高分子材料的历史回顾与未来展望

高分子材料的历史回顾

与未来展望

Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

高分子材料科学与工程的

历史回顾与未来展望

姓名：刘浩

摘要：高分子材料科学作为一种前沿学科，在当前也保持一种持续发展的态势。本文从基本概念以及发展的过程向大家介绍这一门科学。

关键词：高分子材料，现状，可持续发展

1.高分子材料的相关概念

高分子材料的基本概念及来源

高分子材料（macromolecular material），以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。按来源可分为分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。

高分子材料的分类

高分子材料按照特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等，其中前三种被称为高分子的三大材料。

橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小，分子链柔性好，在外力作用下可产生较大形变，除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。

高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料，经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高，一般为结晶聚合物。

塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分，再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料；按用途又分为通用塑料和工程塑料。

按照分子链主链结构分为三类。碳链高分子：分子主链由C原子组成，如： PP、PE、PVC。杂链高聚物：分子主链由C、O、N、P等原子构成。如：聚酰胺、聚酯、硅油。元素有机高聚物：分子主链不含C原子，仅由一些杂原子组成的高分子。如：硅橡胶。另外还有其有其他分类比如按高分子主链几何形状分类：线型高聚物，支链型高聚物，体型高聚物等。

2.高分子材料科学与工程的发展进程

高分子材料科学与工程的发展历史

材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础，它先于人类存在，人类社会一开始就与材料结下不解之缘，材料的进步和发展直接影响人来生活质量的改善和科学技术的进步。目前，材料已和能源，信息并列成为现代科学技术进步的三大支柱。其中材料是工业发展的基础，一个国家的材料品种和总产量是直接衡量其科学技术、经济发展和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的标志。高分子材料相对于传统材料如玻璃，陶瓷，水泥，金属而言是后起的材料，但其发展速度以及应用的广泛性却大大超过了传统材料，它已成为工业农业、国防和科技等领域的重要材料。高分子材料既可用于结构材料，又可用于功能材料。高分子材料已广泛渗透与人类生活的各个方面，通俗的说就是衣食住行，锅碗瓢盆，现代生活中几乎所有事物都直接或间接与高分子材料联系起来。高分子材料可分为天然高分子材料和合成高分子材料两大类。人类远古时期就开始使用皮毛、棉花、天然橡胶、纤维素、虫胶、蚕丝、甲壳苏、木料等一系列天然高分子材料。随着社会的发展，也相应开发出了天然高分子材料的改性和加工工艺。例如19世纪中叶，德国人用硝酸溶解纤维素，然后纺成丝或制成膜，并利用其易燃的性能制成炸药。1823年，英国建造了世界上第一座橡胶工厂，生产防水胶布。但当时所用的工艺十分原始，采用溶解法，将橡胶溶于有机溶剂中然后涂抹到布上。当时的橡胶受热变软遇冷变硬，受温度影响很大。1839年，美国人发现了橡胶的硫化方法，通过硫化大大加强了橡胶的弹性和硬度，开辟了橡胶工业的广泛前景，橡胶工业开始蓬勃发展，形成了塑炼、混炼、压延、压出、这一完整的加工过程并快速发展，同时也极大地推动了相关产业的发展。合成高分子的诞生和发展开始于酚醛树脂。20世纪初期，科学家发现苯酚与甲醛的反应，在酸和碱的条件下会得到线性和体型两种树脂。从此以后合成并工业生产的高分子材料种类迅速扩展。20世纪60年代后期高分子合成工业日新月异的发展，新的产物和产品层出不穷，合成了各种特性的塑料材料，如聚甲醛、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚等；合成了特种涂料、粘合剂、液体橡胶、热塑性弹性体以及耐高温特种有机纤维，使高分子合成的产品成为国民经济和日常生活不可或缺的材料。目前，高分子材料正向功能化、智能化、精细化方向发展，使其由结构材料向具有光、声、电、磁、生物医学、仿生、催化、物质分离以及能量转换等效应的功能材料方向扩展，分离材料、光导材料、生物材料、储能材料、智能材料、纳米材料、电子信息材料等的发展表明了这种发展趋势。与此同时，在高分子材料的生产加工也引进了各种先进技术，如等离子体技术、激光技术、辐射技术等。而且结构与性能的关系的研究也由宏观转到微观，从定性进入定量，有静态进入动态，正逐步实现在分子设计水平上合成并制备所要求性能的新型材料。当今世界，材料科学和新型材料技术是优先发展的重要技术，高分子材料已成为现代工程材料的主要支柱。

高分子材料科学与工程的发展现状

由于材料的广泛性，普适性，差异性，单单从一个大方向来描述高分子材料的发展现状是不可取的也是不全面的，所以将分为几个领域分别介绍目前的发展现状。

在医学领域中，有一种材料被称为生物医用材料，它指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人

工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。而高分子合成的医用材料通过分子设计和聚合，能够获得具有良好物理性能和生物相容性的生物材料，其中高分子软材料常用来作为人体软组织如血管、食道和指关节等的替代品。合成的高分子硬材料可以用来作人工人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等；液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。在我国，生物医用高分子化工材料的技术较低，生产水平和发展速度都达不到国际水平，由于生物医用高分子材料的研发具有一定的周期，并且周期较长，需要通过体外实验、动物实验、临床实验等阶段，并且所采用的材料需要经过国家药品和医疗器械检验部门的检验和批准，并且这些检验和批准的程序较为复杂，并且费用较高，成本较大。因此我国生物医用高分子材料仍处在产量低、质量差、品种少以及规格不全的阶段，但随着医学水平的发展和人们的需要，这种现状会慢慢改善，并逐渐发挥出巨大的医学作用。

