有机高分子材料综述3

聚合物材料的发展应用综述

王奇华

有机高分子聚合物是由小分子单体以重复连接方式结合而成的长链大分子。化学家发展有机大分子的目标，是通过巧妙操控这些分子结构单元并利用其与功用的联系来发展当今社会需要的各种特殊材料。高分子化学在20世纪早期随着高分子材料尼龙等的出现有过一次大的飞跃。今天，对高分子聚合的大多数工作都主要是改进和精细调适现有的技术。但对聚合物化学家和对高分子材料来讲仍有机会。高分子材料在许多领域出现了一些重大进展。而塑料在所有材料中用途是非常广泛的。塑料以其优越的特性成为21世纪的宠儿，被广泛应用于各个方面。虽然塑料对环境造成了危害，但塑料制品在我们生活中的作用是不容忽视的，而塑料也不会被其他材料替代，因为塑料有其优越的性能。下面就高分子材料的地位、特点、近年来的重大进展以及我所关注的塑料的发展状况作一下简单的介绍。

一、高分子科学近年来取得的重要进展

（一）、高分子化学

在高分子合成方面，聚烯烃方面的微小突破就会带来很大的影响。道化学公司的研究小组[1]利用高通量筛选找到了两种催化剂，带取代基双（水杨醛亚胺）锆作为乙烯聚合催化剂、带取代基的吡啶-胺铪作为辛烯-1聚合催化剂，在这种“链穿梭聚合”中，在单一反应器中利用二乙基锌作为链转移剂和聚合物链的“储藏库”，间歇穿梭于两种催化剂之间形成两种聚合物的交替嵌段，共聚物中嵌段数链转移速度可由单体和二乙基锌浓度来控制。可以获得工业化规模的一系列乙烯-辛烯多嵌段共聚物。连续过程有许多优点：性能比无规共聚物或两种均聚物共混物优异，比现有共聚物生产分批过程更加有效、经济和绿色、为一类新型热塑性弹性体的创制提供了新途径，有望获得新型聚合物产品。

“Click”化学的运用正处于广泛运用的时期，属于高分子合成中简单易行、高选择性、单一产物的新途径[6]。近期《Macromolecules》点击率很高的论文多篇为此方面的，国内学者也已开始此领域的研究。

2005年包括易位聚合在内的烯烃易位反应获得了诺贝尔化学奖。该领域的研究仍是国际上的热点。Schrock[7]最近报导了以Schrock催化剂引发取代环丙烯活性易位开环聚合（ROMP）。这样将活性ROMP从双环烯拓展到了单环烯烃聚合物分子量与理论值接近，其分子量高达34300、分子量分布为1.04。Grubbs[8]发展了烯烃易位聚合水溶性催化剂，实现了水溶性降冰片烯的易位开环聚合，进一步显示了此类聚合的优势。关键是在Grubbs催化剂的配体上接上了PEG。聚合物收率很高。

高分子化学近期的热点领域仍为可控聚合与树枝状聚合物的制备，我国高分子学者在高分子化学领域取得的代表性进展举例如下：

1、高选择性交替共聚：

脂肪族聚碳酸酯是环境可降解高分子，可有CO2与环氧完聚合反应来获得。吕小兵等[9]在过去初步结果的基础上，系统详细的研究了可控聚合的各个影响因素和机理。在温和条件下，以双组分催化剂（手性四配位Schiff碱钴配合物作为亲电试剂与离子化有机铵盐或空间受阻有机强碱作为亲核试剂）作用下，CO2和外消旋环氧烷进行不对称区域高选择性和立构高选择性交替聚合，获得的聚碳酸酯具有>95％的头-尾结构和>99％的碳酸酯连接。还研究了不对称交替共聚及环己环氧烷存在下的三元共聚，讨论了聚合物玻璃化转变与组成调控的规律。[10]

