刘学
（北京工商大学轻工业塑料加工应用研究所，《中国塑料》杂志社，北京 100048）
2024年3月23日上午，《中国塑料》首届高分子材料技术创新与应用论坛在北京工商大学开幕。出席开幕式的嘉宾有：第十四届全国政协常委、国家知识产权局党组书记、局长、中国科学院第九届学部主席团成员、中国科学院院士申长雨教授，中国工程院院士、大连理工大学蹇锡高教授，中国工程院院士、四川大学王琪教授，中国塑料加工工业协会王占杰理事长、焦红文秘书长，福建师范大学副校长陈庆华教授，香港科技大学（广州）教学副校长吴景深教授，郑州大学副校长刘春太教授等，以及来自全国各高校、科研院所、企事业单位的长江学者、国家杰青、国家优青、教授、专家、工程师、科研人员、学生代表200余人。
《中国塑料》编委会主任申长雨院士在致辞中表示，在刚刚结束的两会上，习近平总书记就发展“新质生产力”做出了重要论述，专门强调了要积极促进产业的高端化、智能化、绿色化，因此此次论坛的举办也是落实习总书记重要论述的具体行动。虽然高分子材料只有百年的发展历史，但是由于其具有独特的性能而广泛应用于生产生活的各个领域，技术创新备受关注，同时也面临着各种挑战。改革开放40多年来，高分子材料的产业技术和科研条件突飞猛进，先进成果不断涌现，为我国制造业发展提供了非常重要的支撑。但是面对高端化、智能化、绿色化的需要，我们还要继续加大高分子材料的基础研究和应用研究，推动产业发展进步。相信在大家的共同努力下，此次论坛一定会成为高水平、有特色的论坛，有力促进高分子材料领域最新成果和学术思想的交流，推动高分子材料学科发展。
中国塑料加工工业协会王占杰理事长在致辞中表示，塑料加工行业向着功能化、轻量化、精密化、生态化、智能化的科技创新方向发展。目前，塑料行业的产量约8 000万吨，比1949年新中国成立时增长了40万倍。我国塑料加工行业的生产能力、实际产量、需求量、应用量、出口量目前在世界上均保持第一的位置。取得这样的成绩，与大家的辛苦工作和贡献密不可分，其中《中国塑料》也发挥了相应的作用。
开幕式之后的院士报告论坛由王占杰理事长主持。申长雨院士、蹇锡高院士、王琪院士分别做了题为《国家战略用超厚超大透明壳体制造：成型、模具和装备》、《新型杂环高性能工程塑料及其复合材料应用研发进展》、《塑料先进制造加工》的报告。
申长雨院士在报告《国家战略用超厚超大透明壳体制造：成型、模具和装备》中介绍了团队多年来致力于解决的4个科学问题：1.复杂多场作用下材料不同层次形态结构的演变规律。宏观成型、微观成型。成型中复杂热机历史作用下复杂流体的不同层次结构演化问题。2.成型过程中高聚物复杂流体的跨尺度计算理论。微结构演化（结晶、取向）与流变（本构），耦合微观结构演化的跨尺度模拟等。3.成型后高聚物制品性能和服役行为的跨尺度分析。复杂外载条件下制品不同尺度的变形、屈服、破坏机理，老化和降解。4.成型工艺控制和模具设计的多目标优化理论和方法，多层次、多目标的优化理论和方法。
目前的研究方向：1.高分子材料成型模拟及模具优化设计。成型和模具一体化、成型和功能一体化、多尺度模拟，完成了基于统一网格的注射成型和模具变形一体化数值模拟；
基于Lorentz-Lorenz方程的成型和光学性能一体化模拟；
基于模量匹配的成型模拟和制品结构分析联合仿真技术；
基于滑移链接模型和SPH方法多尺度成型模拟等。目前工作重点：一是利用拉格朗日物质描述体系，基于微观结构演化的局部应力耦合方法，实现注射成型过程跨尺度仿真，真正解决传统注射成型缺陷问题，如翘曲变形问题、熔接线结构强度问题等；
二是芯片封装过程的毛细作用主导的芯片封装过程中的复杂流动和传热行为，如Underfill问题，热管理问题等。2.结构化复合材料成型及模具技术。碳纤维增强热塑性复合材料成型：自主开发了一套碳纤维宽展-上浆-预浸一体化处理工艺及装备，具有自冲裁结构的热压模具实现一次近净成型，完成了汽车横梁连续碳纤维热塑性复合材料成型，整个横梁减重50 %。新型可逆树脂（Vitrimer）复合材料结构件形性制造：开发兼具热固性高强度和热塑性易成型、可自修复、可降解的新型树脂Vitrimer，完成了1 m×2 m飞机壁板大型制件的制造。3.国家战略产品研制。例如，出舱、交会对接、太空工作站用航天服面窗的研制，作战光电头盔护目镜，碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）注射成型。申院士在报告中重点跟大家交流了海下战略用超大超厚深腔壳体注射成型和模具技术，研制了全球最大的具有注压功能的注塑机（8 500 t锁模力）、全球最大的注塑模具（模具质量100 t左右）、全球最大的注塑产品（产品质量130 kg左右）。
