目前高分子材料工程領域存在哪些科研難題？

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在目前高分子材料領域的研究中有哪些尚未解決或者正在解決的難題。以現在的技術水平無法解決的，或者是現在人們還沒有想到更有效解決辦法的難題。比如透波材料的損耗等等。希望大家可以舉出具體的實例，謝謝~

膜分離材料的通量與截留率trade-off效應的克服

涉及到高分子但比高分子領域更廣泛的一個問題：玻璃化轉變。諾貝爾獎級別的問題。。。

再更。。。。。。。。。

7，橡膠與金屬相容性問題。

這是一個世界性難題了吧，現在子午線輪胎用的很廣，一層鐵絲網然後一層橡膠，性能優異。但是橡膠跟鐵的相容性太差了，一般都要在鐵絲表面鍍Cu,Zn合金，然後用鹽溶液處理（哪種鹽我忘了），但是還不夠好，而且工藝麻煩。如果有人解決這個問題，那賣專利估計都發了吧。

我也來說幾個吧。

1、耐高溫高分子材料。

一般的高分子材料在100～200直接就已經超過玻璃化溫度了，能長期在這個溫度使用的高分子材料實在是少之又少。一般常用的耐高溫材料就是PTFE了，聚四氟乙烯光潔度很好，又可以在250度長期使用，很厲害是不是，可是這玩意的力學性能真的是不敢恭維，實在太軟了，而且還容易冷流。

2、普通工程塑料用於玻纖或碳纖增強複合材料。

一般來說，用於複合材料基料的主要是熱固性塑料，一般不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂，還有少量的熱塑性樹脂，尼龍、聚碳酸酯、聚碸、聚甲醛、PEEK、PTFE、聚苯硫醚用的比較多。但是這些基料價格都偏高，如果有合適的手段能讓通用塑料或者一些便宜的工程塑料用於複合材料，而且性能基本持平於上述塑料，那麼就會節省很大成本，而且更加高效。

3、超高分子量高分子材料。

目前我們們能控制的最大分子量的大概也就在100w左右，超高分子量的聚乙烯很久之前已經實現，但是其他的就比較少了。譬如聚異戊橡膠，跟天然橡膠分子鏈是一樣的，在用齊格勒納塔催化劑生產的時候，分子量只能達到70w左右，但是天然橡膠分子量在100～300w，而且聚異戊橡膠的順式含量也是低於天然橡膠，最後導致聚異戊橡膠性能明顯差於天然橡膠。分子量和分子鏈結構決定高分子材料的性能，不敢說肯定的話，如果某些材料的分子量提升一個數量級，說不定會帶來不一樣的變化。

4、超高吸附功能高分子材料。

目前這塊做的還是很牛逼的，但是離商用還是有點距離的。我看過一個聚乙烯醇的吸水高分子材料，1g可以吸收1kg左右的水，很牛逼吧，但是水中鹽濃度稍微升一點，吸水量瞬間就下降了不知道多少。吸附高分子材料不僅是用於吸水，還有很多用於吸附一些重金屬鹽的，但是商用的都很少，大部分都是一次性不可逆的，吸一次就不能重複使用，如果能做出非離子型吸附或者可逆離子型吸附材料就是真的很厲害了。

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5，高通量高分子膜材料

現在膜材料用於各個行業都比較廣泛，隨便舉個例子吧。海水淡化比較廣泛，一般用RO膜，現在很多海水淡化膜的通量實在是有點小，實在接觸太少，具體數據不清楚，我記得以前實驗室拿出來的實在太弱了，一個三公分左右粗的玻璃管，大概40公分高，加壓分離鹽水，然後用了10分鐘。可能現在會快一些吧。但是我所指的不僅僅是海水淡化的膜，很多膜的通量都是比較小，比較影響生產效率。

6.碳碳複合材料工藝問題。

這種碳纖維增強碳材料的性能實在逆天，耐超高溫，力學性能又牛逼的不行，但是製作成本太貴了。一遍遍的往編織好的碳纖維上刷樹脂或者瀝青，然後超高溫分解樹脂，留下碳，然後在碳纖裡面結晶。要麼就用氣相沉積，但是很容易表面積碳，導致性能損失。如果有個神人設計某種手段，能夠降低成本，那麼碳碳複合材料就能走向大眾，材料應用就會更廣。

高分子材料幾乎可以應用於材料學研究範疇的各個領域，每個材料學中未能解決的問題都可以歸入高分子材料亟需解決的問題。

因為了解一些關於大分子自組裝領域的知識，以此為例粗答一下：大分子自組裝就是將高分子（均聚物或嵌段共聚物）通過分子作用力，目前應用包括生物材料、仿生細胞、納米載體、醫學成像、感測器件、光電器件、界面材料、納米催化等。就這麼說吧，以上每個方面都存在科研難題。

1.生物材料：生物醫用材料目前僅開發出少量能通過臨床試驗的品種。生物材料最大的問題就是生物相容性，特別是作用於人體時，要解決血栓、可降解、無毒無害等問題，這對於單一或是複合的高分子材料都是很難全部實現的，於是尋找新的生物材料以及對現有生物材料改性，使之成為臨床可用的材料是目前的方向。