2、特殊构筑高分子合成：

发展可控聚合反应方法，制备特殊构筑高分子实现聚合物结构与性能的精确调控是近期的热点方向。朱新远、颜德岳等[11]利用β-环糊精与缩聚单体间主客体超分子相互作用实现了对超支化聚合构筑的调控。他们以二乙烯基砜为A2单体、1-（2-氨基乙基）哌嗪为BB ′2单体，1-（2-氨基乙基）哌嗪中伯胺与仲胺间活性有明显差别。因此形成AaBb′2型中间体，进一步的聚合可制备超支化聚（砜-胺）。在聚合过程中加入β-环糊精，由于形成包合物而是1-（2-氨基乙基）哌嗪重复单元一端的部分氨基被“屏蔽”，因而减少增长中的进一步支化。形成包合物的单体只有一个氨基可发生聚合反应，导致线行增长。随着聚合体系中β-环糊精含量增大，所得到的聚合物超支化程度减少。因此，能通过调控β-环糊精与1-（2-氨基乙基）哌嗪比例，就能控制聚（砜-胺）从超支化凝胶到可溶性线形分子的构筑，不仅如此，当将从线形聚合物β-环糊精出去后，被“屏蔽”的氨基还可被活化，进一步反应获得新的聚合物，如进一步反应获得刷状聚合物。文章发表后《Nature Material》在2006，5（2）：81“研究集锦（Research Highlights）”栏目进行了评述。

由二缩水甘油-1，4-丁二醇醚（BDE）和三元醇经质子转移聚合获得了一类新型的主链热敏超支化聚醚[12]。先是三元醇与KH作用形成醇钾类引发剂，与BDE反应形成的二级醇钾经快速质子转移形成一级醇钾，之后的增长反应活性中心有两种醇钾，形成超支化聚醚，这种聚合物在较低温度时溶于水，而温度升高时，体系突然变成不透明，降温后又成为透明，即具有最低临界溶液温度（LCST），随着BDE与三元醇比例增大，获得的超支化聚合物的支化程度增加，其最低临界溶液温度（LCST）可在19.0到40.3℃之间调节。

合成了外冠分别带有8或16个硫代苯甲酸酯基团的二代或三代树枝状聚丙撑亚胺化合物，通过RAFT可控制聚合反应，分别制备了核为树枝状结构、壳为8或16个等长枝链星状臂的聚合物[13]，直链部分分子量分布小于1.3。还制备了星状臂为（苯乙烯-丙烯酸甲酯）嵌段共聚物的树枝状-星形聚合物。

聚合物/碳纳米管复合材料研究中，在碳纳米管表面以共价键链接高分子有望改善碳纳米管在聚合物中分散、增大界面相互作用。他们先在碳纳米管表面引入异丁酸酯溴取代基团，以同时可作为引发剂和单体的化合物2-（（溴代丁酰）氧）乙基丙烯酸酯进行ATRP聚合，获得的产物聚合物占80％（w/w％）。

（二）光电功能高分子

导电高分子合成若能减少所形成聚合物结构缺陷，将导致光电性能的显著优化。一般导

电高分子随温度降低导电性下降，通过一种“油滴式合成法”制备了导电性能优异的聚苯胺，聚合介质为非均相有机/水双溶剂，无需任何外加稳定剂，实现分散聚合自稳定化，获得的聚苯胺在导电、红外反射等方面与金属类似，特别显著的特点是导电性不随温度降低而降低，在零下268度仍具有很好的导电性[15]。

基于共轭高分子的传感器的研究在近期又有重要进展。如利用荧光淬火作用，以取代聚苯撑乙烯类聚合的发光器件进行多硝基取代苯类炸药检测方面的进展[16]。

在外场下变化时具有可逆形变与形状记忆功能的高分子又有一系列新进展，如利用长波长光照聚合和短波长光照部分交联键裂解光响应形状记忆聚合物[17]。国内学者利用含偶氮聚合物在偏振激光辐照下的可逆形变使聚合物微球逐步变成椭球、乃至棒状[18]。

在聚合物异质结太阳电池研究领域，光电转换效率又有明显提高，已接近或超过5％[19]。主要是通过由立体规整P3HT与PCBM活性层等组成的器件进行热处理而达到的。热处理改善了聚合物纳米尺度的形貌、提高结晶度、提高载流子传输性能及其改进载流子与电极接触，从而提高了器件效率。

