精细化工新材料与技术

第一章绪论

1．1新兴的精细化工门类

化学工业属于材料工业。起初，人们把化工产品分为一般规格产品和特种规格产品两大类。一般规格产品指的是通用材料。这类材料品种不多，主要要求能够大量而廉价地连续供应，并且便于加工，只要质量符合一般的通用规格即可，并不强调具有特殊功能。特种规格产品指的是适合于专门用途的材料。这类材料的品种越来越多，虽然对单一品种的需求量并不很大，但要求品种齐全，具有独特的专门功能。如果说，通用材料主要提供的是物质的数量，那么特种材料主要提供的就是物质的功能。由于要达到质量和性能特殊，必须经过深入细致的加工，所以日本就把以功能为主的化工产品称为精细化学品，而欧美则称之为专用化学品。我国参照日本的说法，也称之为精细化工产品。

社会对通用材料的需求是有限度的。它的品种不多，当产量达到一定的人均消费水平之后，就不会有较大的增长。可是社会对功能材料的需求则是无限的。随着社会生产和人民生活的高档化，通用材料已经成为人们的最低需求，而功能材料则成为人们追求的重点，日益要求其品种多样化，功能理想化，质量精细化，以适应方方面面的需要。这就是进入八十年代以来，世界上的化工发达国家纷纷由重点发展基础化工转向于重点发展精细化工的原因。于是，一些原有的精细化工门类开始采用高新技术取得了新的突破，一些新兴的精细化工门类也应运而生。

例如，1965年日本的精细化工产品只有17个门类，1981年发展成为34个门类，到1985年又发展成为49个门类(见表l—1)。尽管现在对于精细化工的分类缺乏统一的标准，有人认为中间体也算一类，有人认为不算，有人主张细分，有人主张粗分，但从表1—1中可以看出，近年来确有不少新兴的精细化工门类出现。

①日本没有油田用化学品类。

②表示正在采用高新技术争取新突破的原有门类。

③表示近年涌现的新门类。

1．2精细化工产品与通用产品的本质不同

精细化工与基础化工有着本质不同。这个问题要从功能材料与通用材料的本质不同说起。历来社会对化工产品的理想要求是，既要高功能，又要易于加工。然而“功能”和．“易加工性”往往是相互矛盾的。所以在不同的历史阶段化学工业对产品的“功能”和“易加工性”的重视程度有所不同。当物资不足，满足不了社会需求时，它宁可牺牲功能而优先考虑易加工性，发展大宗产品。当物资比较充裕，而科学技术又有条件解决这一矛盾时，它才侧重考虑功能，发展精细化工产品。当然并不是说所有的大宗产品都不考虑功能，但一般说来，它首先考虑的还是如何便于用户加工利用。若不便于加工，就不能大量生产，大量销售，产品的功能自然就得不到充分发挥。所谓“易加工性”就是易于加工成型。目前大量生产的化工产品如无机的纯碱、硫酸、水泥，有机的塑料、橡胶等等，都是易加工性产品。原料一般是不能直接使用的，必须经过适当加工，将其变成制品才好使用。“易加工性”就是通用材料必须具备的条件之一，而且在质量上，只要求符合一定的通用规格即可，所以也有人称之为“规格产品”。然而以功能为主的产品则不然，尽管也要符合一定的规格，但是如果达不到用户所要求的实用功能，它将一文不值；另外，社会对它的每一品种的需求量虽不很大，但要求其多品种、系列化，能满足各方面的需要。

可见，经营大宗的原料产品与经营小批量的功能产品，其工作性质大不一样。从生产上看，两者所用的设备和设备的总体布局以及成本构成各不相同。从销售上看，两者的经营方式以及技术服务程度也完全不同。大宗产品的市场情况一般比较简单，而功能产品的市场往往是多变的，因而生产和销售也要随机应变。那种追求品种单一、规模大、产量高、卖方市场的经营方式不适用于精细化工。大宗原料都是如上所述的“规格产品”，这些“规格产品”都没有充分发挥出产品的功能。例如，水泥的主成分是硅酸钙，加水量超过标准越多，砂浆强度越低。若能真正做到加水适量和养护适当，则水合后的强度可达到58.8—68.6MPa，而不是一般标准中所规定的39.2MPa。但是如果这样要求的话，在实际施工中要想使混凝土的强度每次相同，就比较难了。这样，水泥就会变成一种较难使用或者说较难加工的东西。既然水泥是以量为主的产品，也就只能要求在加水量差不多的情况下，它能达到差不多的强度就可以了。这样可使产品具有较大的通用性，否则就无法大量生产。

近年来，世界的需求正在发生变化，要求更好地发挥材料的“功能”。如果能把水泥的功能充分发挥出来，也许其用量只要一半就够了。水泥若能节省一半，相应地钢筋也可节省一半。又如，半导体是以功能为主的产品，对它着重要求的是功能而不是易加工性。目前世界上的发达国家都在倾注全力开发有关功能材料的新技术，以期占领世界市场。我们应该清醒地意识到，他们已经从重量转向于重质，由重视易加工性转向于重视功能了。对他们来说，以量取胜的时代已经过去，正在进入“功能第一”的时代。

