武汉化学工业区

贡献与责任——化工走进百姓系列专述7

化工新材料——国防工业推手

我国国防尖端科学技术的研究开发、新武器的研制、武器装备的更新换代、军队装备的现代化等,都需要化工新材料的支撑。其中,最为大家熟悉的可能就是特种橡胶、特种合成塑料、特种合成纤维、特种涂料等组成的“特种部队”了。

特种橡胶制品的弹性和密封性极佳,在武器装备中总能见到它们的身影。歼击机、运输机、轰炸机等贮存燃料油的容器,救生艇调整水中姿态和方向的液压隔膜,都是由特种橡胶制成的。

特种合成树脂已在原子能、航天航空、电子等国防工业部门获得广泛应用。目前,我国军用歼击机复合材料用量达到25%,军用直升机最高用量可达50%。

特种合成纤维主要有碳纤维、芳纶纤维、超细纤维、聚四氟乙烯纤维等。芳纶是制造高强度轻质装甲和特种防护材料的首选材料,对位芳纶甚至有“防弹纤维”的美誉,用其制作的芳纶防弹衣和芳纶头盔的防护效果十分显著。

特种涂料最早应用于航空和军舰上,后来拓展到航天、核工业、兵器等领域。飞机要用各种颜色的标志漆,机身外部有蒙皮漆,雷达天线罩、油箱等不同部位都要使用不同的漆。军事装备如坦克、炮车等能够“隐身”,就是防红外伪装涂料的功劳。

近年来,中国高速铁路发展速度很快。其中,从路基防水到轨道减振,从车体到车厢密封,从接触导线到内饰材料,化工材料的身影几乎无处不在。高速铁路的火车车身和内饰件,也用到大量的化工材料。

2011年7月,我国首台自主设计、集成的载人潜水器,顺利完成5000米级海试。它的船体采用复合泡沫塑料材质以保持浮力,船舱由坚固的轻型钛合金组成以承受压力。

2011年8月,中国首艘航母进行了首次海试。化工新材料如特种橡胶、特种树脂、特种纤维、特种涂料等,在航母建设过程中发挥了重要作用。

第一枚导弹中的高纯液氧推进剂。1960年11月5日,我国自制的第一枚仿苏P-2型近程导弹发射成功,为我国独立研制新型导弹与火箭打下了良好的基础。其中,国产高纯液氧推进剂让国人扬眉吐气。

第一颗原子弹中的离子交换树脂。1964年10月16日,我国第一枚原子弹爆炸成功。从铀矿的勘探、开采,铀的提取,核燃料元件的制造,一直到核反应堆及辐照过的燃料后处理,都离不开离子交换树脂。

第一颗氢弹中的重水。1967年6月17日,我国第一颗氢弹成功爆炸。它所用的“炸药”是氢化锂和氘化锂。而氘和氘化锂则来自于高纯度重水。

第一颗人造卫星中的固体润滑膜。1970年4月24日,我国发射的第一颗人造卫星“东方红”一号飞向太空。其中的关键材料固体润滑膜,保证超短波天线在-100℃~100℃能正常工作。

第一颗通讯卫星中的单晶硅。1984年4月8日,我国成功发射了第一颗通信卫星——“东方红”二号。它的能源系统使用了1万多个单晶硅片,保证了大量资料的即时接收、发送、处理。

第一次载人航天飞行中的特种材料。2003年10月15日,神舟五号载人飞船升空。杨利伟身穿的航天服,主体材料是高强度涤纶,气密层由十几种特种橡胶材料制成。

电子化学品——改善通讯办公

“50年前捎口信遇乡音,40年前投寄信盼来信,30年前拍电报等长途电话,20年前装电话带呼机,10年前打手机发短信,如今上网看视频。”新中国成立以来,我国通信行业发生了巨大变化。其中,自主研发生产的上万种电子化学品,为通讯技术的发展与办公自动化立下了汗马功劳。

