,且溶剂残留对后续纺丝造成不利影响。
因此,需对其合成工艺进一步优化,提高分子量、减小分子量分布宽度;对纺丝工艺进行优化,进一步提升成品率,降低成本,提高竞争力。
近年来,帝人公司与BioBTX、Syncom公司一起,率先使用生物质原料试制高性能对位芳纶,可减少生产过程中的碳足迹。
(三) 生物基树脂及可降解材料
2021年,亚太地区(含中国、日本、韩国等)在生物基树脂及可降解材料领域的市场份额为49.9%,占据主导地位;北美(含美国、加拿大、墨西哥)占据第二位。目前,PLA是全球范围内产业化最成熟、产量最大、应用最广泛的生物基可降解塑料。
在PLA的合成方面,技术路线主要有两种:一种是由生物发酵制备乳酸单体,再通过乳酸酯化缩聚合成;另一种是通过齐聚 – 环化解聚制备丙交酯,再经过开环聚合合成。当前,绝大部分PLA生产均采用丙交酯开环聚合方法。

PLA合成技术路线
近年来,各国在改善氟橡胶性能方面开展了大量研究工作,其中比较常用的方法就是在混炼胶中加入填料以提高硫化胶的各项性能。