在电气工业领域，高分子材料也有杰出的表现。随着时代的发展，高分子材料在电子、家电和通信领域。高分子在电气电子工业主要用作绝缘、屏蔽、导电、导磁等材料；在通信领域，高分子材料的需求量随着社会的发展，高分子材料不仅广泛用于各类终端设备，而且作为生产光纤、光盘等高性能材料使用。我国电气生产大国，全

行业对高分子材料需求量较大用量。高分子材料轻质、绝缘、耐腐蚀、表面质量高和易于成型加工的特点这正是生产各种家用电器的最佳材料,而家用电器是人们的必须生活用品，所以高分子材料电气工业的发展是会一直进行下去的。

在机械制造领域更加少不了高分子材料。比如，目前在汽车方面中，由于高分子材料中的塑料相比传统的金属具有成本低、重量轻、可塑性强、原材料渠道多样化、可替换性强等诸多优点。目前世界不少轿车的塑料用量已经超过 120千克 / 辆，个别车型还要高，德国高级轿车用量已经达到300 千克 / 辆。国内一些轿车的塑料用量已经达到200 千克 / 辆。可见在汽车制造方面，高分子的发展还是比较成熟，系统的。并且可以预见，随着汽车轻量化进程的加速，塑料在汽车中的应用将更加广泛。再比如在航天方面，我国航天工业建立伊始，为了满足当时的迫切需求，我国开展了大量特种橡胶材料的研制攻关工作；随着我国工业的发展，高性能橡胶材料及应用技术也取得了长足进步。通过查阅，可以通过一张图表展示出高分子三大材料之一的橡胶在航天器方面的应用。

由此表看出高分子材料在一些高精尖领域发展的还是不错的，相关的技术已经比较成熟，当然还有一些性能跟好的材料还在研究之中。

高分子材料还在农业，建筑工程，包装行业等众多领域发展已经比较成熟，并且正在朝着一个更加规范，更加科学，更加和谐的方向稳定发展

高分子材料与科学的发展前景

高分子化学材料代表的是一种前沿技术，其发展趋势也必然要适应社会发展的潮流和最先进工业发展的需求。未来高分子材料将更注重与其他学科的交融，高分子材料将逐渐减少对资源的依赖，朝着精细化、绿色友好化、智能化的方向发展，并要始终以科学发展观为指导思想，在可持续发展的路上。

2.3.1精细化

随着时代的发展，微小化，精细化必然成为材料的主流趋势，未来将纳米技术融入其中也是势在必行的。高分子材料的纳米化可以依赖于高分子的纳米合成，这既包括分子层次上的化学方法，也包括分子以上层次的物理方法。利用外场包括温度场、溶剂场、电场、磁场、力场和微重力场等的作用，采用自组装、自组合或自合成等方法，靠分子间的相互作用，构建具有特殊结构形态的分子聚集体。如果再在这种分子聚集体中引发化学成键，则能得到具有高度准确的多级结构的高分子。通过这种精确操作的高分子合成可以准确实现高分子的分子设计。

2.3.2绿色友好化

在强调可持续发展的21世纪，任何事物都在渐渐转型，高分子材料也不例外。实现绿色友好化，需要在材料的合成，生产，运用三方面全方位实现。合成需要使用无污染的化工技术及原料，并且尽量摆脱资源的依赖。但是，现在的高分子合成材料

对石油的依赖性特别强一方面，石油生成的地质过程异常漫长，另一方面，石油又是人类社会的主要能源，石油缺乏资源正日益减少而又无法及时再生，因此寻找可以替代石油的其它资源，则成为21 世纪的高分子化学研究中的一个迫切需要解决的问题。调节原子和分子在物质中的组合配置，控制物质的微观性质、宏观性质和表面性质，就可能使某种物质满足某种使用要求，因而这种物质就能作为材料来使用。因此材料的制备对资源的依赖性和材料的使用与环境的协调性，就成为化学研究中一个独特而又十分重要的方面。当代高分子合成材料依赖于石油这种化石资源。其解决的途径可以是天然高分子的利用，也应包括合成无机高分子的探索。其次在生产方面要尽量做到产出量高，浪费少，实现从单变量控制到多变量控制的跨越。最后应用方面主要体现在对其废弃物的降解及回收利用方面。这两方面基本的原则是一样的，就是要提高资源的综合利用效率，并减少对环境的污染。

目前高分子化学的研究除研究新型的材料之外，研究者们也将用物理方法进行高分子固化和反应纳入到了主要研究内容当中，重点研究无毒无害的原料和可再生性强的原料。比如，现在已经被广泛运用的以水和超临界流体CO2替代溶剂生产可降解的塑料、绿色农药、绿色涂料。对材料的研制也逐步向无污染化迈进。

智能化

在科技飞速发展的今天，一些新型技术，智能材料层出不穷。如果说20 世纪的人类社会文明的标志是合成材料，那么下个世纪将会是智能材料的时代。在这个智能材料的时代，高分子化学同样承担着不可替代的作用。智能材料是材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识的调节、修饰和修复，如若实现，也必然会对人类发展发挥巨大的作用。

结语：

本文通过比较浅层次的语言向大家介绍了高分子这门前沿科学，相信在今后的生活中，随着科技的发展，技术的进步，越来越多的人会认识高分子材料，并投入到这门与人类生活息息相关的科学的研究中去。

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