蹇锡高院士在报告《新型杂环高性能工程塑料及其复合材料应用研发进展》中指出，2035发展战略研究中的建议发展重点为：1.高性能高分子材料及其复合材料。2.特种功能性高分子材料。3.通用高分子材料高性能化、功能化。4.生物基高分子材料、可回收循环利用的高分子材料。传统高性能工程塑料主要结构是芳环或/和芳杂环，已商业化的品种主要包括聚芳醚、聚芳酰胺、聚芳酰亚胺、聚芳酯等，尚在研发的品种如聚苯并咪唑、聚苯并噁唑、聚苯基三嗪、聚吡咙等新型芳杂环聚合物均未规模化生产。
科学界和工业界都十分关注开发既耐高温又可溶解的新品种，希望实现高性能、低成本、可控制备。针对聚芳醚溶解性差的问题从分子结构设计出发，引入扭曲非共平面结构，阻碍结晶，改善溶解性；
针对传统工艺难以得到高分子量的聚芳醚的技术难题，开发新催化体系和新溶剂体系，提高分子量。从而创制出既耐高温又可溶解、综合性能优异的高分子量新型聚芳醚高性能树脂。
（1）开发结构全新的单体，如图1所示，进而开发全新的聚合物，如图2所示。
图1 新单体及DHPZ的空间结构Fig.1 New monomer and the spatial structure of DHPZ
图2 新聚合物Fig.2 The new polymer
DHPZ的苯环与二氮杂萘酮环不在同一个平面上，相互扭曲一个角度，具有扭曲、非共平面的结构特点，活性类似双酚单体。新单体的二氮杂萘酮结构与聚酰亚胺中的酰亚胺环类似，但其六元二氮杂环的化学稳定性显著优于酰亚胺五元一氮杂环，克服了酰亚胺环耐湿热性能差的缺点。由于引入DHPZ结构，使聚合物也具有扭曲非共平面结构，阻碍结晶，利于溶解，实现了既耐高温又可溶解，解决了传统聚芳醚不能兼具耐高温可溶解的技术难题。
（2）含二氮杂萘酮结构聚醚砜酮（PPESK）系列（图3）的使用温度为250 ℃，其热变形温度比PEEK高100 ℃，在250 ℃时PPESK的拉伸强度是PEEK的2.5倍多。在PPESK与PEEK（450G）的性能对比中，其使用性能与PEEK（450G）基本一致，但是室温下的溶解性有很大差异，PEEK（450G）只溶于浓硫酸，但PPESK还可溶解于NMP、CHCl3、DMAc。PPESK的Tg为263～305 ℃，PEEK（450G）的玻璃化转变温度（Tg）为143 ℃，PPESK的Tg高于PEEK（450G）100 ℃多，并且PEEK（450G）有熔点，而PPESK没有熔点。
图3 PPESKFig.3 PPESK
图4 PPENSFig.4 PPENS
（3） 第二代：杂萘联苯聚醚腈砜系列（PPENS）的使用温度为300 ℃。与不含氰基的聚芳醚相比，由于强极性氰基侧基引入，带来如下优点：耐热性、阻燃性、力学性能等均有显著提高；
可利用其氰基进行交联或功能化改性，应用领域更广。
在大量实验基础上总结出“全芳环非共平面扭曲的分子链结构可赋予聚合物既耐高温又可溶解的优异综合性能”的结论，在此思想指导下，研制成功含二氮杂萘酮联苯结构二酐、二胺、二酸等系列新单体，进而开发成功新型聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯等系列高性能树脂，已形成一个独具特色的高聚物体系（图5）。
图6 杂萘联苯高性能工程塑料需求及发展趋势Fig.6 Demand and development trend of heterinaphthalene biphenyl high-performance engineering plastics
杂萘联苯高性能树脂在高性能树脂基复合材料中的应用：（1）短纤维及颗粒增强复合材料典型应用：注射级30 %玻璃纤维增强复合材料；
耐磨自润滑复合材料；
航空发动机高速止推轴承；
核主泵动压滑动轴承瓦面；
华龙一号核电机组反应堆冷却剂泵轴承；
高铁风源压缩机涡旋动涡卷。（2）连续碳纤维增强复合材料：连续纤维增强复合材料预浸带及热成型深加工，在预浸带基础上，研究了热塑性复合材料的模压成型工艺，制备了U型梁，对零件进行了无损检测，内部无缺陷，对其进行孔隙含量检测，低于0.2 %；
新型耐高温高频覆铜板。（3）有机/无机杂化聚合物树脂：超高音速飞行器外表面防护。
