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破局\"卡脖子\"：中國高性能高分子材料的挑戰(zhàn)與機(jī)遇（二）
目前國外發(fā)展現(xiàn)狀
總體來看，目前歐美國家在高性能高分子領(lǐng)域處于優(yōu)勢地位，掌握更多原創(chuàng)技術(shù)并占據(jù)壟斷地位。另外，歐美公司普遍重視全球化市場和布局，善于利用自身資源優(yōu)勢布局發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建起完善的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。當(dāng)前，綠色環(huán)保和循環(huán)回收技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，世界各國近年來也相繼發(fā)布了多項(xiàng)政策以支持高分子材料可持續(xù)發(fā)展。這也是高性能高分子材料未來發(fā)展的重要趨勢之一。
（一）高性能樹脂及工程塑料：
一直以來，西方發(fā)達(dá)國家不斷擴(kuò)展聚芳醚、聚酰亞胺等**高性能樹脂及工程塑料的應(yīng)用領(lǐng)域，如聚醚醚酮（PEEK）具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能，在航空航天、生物醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。
美國波音公司的B757民航客機(jī)采用玻璃纖維與PEEK復(fù)合，以注射成型的方法制備發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩，該材料具備抗惡劣條件如高濕度、超聲振動(dòng)、高流速等特點(diǎn)，質(zhì)量比金屬制品減輕約30%，價(jià)格降低約90%。
在植入性醫(yī)療器械領(lǐng)域，已陸續(xù)開發(fā)出脊柱融合器械、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換部件、接骨板和髓內(nèi)釘、顱頜面、種植體等產(chǎn)品，成為了應(yīng)用***的生物醫(yī)用非金屬材料。
在機(jī)器人等新興領(lǐng)域，由于PEEK材料滿足**度、輕量化的要求，也顯示出較高的應(yīng)用潛力。2023年，特斯拉汽車公司展示了Optimus-Gen2人形機(jī)器人，因采用了PEEK復(fù)合材料，在不**性能的情況下減重10 kg，行走速度加**0%。
近年來，發(fā)達(dá)國家競相開發(fā)耐熱等級(jí)更高、加工性能優(yōu)異的新型聚芳醚砜、聚芳醚酮等高性能樹脂。美國的杜邦公司和德國的巴斯夫公司針對PEEK進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)，開發(fā)出耐熱等級(jí)更高的聚醚酮（PEK）和聚醚酮酮（PEKK）產(chǎn)品，但上述高性能樹脂均未解決難溶解、難工、成本高的問題。
（二）有機(jī)纖維
目前國際上應(yīng)用面廣的高性能樹脂仍然是聚醚醚酮、聚醚砜等，使用溫度均在240 ℃以下，并且當(dāng)使用溫度超過其玻璃化溫度后，機(jī)械性能將會(huì)大幅度下降。
目前，高性能有機(jī)纖維領(lǐng)域依然以美國、日本、德國和荷蘭為主導(dǎo)。
在高性能超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維方面，荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)是世界上率先形成UHMWPE纖維產(chǎn)業(yè)化的公司，也一直是UHMWPE纖維行業(yè)的**者，其他生產(chǎn)商還包括美國霍尼韋爾國際公司以及日本的東洋紡織株式會(huì)社、三井化學(xué)株式會(huì)社等。
在PBO纖維方面，1991年日本東洋紡織株式會(huì)社購買了道康寧公司關(guān)于PBO纖維研究的全部**，并開始進(jìn)行**研發(fā)，直到目前，日本東洋紡織株式會(huì)社仍然是世界***一家可以規(guī)模生產(chǎn)PBO纖維的公司。
有機(jī)纖維中具代表性的是芳綸纖維，其工業(yè)化品種主要為對位芳綸和間位芳綸，具有**高模、耐高溫、阻燃等特性，在航空航天、防護(hù)裝備、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、體育器材等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前，芳綸的主要生產(chǎn)廠家主要集中在美國、亞洲和歐洲等地區(qū)，其中美國杜邦公司和日本帝人公司擁有規(guī)格完整的產(chǎn)品系列，占據(jù)了全球主要市場。
俄羅斯在技術(shù)上另辟蹊徑，開發(fā)出綜合性能更優(yōu)異的雜環(huán)芳綸系列產(chǎn)品，區(qū)別于美國杜邦公司的間位芳綸和對位芳綸。在合成技術(shù)方面，以對位芳綸為例，主要有界面縮聚法和低溫溶液縮聚法兩種。相比之下，低溫溶液縮聚法是目前國內(nèi)外工藝**成熟的合成芳綸纖維方法，其產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定，適合大規(guī)模合成，但工藝相對復(fù)雜，溶劑浪費(fèi)較多，且溶劑殘留對后續(xù)紡絲造成不利影響。
因此，需對其合成工藝進(jìn)一步優(yōu)化，提高分子量、減小分子量分布寬度；對紡絲工藝進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升成品率，降低成本，提高競爭力。近年來，帝人公司與BioBTX、Syncom公司一起，率先使用生物質(zhì)原料試制高性能對位芳綸，可減少生產(chǎn)過程中的碳足跡。
（三）生物基樹脂及可降解材料
2021年，亞太地區(qū)（含中國、日本、韓國等）在生物基樹脂及可降解材料領(lǐng)域的市場份額為49.9%，占據(jù)主導(dǎo)地位；北美（含美國、加拿大、墨西哥）占據(jù)第二位。目前，***是全球范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)化**成熟、產(chǎn)量比較大、應(yīng)用*****的生物基可降解塑料。
在***的合成方面，技術(shù)路線主要有兩種：一種是由生物發(fā)酵制備乳酸單體，再通過乳酸酯化縮聚合成；另一種是通過齊聚 – 環(huán)化解聚制備丙交酯，再經(jīng)過開環(huán)聚合合成。當(dāng)前，絕大部分***生產(chǎn)均采用丙交酯開環(huán)聚合方法。
美國是全球**早研究***的國家，目前歐美國家的NatureWorks、TCP、Synbra、Hycail等公司已經(jīng)搶占全球主要的市場份額，美國Natureworks公司和荷蘭TCP公司合計(jì)擁有全球73%的***產(chǎn)能。在***的應(yīng)用開發(fā)方面，1966年，Kulkarni等人通過兩步法制備了高分子量的***，并研究了***在體內(nèi)的降解，發(fā)現(xiàn)聚左旋乳酸作為手術(shù)縫合線，具有良好的生物相容性和生物可降解性。目前，美國食品藥品監(jiān)督管理局已批準(zhǔn)***廣泛應(yīng)用于骨科植入物、藥物傳輸?shù)取Ｃ绹?**改性與加工技術(shù)較為成熟，可通過定制生產(chǎn)不同的***產(chǎn)品，以滿足不同性能實(shí)際應(yīng)用需求。
（未完待續(xù)）
來源：中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》，邁愛德編輯整理
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