以下重点介绍我国学者在发光高分子领域的重要进展，包括共聚提高聚合物电子迁移速率、树枝状共轭高分子改善可加工性、单一高分子获得白光、红外区域光电转换聚合物等方面的突出进展。

在紫外区的发光聚合物研究是具有挑战性的课题，9，9′-二烷基取代-3，6-聚硅芴是第一个在紫外区的发光的共轭聚合物，其能带宽为4eV，发光波长在355nm。[20]

超支化л-共轭树枝状高分子因其尺度为纳米级，具有很好的溶解性，近年来倍受重视，另外，线行л-共轭高分子易发生聚集而导致发光颜色从蓝变成蓝绿、因荧光淬灭使发光效率降低。而超支化聚合物结构可大大降低分子间相互作用而聚集，加上这种球形分子的无定形聚集结构，可改善膜的发光稳定性和效率。用“A2+A2’+B3”合成路线通过Suzuki偶联反应获得了噁二唑与芴超支化嵌段聚合物[21]，所得聚合物具有优异的稳定性，升温退火处理后仍能保持稳定的发光性能。

采用无溶剂Wittig-Horner-Emmons反应，通过简单温和的反应合成了含咔唑和苯撑乙烯单元的树状共轭高分子[22]，具有很好的光电性能。

在有机高分子电致发光器件设计中，为获得白光进而实现全色显示，常采用将发兰色、黄色和红色的多种聚合物（或小分子）共混的方法，但这种“物理掺杂”方法存在相分离和偏压依赖性发光等缺陷。为了克服这些问题，采用将多种发光组分通过共价键连接，获得了具有发射白光功能的单一高分子，即在具有蓝色发光性能的聚芴主链上，嵌入少量发红光的组分，在侧基上接少量发绿光的组分。在以此高分子共聚物为单一发光层的发光器件中，在蓝色、绿色和红色区域同时发光实现白光。这种设计思路被作者称为“化学掺杂”，是获得新型发光功能高分子的新途径[23,24]。发表后文章[23]被《自然》周刊2005年438卷892页研究亮点栏目进行了介绍与评述。文章[24]在2006年3月10日的英国皇家化学会的Chemical Technology栏目和Chemistry World杂志对该成果进行了专题评述。

在近红外到远红外区域发光的高分子的研究对用于远程通讯的发光高分子很有价值，而且，这种高分子对聚合物光伏打电池也很有意义，因为太阳能辐射能量在红外区域所占百分比最大，而一般的共轭聚合物与太阳能红外区域不匹配，不能最大限度利用太阳能，过去研究近红外区域电致发光的是含稀土离子和染料离子体系。通过在聚芴中引入带有硒吩与苯并硒二唑基团的窄带隙单体，得到发光颜色在近红外到远红外的共聚物。由Suzuki偶联聚合得到的一系列共聚物，观察到了从聚芴链段到窄带隙链段的快速能量转移[25]。本体异质结聚合物光伏打电池的响应光波长分别为675nm和750nm。这是第一个能在近红外区域具有电致发光性能的非稀土离子和染料离子体系。当共聚单体改为5，7-二（2-噻吩基）噻[3，4-b]并[1，4]二嗪（DTP）后[26]，最大电致发光峰随着共聚物中窄带隙单体（DTP）含量的增加，从752nm移到了781nm。与其同分异构体4，7-二（2-噻吩基）苯并噻二唑（DBT）与芴的共聚物相比，该类聚合物的吸收红移，与近地太阳光谱更为匹配。

以Suzuki偶联聚合使A-A型B-B型单体聚合形成2-（1-臭樟脑）吡啶双环铱配合物（PF1-NpyIrm）和2-（2-臭樟脑）吡啶双环铱配合物（PF2-NpyIrm）[27]。异构体鳌合共聚物在光物理学、电致发光性能方面有很大的差别。鳌合共聚物的都比相应的配合物红移了20nm。以PF1-NpyIrm制备的发光器件给出高效饱和红光。随电流密度增加，发光效率没有明显衰减，当电流密度提高到100mA/cm2时，外量子产率仍然达5.3％ph/el，表明这类鳌合聚合物适合做磷光聚合物发光二极管。