王琪院士在报告《塑料先进制造加工》中介绍了其团队的主要工作。1.发明了以剪切力为主的固相力化学加工装备，攻克了规模化制备高分子微纳米功能复合材料、有效回收利用废旧塑料橡胶、规模化固相高值化利用天然生物质材料等世界难题，实现产业化应用。（1） 建立了基于三维剪切力场的固相力化学加工理论；
（2） 发明了集成粉碎、分散、混合、力化学多重功能的固相力化学加工装备；
（3）突破了黏弹性高分子材料室温超细粉碎、固相快速微纳分散和交联型高分子材料部分解交联等关键技术；
（4）解决常规塑料加工装备不能解决的三大难题。2.高分子材料3D打印加工。（1）创新研制了先进加工装备，建成了先进的高分子材料3D打印加工平台。（2）发明了适应不同种类高分子材料的连续球形化装备，规模化制备球形复合粉体。（3）发明了直接熔融挤出的新型熔融沉积快速成型（FDM）打印机。3.高分子材料微型加工。在国际上率先开展高分子微纳米功能复合材料的微型加工，发展了高分子材料微型加工的理论和技术。建立了先进的高分子材料微型加工平台。自主设计研制了微型加工专用模具。制备了系列微型高分子功能器件。4.塑料管旋转挤出加工。（1） 建立了形成偏离轴向增强相提高塑料管性能的新理论。（2） 发明了系列塑料管旋转挤出加工新装备。（3） 旋转挤出制备了系列高性能塑料管。（4）发明了旋转挤出流变仪。5.高分子泡沫材料加工。（1）创新研制了先进发泡设备，建立了高性能多功能高分子泡沫材料和制品加工平台。（2）建立了高性能多功能高分子泡沫材料和制品加工新技术。（3）制备了常规发泡技术不能制备的多种高性能多功能泡沫材料和制品。6.高分子材料激光加工。（1）开发了多种聚合物激光标记添加剂及可镭雕塑胶材料。（2）开发了多种高效激光敏化剂及聚合物功能复合材料。（3）建立了柔性聚合物激光活化选择性金属化新技术。7.聚乙烯醇（PVA）热塑加工。（1）建立PVA热塑加工新原理。（2）发明PVA热塑加工新技术。8.无卤阻燃高分子材料制备加工。（1）发明无卤阻燃剂三聚氰胺氰尿酸盐（MCA）制备新技术。（2）反应性挤出加工制备无卤阻燃塑料。（3）建立了难阻燃泡沫塑料加工新技术。（4）发明了三嗪界面阻燃加工新技术。（5）建立了纤维素材料无卤阻燃新技术。
随后的大会报告论坛由长江学者、北京化工大学杨卫民教授主持。中国塑料加工工业协会王占杰理事长，原中国石化首席专家、北京化工研究院副院长乔金樑教授级高工，福建师范大学副校长陈庆华教授，香港科技大学（广州）教学副校长吴景深教授分别做了题为《中国塑料加工业现状及创新发展趋势》、《我国高分子材料产业面临的挑战与机遇》、《传统产业多源高分子材料固废的梯次高质利用集成技术与低碳高值产品开发》、《半导体芯片封装高分子材料的断裂与结构可靠性》的报告，从行业整体现状、未来发展到具体创新技术、应用升级的讨论，契合了高端化、智能化、绿色化发展的主题。
王占杰理事长在报告《中国塑料加工业现状及创新发展趋势》中介绍了中国塑料加工业现状（图7），2023年全国塑料制品行业完成产量7 488.5万吨，同比增长3.0 %；
21 800家规模以上企业累计完成主营业务收入2.111万亿元，同比下降1.7 %；
实现利润总额1 153.0亿元，同比下降1.6 %；
塑料制品出口1 008.1亿美元，同比下降3.9 %。
图7 2014-2023年我国塑料制品产量及增长率Fig.7 China"s plastic products production and growth rate from 2014 to 2023
在23日下午及24日上午的分会场论坛中，清华大学谢续明教授，华东理工大学辛忠教授、谢林生教授，四川大学郭少云教授、杨杰研究员、赵海波教授、王洪涛副教授，吉林大学杨柏教授，北京化工大学杨卫民教授、薛平教授、谢鹏程教授、宁南英教授、潘凯教授，北京师范大学刘正平教授，中国航发北京航空材料研究院透明件研究所陈宇宏研究员，中科院长春应化所唐涛研究员，中科院化学所董侠研究员、翟磊副研究员，中石化（北京）化工研究院有限公司者东梅教授级高工，北京市科学技术研究院分析测试研究所高峡研究员，郑州大学刘宪虎教授、程浩然博士，国知局专利局审协北京中心郑凯正高级知识产权师，北京国知专利预警咨询有限公司裴军副研究员，景德镇陶瓷大学于盛睿教授，青岛科技大学鉴冉冉副教授，浙江曼瑞德舒适系统有限公司段凯歌经理等来自全国各知名高校、科研院所、企业的教授、学者分别呈现了28场精彩的报告，并同时进行了7场研究生快闪报告和墙报展示。
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