如今,全球电脑的一半以上都是中国生产的。其中,为电脑所需的配套化工产品包括:用于显示器的液晶材料、取向剂、导电胶、黏合剂及清洗剂,集成电路制造所需的光刻胶、高纯试剂、助焊剂、塑封料,制造芯片的超纯硅原料,外壳和部件所用塑料材料,打印机所用的硒鼓等。

信息产业的发展以芯片技术为前提,而高性能芯片有赖于高质量的原材料。对于集成电路产品而言,封装技术是非常关键的一环,直接影响到芯片自身性能的发挥。近年来,我国在集成电路封装材料方面已取得一系列重大突破,其中对于环氧类封装材料的用量很大。

电池技术突破的关键就是电池材料,而化工技术为开发新型电池材料发挥了重要作用。号称锂电池“血液”的电解液,由六氟磷酸锂加上有机溶剂配成,是锂电池获得高电压、高比能等优点的保证。

在信息化时代,承担信息传输使命的光纤光缆、电线电缆的作用不言而喻。不管是市话电缆、电视电线电缆都要用到电缆料。在电线电缆用热塑性树脂中,应用较广泛的是聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯。

随着我国化工新材料研发不断取得新进展并推广应用,中国制造的办公设施不仅外观漂亮且更为轻巧耐用。譬如,复印机、打印机、传真机、电话机、电脑等很多零部件都来自于国产高性能塑料。

目前,国内生产的电子化学品已达上万种,主要包括集成电路IC和分立器件用化学品、印制电路板配套用化学品、表面组装用化学品和显示器件用化学品等,对于工作与生活条件的改善意义重大。

信息材料——融入生活

塑料光纤成就“三网合一”。信息产业的飞速发展,使网络成为人们工作生活中不可或缺的重要组成部分。我国发展新一代网络的总体目标之一,就是要实现电视网、电信网、计算机网的“三网合一”。其中,塑料光纤及其配套设备的成功开发,成为实现这一目标的关键。应用塑料光纤及其配套设备,可以使宽带网速真正达到百兆水平。塑料光纤替代普通铜缆可实现飞速下载,下载一部高清晰电影只用一两分钟,在线观看可告别缓冲和停顿,让无数网民的梦想变成了现实。

锂电池让生活进入3G时代。随着3G时代的到来,电池成为制约手机发展的关键因素。在传统液态锂离子电池基础上发展而来的聚合物锂电池,正好能在性能上弥补传统电池的缺憾。它具有更轻、更薄、容量更大的特点,为手机和其他移动设备设计提供了很好的条件。隔膜是锂电池材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料,一般采用聚丙烯、聚乙烯单层微孔膜以及复合的多层微孔膜组成,我国企业已掌握了聚合物锂电池隔膜生产技术。

发光材料使手机可以卷起来。把电视屏幕折叠起来收入行囊,将手机像纸一样卷起来装入口袋,这一切离我们并不遥远。近年来,由有机发光材料引领的新一代显示技术OLED的迅速发展,已经让想象成为现实,由其引领的“柔软时代”正在向我们走来。用厚度只有几十纳米的有机材料做发光层,再加上各种能弯曲的塑料及薄膜感光基板材料做成的显示器,是最轻薄的OLED显示器。可以预见,不久的将来电视就能像窗帘一样挂在墙上,随意卷起放下,MP3、照相机、手机等数码产品也可以任意弯曲折叠。

激发生命活力保障人类健康  

人类的历史即是疾病的历史”,在现代科学出现之前,人类的平均寿命是很短的。从古文记载中我们可以发现,40万~50万年前,“北京人”的平均寿命为15岁,古代中国人的平均寿命也只有几十岁,所谓“人生七十古来稀”,而今天“长命百岁”已成为现实。人类寿命长短,除自然灾害和战乱外,疾病的侵袭是最重要的一方面,一个小小的感冒发烧放在今天不算什么,4但在古代便是性命攸关,如果不幸急发阑尾炎,那就只能痛彻肺腑束手待毙了。