马於光等报道了用电化学方法制备发光聚合物交联膜[28]，得到的器件具有发光效率比旋涂法好，是在导电玻璃上先涂覆咔唑取代的可聚合芴，然后经电化学聚合形成图案化交联膜，有望发展成新型、简便、快速和经济的实现彩色图案化的一种新方法。

（三）高分子物理

在高分子结构表征方面，我国学者又有许多新进展：聚（5-{[(4′-庚氧基-4-双苯基）羧基]羟基}-1-戊炔)其组成结构特点是聚炔刚性主链-柔性间隔基-液晶基元，其聚集态结构表征具有挑战性[29]。研究了刚性聚乙炔主链及其介晶侧链的协同聚集，观察到该聚合物形成具有排列“受挫”高度有序的近晶相。由于其主链刚性和较短柔性间隔基，此聚合物表现出片状分子结构，液晶的构筑单元是整个片状分子。由五层分子堆积形成近晶单元，因相体系密度和偶极矩空间调制的影响，这些片状分子很容易发生平行滑移，使相邻的相微畴间相互错开一半的分子宽度，观察到纳米图案化，其间距由侧链长度决定。

由于技术限制，过去只能通过离位原子力显微镜方法研究聚合物表面相分离过程，但其可信度不够理想。用带有热台温控的原子力显微镜，可得到真实的高分辨表面相分离形态和结构演变。研究了PMMA和SAN共混薄膜原位研究了其相图[30]，并进一步研究了远离临界点的共混薄膜表面相分离动力学。研究时间尺度内特征波矢随时间变化的标度关系。

对蜘蛛丝力学性能的研究是广泛受重视的课题，但环境温度与蜘蛛丝力学性能的关系很少有人注意。邵正中等[31]研究了各种环境温度变化对蜘蛛丝Nephila deulis主腺体丝力学性能的影响。观察到了很低的温度下Nephila edulis主腺体丝具有很显著的韧性，是蜘蛛丝独有的，合成高分子无这种力学特性。且在液氮低温仍能保持可测试性，表明在极端条件下蜘蛛丝可作为超级纤维使用。他们还研究了Nephila edulis主腺体丝纺丝条件收缩性能与力学性能的影响[32]，随着纺丝条件的变化，丝的收缩率也在改变。尝试了在收缩性能

与力学性能之间建立关联，认为蜘蛛丝力学性能的差异主要是内部大分子链取向程度不同造成的，为通过高分子聚集态结构调控进行仿生制备提供了理论基础。

运用现代计算与模拟方法，对高分子体系进行研究是十分重要的方向之一。软物质科学的研究是高分子科学的新方向。

（四）、高分子自组装：

我国学者近年来在易制备无规共聚物、均聚物或树枝状嵌段聚合物自组装，环境响应（光控、温敏、PH敏感、仿生物膜等）囊泡的研究，聚合与组装一步完成等方面做出了很有特色的研究工作。其中，许多是我国学者独辟蹊径，有自己的特色，例如，在高分子多组分、多层次、多尺度组装与功能集成方面取得了重要进展，克服了国际上主要采用嵌段聚合物来组装聚合物所存在的合成困难、品种及结构有较大的局限性的问题。

1、利用主-客体作用自组装

江明等[33]通过带环糊精侧基的甲基丙烯酸酯均聚物（PGMA-CD）和带金刚烷基丙烯酸酯与叔丁基丙烯酸酯无规共聚物（PtBA-ADA）的自组装形成具有独特结构的胶束。在水介质中，利用环糊精（CD）与金刚烷基（ADA）间的包合作用作为构筑聚合物胶束的驱动力，以疏水核PtBA-ADA与亲水壳层PGMA-CD构成环糊精在表面的胶束；进一步通过表面羟基交联反应、改变溶剂将核溶去核就得到PGMA-CD网络的空心囊泡，形成具有多级空腔的胶束：亚微米尺度的心空腔和存在于表明的0.7nm的大量环糊精微空腔。文章发表后美国化学会网站Heart Cut栏目于2006年5月1日进行了介绍和评述。