2.仿生細胞：人工模擬細胞可以說連初級階段都算不上，但是仿生細胞如果能實現，可以說是人類科技發展里程碑意義的成就。這之中必然需要高分子科學領域的發展。簡單的說，我想設計仿生細胞首先需要有細胞膜，那麼這類囊泡狀結構就需要大分子自組裝。我們已經研究出了得到不同尺寸囊泡的工藝方法，但是生物細胞膜表面是特異性的，功能化的（而且極其複雜），我們能獲得的囊泡卻是均一的，如何做到囊泡表面功能多樣，功能定位，分室化種種都是需要研究突破的。

3.醫學成像：首先需要有生物相容性，其次醫學成像有特定的功能要求，例如靶向定位、可探測性。而且不止可探測，還要方便探測。高分子微球做成像系統載體目前是可以實現的，PEO修飾下進入細胞什麼的也可行，但是定位還需要進一步精確。

4.納米載體：竊以為納米載體在高分子微球各種開發（pH響應、磁響應、熱響應等）後已經功能強大，藥物包被能力也很強大，最需要解決的應該就是臨床應用了吧。

5.感測器件、光電器件、界面材料：傳統的材料學問題。其實我們在應用上已經有金屬材料等老牌應用材料了，高分子材料作為新生的材料雖具有很多方面的優越性，但走向市場，全面應用還有一段距離。例如石墨烯，在發現後已經被研究得很透徹了，在感測、光電、界面材料領域都有應用空間，各種衍生物被開發出十分強大的功能。石墨烯做電池就是一例，可以有比現在很多材料更好的性能，但是市面上有幾個石墨烯電池呢？我所知我校某石墨烯課題組就和三星公司簽了專利，未來投入市場，前景一片大好，大致如此。所以說新材料還在不斷研發，如何將最新研究出的高分子材料投入生產投入市場也是需要考慮的問題不是么？

6.納米催化：這也是化工領域一大研究熱點啊，經久不衰。君不見有機人名反應千千萬，要是每個反應對應一套催化體系，那合成效率豈不是飛起。實際上在真正做合成時是很難按照學過的那些人名反應設計合成路線的，就算是苯環上碘代都要用到高碘酸，為啥？因為很多反應沒有合適的催化體系，產率太低不能用。典型例子就是Ziegler和Natta弄出了個催化劑，獲得諾獎。可見催化之重要性。高分子材料提供了納米催化的嶄新的平台。我所知一種COFs材料，在通道修飾後是可以有催化特定反應活性的。這意味著更多的化學反應可以通過高分子材料實現納米催化，當然投入化工生產就是另一回事了。

這麼看來，高分子材料工程領域的科研難題太多了！最後想說的就是，現在高分子材料領域的發展已經離不開物理、化學、生命科學的發展了。理論研究上繼Flory以後已經很少有突破性進展，所以在應用上還需要結合實際考慮解決很多問題。

2015-11-01

每個材料領域無論任何時刻都有待解決的科研難題，否則你認為人類是怎麼不斷進步的? 如果你是問我自己在石墨烯與高分子復材間要發展那些前沿技術，我就可以比較清楚來回答這個問題。首先，我是站在「市場需求」來突破目前技術的瓶頸；其次，材料功能要求可以從電、光、熱、機械性各個面向去思考，但總得符合第一項的優先順序。

1. 玻璃化溫度 (Tg) 再提高。想像一下各位的穿戴式裝置如果不用玻璃改用塑料，且可以具備可撓性那該有多酷？加入 1% 的功能化石墨烯, 可以使聚丙稀腈的玻璃化轉變溫度提高 40℃, 大大提高了聚合物的熱穩定。凡是能提高玻璃化溫度的因素都能使高聚物的耐熱性提高，包括：增加高分子鏈的剛性、使高聚物能夠結晶及進行交聯。有機化合物一般對熱不穩定，加熱時會引起分解，聚合物也不例外，在超過其最高使用溫度下加熱時，高聚物會發生兩種相反的化學反應，即降解與交聯。我們希望留下「交聯」，因為交聯使高分子鏈間生成化學鍵而使分子量增加，但過度交聯會使高聚物變硬、變脆而失去原有的機械性能。

2. 生物可降解材料提升機械性。高聚物材料的力學強度和高聚物分子鏈的主價力、分子間作用力及大分子鏈的柔性有密切關係。Zhao 等通過溶液混合製備了石墨烯含量為 1.8vol% 的聚乙烯醇 (PVA) 複合材料並研究了其力學性能, 他們發現複合材料的抗拉強度提高了 150%，楊氏模量提高了 10 倍左右。一般來說，提高隨著結晶度的增加，聚合物的屈服應力、強度、模量和硬度都增加，而斷裂伸長和衝擊韌性則下降，即結晶使聚合物變脆、變硬。再者，考慮到生物可降解因素不適合加入其他聚合物或纖維，如何在有限方式中找到平衡點才是重點。

3. 導熱高分子材料。石墨烯是片狀材料，加入到高分子後如果形成離島結構將無法達到導熱材料的要求，但過高的滲濾閾值或造成高分子變硬變脆，適度加入非片狀結構材料可有效解決這個問題。

木質纖維素中纖維素，半纖維素，木質素的分離。

每天躲在實驗室里女朋友容易生氣

科研與生產之間的關係

性能。