材料化學工程的應用與發展趨勢

摘要：近年來，在我國社會經濟高速發展的同時，生態建設工作也取得一定進展，通過節能減排，提高資源利用率，保證經濟的可持續發展。在這一過程中，化學材料工程發展起到重要的推動作用。當前新型的有機金屬材料在工業生產中表現出重要作用，新型的半導體材料也在不斷提高半導體發展水平。因此發展新型材料已經成為新時代下經濟發展的重要任務，因此加強對其具體應用的研究具有重要的意義。

關鍵詞：材料化學工程;應用;發展趨勢

1材料化學工程概述

隨著經濟的發展，工業得到了迅速的發展，隨之而來的環境問題也越來越嚴重。國家在發展經濟的同時，堅持實施可持續發展戰略，采取了材料化學工程計劃。國家將材料化學工程引進到新能源的開發與利用、工業領域的優化中。為了更好地實施可持續發展戰略，國家科技研究部門積極開發新材料，希望能夠建立起完整的材料設計和過程優化的理論與方法，將主要的研究內容設定為新材料的膜過程、吸附過程等。科技的進步使各項材料的功能和作用相互融合，例如將聚合物混凝土、薄膜材料應用在玻璃的制作上。科學研究員通過技術來對新型的化學材料進行性能上的轉變與融合，促進其功能的升級。在將新型的化學材料與化學工程進行融合中，可通過改變產品的結構減少對生態的破壞，降低污染材料的使用。

2材料化學工程的應用與發展趨勢

2.1納米材料的應用

納米材料主要的構成部位為極細的晶粒，從其特征維度尺寸來看，納米量級處于0.1nm到100nm，屬于一種固體材料。因納米材料的尺寸處在微觀與宏觀物體兩者之間，所以和常規的材料比較，其具備多方面的效果，包括：量子尺寸效應、表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應以及介電限域效果等。以表面效應為例，指的是納米材料的表面原子數和總原子數之間的比值，會在晶體尺寸變小的情況下，而急劇變大，進一步導致納米材料發生物理性質變化或化學性質變化。當納米材料的顆粒直徑變小，那么其比表面積將會明顯變大，由此表明表面原子所占比重明顯增大。對于其中直徑>0.1μm的顆粒表面效應可以忽略不計;如果顆粒尺寸<0.1μm的情況下，會導致其表面原子的比重快速上升，這樣表面原子便具備非常高的活性，所以也非常不穩定，容易和別的原子結合。例如，化學農藥生產過程中排放大量廢水，為保護生態環境，這些廢水排放前需做無害化處理。而廢水中主要包含苯、有機磷、鹽、酚和汞，其污染物濃度高、毒害性高、成分復雜，利用常規途徑難以降解。納米材料指結構單元的尺寸在1nm-100nm之間的材料，具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。可以利用納米材料吸附廢水中藥物分子，也利用其光催化性能，將有毒有機分子有效轉變為環境友好的無機分子，達到可排放標準。再比如，據中國疾病預防控制中心公布的數據，惡性腫瘤發病率和死亡率均居各種疾病發病率和死亡率的首位，2015年腫瘤發病率為313.28/10萬，死亡率為205.40/10萬，大部分患者確診時已經是中晚期，總體療效不佳，5年生存率為36.9%。在目前的腫瘤綜合治療中，手術治療、化療、放療是腫瘤治療的三大主要手段，然而患者接受各種手段治療之際均存在一定的復發、轉移風險，也可能出現治療相關的并發癥，因此尋找新的治療手段成為十分重要的問題。近年來，納米技術在生物醫藥，尤其是惡性腫瘤診治上的發展和應用受到廣泛關注。納米材料是對至少在某一維度下尺寸介于1-100nm或以這種結構組合而成的超精細材料的統稱。納米材料的尺寸介于原子水平與宏觀物體水平之間，賦予納米材料特殊的性質，如比表面積大、反應活性高、強度高、熱阻低、比熱容高、擴散性高、特殊的磁性和光學性質等，使納米粒子擁有更高的可塑性，使其在醫學影像學診斷和藥物運輸中的應用成為可能。