1．3新材料与新技术的关系

由基本原料制取精细化工产品，要经过多次多种多样的加工。粗略地可划分为合成、复配或复合、成型、后加工和商品化5个阶段，但有时有的阶段可以合并、省略或交叉。

1．3．1合成

①必须不断地有目的地开发新化合物，因为精细化工产品品种的新陈代谢比较快。一般，当合成出一种性能优越的新化合物之后，就可以在它的基础上发展出一系列新品种。但要合成这样的化合物，首先必须研究清楚结构与性能的关系。目前不少人正在努力探明这一规律，试图根据已掌握的规律来设计所要的化合物。

②必须注意采取适用的合成与分离精制新技术。例如，用传统的化学合成方法不易进行的反应可考虑用电化学或生物化学方法合成；在均一相中不易进行的反应可考虑采用相转移催化剂在不相混溶的两相体系中进行；用一般萃取方法不易分离精制时可考虑采用超临界萃取法，等等。采用新技术的目的是为了达到高质量、高收率和缩短流程。如果全流程由8

个工序组成，即使每一工序的收率为80％一90％，则最后的总收率仅为17％一43%。对原料、中间体和最终产品必须严格控制质量，否则将导致事倍功半，甚至前功尽弃。即使要求产品中含有一定量的某种杂质，也必须先制得高纯度的产品，然后再按要求有控制地往其中添加纯“杂质”，就像半导体材料的“掺杂”那样。

③必须善于发掘物性，并有针对性地充分运用物性。因此新材料不一定全靠新化合物来解决，大部分还要靠用好现有的化合物。例如，作为塑料来说，一般不希望产品中含有低分子量的聚合物，可是作为胶粘剂来说，低聚物却大有用场，现在已不满足于利用合成树脂的副产物，而专门进行低聚物的合成了。特别应该指出的是，要用好已有的化合物，还要善于运用学科与行业之间的相互交叉。例如，近年来langmuir和Blodgett等人把表面活性剂能够形成单分子膜的特性与不饱和单体能够在紫外线或电子束辐照下进行聚合的特性结合起来，开发成功LB膜。这是一种有机半导体材料，可用于制太阳能电池、光致变色元件、光集成电路等，一旦工业化，将会使电子计算机进一步微型化和高功能化。

1．3．2复配

①关键在于研究清楚各组分的作用机理以及复配后的组成与性能的关系，尤其要善于利用各组分之间的协同效应，即有时单一组分不起作用或作用不大，而配合使用时其效能却提高若干倍。

②有时组分的物理形态如粒度、晶型、孔径、比表面等等对复配后的性能有很大影响，所以不仅要注意各组分和复配物的化学成分与结构，还要注意其物理形态。

1．3．3复合

必须研究有关复合的法则，以充分发挥材料的作用。各材料之间不能发生有害反应，并须具有较好的润湿性或粘附性，必要时应进行表面处理。

1．3．4成型

①必须研究适用的成型技术与设备，以便将材料加工成板、棒、管、膜、颗粒、纤维、蜂窝及其它形状；或制成所要的特殊剂型如微球、微胶囊等。精细化工产品的形状或剂型好坏往往对性能影响很大，而且往往还要求进行高精度加工，并能达到尺寸稳定(例如电子工业元件、医用高分子材料等)、和剂型稳定(例如医药、农药等)。

②越是高功能的材料，越不易加工成型，所以必须防止材料在加工成型过程中性能下降，或有外来杂质混入。例如，陶瓷在成型后需要进行烧结。迄今为止，大多数陶瓷都是氧化物陶瓷，其分子由离子键构成，所以结合力较差，而且在烧结前要加入烧结剂，使其在颗粒与颗粒之间形成低共熔物，从而烧结成制品。结果就造成氧化物陶瓷在高温下强度下降。为了满足内燃机和透平机轻量化的需要近年来人们开始研制碳化硅、氮化硅等非氧化物陶瓷，亦即精细陶瓷。它的分子由共价键构成，结合力较强，高温强度也较好，为了不牺牲其功能，就不能再采取加入烧结剂的办法来进行烧结，而必须在高于过去500℃的温度下亦即在1500—2000℃进行烧结。为此，人们开发了许多新装置。另外，还要控成型前进行超细粉碎。过去认为粒径达到数微米就够细了，甚至水泥之类达到数十微米就算作微粒了。现在则微粒的概念已大不相同，数十微米的只叫粉粒，数微米的才叫微米，0，1μm的叫亚微粒，再细的叫超微粒。精细陶瓷原料要求粉碎到亚微粒程度，而且粒度要均匀。用普通的粉碎机已满足不了这种要求，必须开发超细粉碎技术。在粉碎过程中还要防止有设备材料脱落和产生热量过多，导致材料变质。

有时复配、复合与成型可结合进行。例如，近年来出现许多特种工程塑料，它们是以聚碳酸酯、聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二酯、聚苯醚等的共聚物为主体，与特种ABS树脂共混，并用纤维增强，采取薄板模塑法，制造汽车保险杠和发动机零件等。此外还开发出饱和聚酯的液晶自增强塑料、聚氨酯的反应注塑成型塑料、聚醚酯或聚醚砜与二异氰酸酯的互穿网络塑料等。目前在美国。工程塑料用于交通运输和电机电子方面的已各占30％。现在已有人