随着科技的进步,人类的生活水平得到了空前的提高,人均寿命大大延长。现代医学的发展消灭了天花、霍乱等病源,减少了难产和夭折,而这都离不开化工的进步,青霉素的合成引发了人类历史上第一次医学革命,人类的生命健康状况从此由地狱一步跨入天堂。医药不分家,药物的研制与合成,更加离不开化工的贡献。药物合成的原料由化工产品或化工中间体提供,其制备过程也离不开化工技术。

另外,新材料的发展也带来了更多更好的健身方式,促进了体育事业的进步。比如蹦极运动的推广源于复合材料特殊绳索的出现,聚酯面料的速干衣则能够将汗水迅速蒸发,使人们跑步更加舒适。

缓释剂——给药物定时

常规药剂每天需给药多次,不仅使用不便,而且血液中的药物浓度起伏很大,导致“峰谷”现象。当药物浓度处于高峰时,超过了最适宜的治疗浓度,便引起较多副反应,甚至中毒;反之,药物浓度降到低谷时,又远在所需浓度之下,难以发挥作用。于是,新的药物剂型——缓释制剂应运而生。在缓释剂的帮助下,药物能降低释放速度,减少或避免血药浓度的“峰谷”波动,使药物较平稳地持续发挥疗效。

国际上药物释放的市场正在扩大,到2005年已达到860亿美元。但是,由于药物品种繁多、庞杂,对缓释载体的要求各不相同,因此对新性能、新成分或新结构的药物缓释载体材料的需求非常大。

缓释剂材料包括聚酯类(如聚乳酸、聚ε-己内酯等)、聚酯类与其他物质的共聚物(如乳酸-羟基乙酸共聚物等)、聚酸酐类、壳聚糖、葡聚糖、纳米材料等。聚乳酸PLA及乳酸与羟基乙酸的共聚物PLGA,由于其良好的生物相容性以及生物降解性,可用作蛋白质类药物控释体系的载体材料,同时可延长蛋白质药物的释放。

12小时的缓释技术给病人带来了舒适和便利,人们不需要掐着手表计算还有多久又要吃药了。因为有了缓释剂,变每天吃一次为每周或每月吃一次成为可能。药物释放技术给生活节奏越来越快的现代人带来一种服药的时间新概念。

仿生材料——让人体器官重生

人造器官是指能够全部或部分代替人体器官功能的功能化器具,是解决患者自身器官坏死、用于功能恢复性治疗或在脏器手术时起临时功能的重要设备。人类现在能够制造除了大脑和神经之外的几乎所有人体器官和组织,而这一切都离不开化工的支持。

到目前为止,许多科学家已从生物高分子材料或合成高分子材料中制造出了一二十种人造皮肤。他们把这些材料纺织成带微细孔眼的皮片,上面还盖着薄薄的、模仿“表皮”的制品。

假肢材料过去多用铝等硬金属材料制造,随着化学工业的发展,硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯酸树脂等成为常用的假肢材料。这些化学材料制造工艺简化,能使假肢制品更符合生理、力学的要求,同时大大减轻了假肢的质量。

过去对器官损伤的治疗方法之一是活体移植,这又带来两个问题:一是排斥作用,二是可供应器官很少。现在,科学家希望利用仿生材料,人工培养出人体需要的正常器官。

靶向载体——为治疗装上GPS

靶向药物在治疗癌症时可告别过去“机关枪扫射式”的治疗方式,能选择性地到达特定生理部位、器官、组织或细胞,并在该靶位发挥药物治疗作用。药物搭载上靶向载体就像汽车装上了GPS,可以顺利快捷地到达目的地。

靶向药物利用生物力学、前体药物、大分子载体、纳米粒和脂质体等介质把药物专门瞄准制造癌细胞的分子。目前,一些靶向药品已获准用于临床,如新制癌菌素及阿霉素脂质体就采用聚苯乙烯马来酸酐作为载体。此外,还有一些药物靶向系统正处于临床试验阶段,如聚[N(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺]阿霉素交联物,包载阿霉素用聚乙二醇包衣的脂质体作载体。