2.2先進陶瓷的應用

2.2.1電子陶瓷

隨著信息化產業、電子消費產業的快速發展，工業用電子產品、消費電子產品將保持快速發展趨勢，對電子陶瓷的需求巨大，預計到2020年全球電子陶瓷需求將突破400億美元。電子陶瓷是先進陶瓷中最成熟的技術產品，占先進陶瓷市場份額的65%。主要用于芯片、電容、集成電路封裝、傳感器、絕緣體、鐵磁體、壓電陶瓷、半導體、超導等。主要材料有鈦酸鋇、氧化鋅、鈦鋯酸鉛、鈮酸鋰、氮化鋁、二氧化鋯和氧化鋁等。

2.2.2納米陶瓷膜

納米陶瓷膜產生于21世紀初，是氧化樹脂的氧化物，利用光譜篩選的隔熱原理，用最先進的納米技術與優越的噴濺技術制造生產而成。將1米的10億分之一的納米陶瓷物質，均勻涂層在高透明、高品質的聚酯薄膜上，就制成了世界上最先進的能夠具有光譜選擇性，只篩選可見光的納米陶瓷隔熱膜。納米陶瓷膜具有分離效率高、效果穩定、化學穩定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、機械強度高、膜再生性能好、分離過程簡單、能耗低、操作維護簡便、膜使用壽命長等眾多優勢，并且對GPS信號無任何屏蔽作用。納米陶瓷隔熱膜是21世紀的航天領域高科技產品，該產品起先應用于美國軍事、航空、航天領域，如美國航天飛機表面的蜂窩陶瓷涂層等。

2.2.3生物陶瓷

生物陶瓷是指直接作用于人體或者與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料，廣義講，凡屬于生物工程的陶瓷材料統稱為生物陶瓷。作為生物陶瓷材料應具備以下功能：代替人體內有病的或損傷的部分，作為人體先天性缺損部分的代用品，有助于人體內組織的恢復。生物陶瓷類材料在封閉性、粘結性、生物組織相容性、促進生物礦化和誘導成牙本質分化等性能上有顯著優勢，但它也存在凝固時間長、促進牙髓-牙本質再生的能力有限等問題。且其強堿性在誘導牙髓組織形成牙本質橋的同時會引起一部分組織壞死，而這部分壞死的組織會始終保留在形成的鈣化橋中導致其形態缺陷，產生微滲漏。近年來，生物活性分子在第三期牙本質形成過程中發揮的重要作用逐漸被發現，如轉化生長因子-β超家族的生物活性分子（轉化生長因子-β1、成纖維細胞生長因子-2和牙本質基質蛋白-1等）能在較輕的炎癥反應初期誘導第三代牙本質形成。然而，單獨使用生物活性分子時，給藥方式受到限制，難以維持局部有效濃度和長期效果，臨床應用成本較高等缺點限制了它們在臨床的應用。有學者將生物陶瓷類材料負載具有生物活性的小分子物質形成緩釋系統后用于活髓保存治療，如載轉化生長因子-β1/血管內皮生長因子的硫酸鈣/羥基磷灰石半水化合物、載辛伐他汀的中空羥基磷灰石等。未來，在強化新型生物陶瓷材料生物學性能的同時，應進一步研究復合生物活性材料蓋髓劑。

2.3光學薄膜的應用

光學薄膜的理論學科是以光的干涉效應的薄膜光學為基礎的，研究光在層狀介質中的傳播方式。一排光波照射在透明薄膜上，兩列光波分別從薄膜的上下表層或前后表層反射，兩列相干光波相互疊加最終形成干涉反應。該理論能夠準確地描述光在數十微米層、納米層甚至原子層厚膜中的傳播行為，從而能夠設計出不同波長、不同性能、適應不同要求的光學薄膜元件。光學薄膜在平時隨處可見，從精密的光學儀器、顯示器件到我們生活中的很多應用。如果沒有光學薄膜技術作為其發展的基礎，現代光電、通信或激光技術將無法取得進步，這也說明了光學薄膜技術的研究和發展的重要程度。

參考文獻

[1]王昊哲.材料化學工程的應用與發展趨勢探析[J].石化技術，2018，2511：325+332.

[2]李曉娜.材料化學工程的應用及發展趨勢研究[J].云南化工，2018，4503：5-6.

作者簡介：付會兵，浙江工業大學，生物工程專業，碩士學歷，現主要從事生物材料及生物傳感器的研發工作。