专家指出,装有靶向载体的药物不仅用于治疗癌症,还可用于艾滋病、乙肝、丙肝、红斑狼疮、银屑病以及各种细菌、病毒感染性疾病的治疗。而对于竞争日益激烈的制药企业来说,研发靶向药物无疑成为一个占领高地的新出口。统计数据显示,在美、英、法等全球七大药物市场中,到2015年靶向治疗药物将占前20名畅销药物销售总额的55%。

纳米化学——创造优质生活

21世纪将是纳米时代,纳米材料的使用会使我们生活、工作、学习的各个方面得到质的飞跃。

最先受到影响的当然是我们的衣食住行。通过加入具有特殊性能的纳米金属离子、金属氧化物,可以纺出抗菌纤维、抗紫外纤维。在合成纤维中加入纳米级二氧化硅可制得高介电绝缘纤维,能够有效减少用电设备周围的电磁波对人体的心脏、神经尤其对孕妇、胎儿的危害。

比较有意思的是,纳米光敏染料对各种不同波长的可见光敏感,因此可以感知周边环境的颜色并作出相应的调节,同时改变自己的色泽,变成与周边环境一致的保护色。利用它的这种特性,将这种光敏染料植入纤维内部,就可以调节衣服颜色与周边环境一致,从而制成传说中的隐身衣。

纳米材料也应用在食品的包装和检测方面。例如在传统的抗菌保鲜膜材料中加入纳米银或者纳米二氧化钛,可塑性、稳定性、阻隔性、抗菌性、保鲜性等都会得到显著提高。

在房子装修的时候,很多人会为新宅的刺激性气味头疼不已,纳米二氧化钛涂料完全可以解决这个问题。除了拥有比常规涂料更优异的性能外,它还具有净化空气、除臭甚至杀菌的功能,对枯草芽孢杆菌、黑色变种芽孢杆菌的杀灭率高达99.8%。

此外,纳米材料也为人们的健身运动提供了先进的健身器材,如赛车用碳纤维车架重不到1000克,并且具有极好的刚性与强度。

能“降温”的运动服

在高温天气下运动,如何才能发挥出最好的竞技水平?清凉系列的运动服和运动鞋具有能降温的功效。  

除了舒适和轻便之外,在服装的布料上,设计者研制成了具有快干、轻便特点的新型高科技纤维材料。在这种面料制成的运动服中,包含吸附性的纤维能将汗水迅速吸附到衣服外层并很快蒸发,而热传导纤维可以将身体出汗部位的热量更快地散发掉。舒适、轻便再加上让穿着者时时感到清凉,难怪就连马拉松运动员都对这款清凉系列产品赞不绝口了。英国马拉松运动员特蕾西·莫里斯说,它让人感觉很松弛,在跑马拉松这样长距离的项目时,你几乎感觉不到衣服的厚重感,既轻巧又凉快。

劈波斩浪的鲨鱼皮泳衣

2004年悉尼奥运会游泳比赛中,澳大利亚选手伊恩·索普身着黑色连体紧身泳装,宛如劈波斩浪的鲨鱼,一举夺得3枚金牌,而他身穿的鲨鱼皮泳衣也从此名声大噪。

鲨鱼皮泳衣是人们根据其外形特征起的绰号,其实它有着更加响亮的名字:“快皮”。其核心技术在于模仿鲨鱼的皮肤。生物学家发现,鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以极大地减小水流的摩擦力,使之可以飞速游动。“快皮”的超伸展纤维表面就是完全仿造鲨鱼皮肤表面制成的。同时,这款泳衣还运用了仿生学原理:在接缝处模仿人类的肌腱,为运动员向后划水时提供动力;在布料上模仿人类的皮肤,富有弹性。测试表明,“快皮”的纤维可以减少3%的水阻力,这在0.01秒就能决定胜负的游泳比赛中有着非凡的意义。此外,“鲨鱼皮”使用的聚氨酯纤维材料还能有效增加浮力。