2、类细胞囊泡融合、分裂过程的实时观测与计算模拟：生物膜从事着大量精细而高度可控的基于生物大分子分子自组装的生命活动，如生物膜的变形过程包括细胞融合、细胞分裂等。颜德岳等利用超支化多臂共聚物“HBPO-star-PEO”在水中自组装得到了巨型聚合物囊泡。利用这种囊泡作为模型薄膜，对薄膜分裂[34]和融合过程[35]中所包含的物理本质进行了详细研究，提出了基于薄膜渗透性控制的囊泡融合和分裂机理。实时观察了类似生物膜的动态分裂并提出协同分裂概念：含有子囊泡的母体囊泡在膜分裂时显示出协同效应；融合囊泡在横向方向融合孔周围颈部发生形变，证明了融合孔在囊泡形变横向张力的重要性，这预示着融合过程中并不是必需蛋白质存在，支持了邻近囊泡膜的模型。这样他们将细胞仿生化学扩展到了聚合物体系。

3、通过聚合反应过程一步获得瓶刷状纳米线是江明研究小组最近的一项进展[36]，利用活性负离子聚合制备嵌段共聚物，第二嵌段含大量可交联单体，在聚合过程中嵌段共聚物经交联诱导组装形成纳米颗粒，此时，壳层为聚苯乙烯核为聚（四乙烯基吡啶-b-对二乙烯基苯），核层仍具有可反应性，最初两个球形纳米离子靠近时，核中的反应活性中心可与另一个球形纳米粒子中的悬垂双键反应发生粒子二聚，此后，纳米粒子多聚体外表的聚苯乙烯壳层分布密度发生变化，在密度大的地方，芯层的反应活性中心可聚合基团被屏蔽了，而在两端，芯层的反应活性中心或可聚合基团仍与球形纳米粒子相同，可继续与其他纳米粒子或多聚体结合最终形成线性或接枝状纳米线。

4、环境响应囊泡：江明等[37]报道了光控胶束化、光控胶束-空心囊泡转换自组装体系。采用4-乙烯吡啶-4-偶氮苯基马来酰胺共聚物（AzoMI-Vpy）与双端羟基聚丁二烯（CPB）在

共同溶剂中复合。在紫外光照时偶氮苯反式结构向顺式结构异构化，导致AzoMI-Vpy极性增大溶解性降低，趋于沉淀，但由于羟基与吡啶基间氢键作用使CPB包覆在AzoMI-Vpy外从而形成核壳胶束，避免沉淀；再以可见光照溶液时，偶氮从顺式向反式结构转变，可使核壳胶束消失，这种光控胶束化可反复重复；在用1，4-二溴丁烯使核壳胶束核区域内吡啶发生交联后，这种胶束在以可见光照时从核壳胶束变成了空心囊泡，此时核层与溶剂作用增强，发生溶胀。这种胶束-空心囊泡的转变也是可逆光控的。

史林启等[38]研究了形成温度与PH双重响应的通道的聚合物胶束。以聚叔丁基丙烯酸酯-b-聚异丙基丙烯酰胺（PtBA-b-PNIPAM）聚叔丁基丙烯酸酯-b-聚3-乙烯基吡啶（PtBA-b-P4VP）复合体系形成的胶束。在所形成的胶束中，壳层为PNIPAM和P4VP复合形成的，在酸性室温条件下，这两种聚合物嵌段均呈伸展状；当在酸性较高温条件下（50℃），PNIPAM变成不溶，此时P4VP微区形成通道；而在碱性室温条件下，PNIPAM微区形成通道。通道的尺寸和透过率可通过改变嵌段聚合物组成和改变环境来调控。

5、树枝化嵌段聚合物组装：采用逐步收敛法合成了树枝化嵌段聚合物，一个树枝化片为三代聚苯醚，另一个是三代脂肪族聚醚，在四氢呋喃/二异丙醚中，树枝化片聚苯醚表现的像疏水段，而树枝化脂肪族聚醚表现的像亲水段，能够在选择性有机溶剂中形成囊泡，表明这类高分子能够通过自组装形成超分子组装体。研究了树枝化嵌段聚合物能形成交错对插组装层进而形成囊泡[39]，研究了分子构筑对交错交叉结构与囊泡形成的影响。树枝化嵌段聚合物形成的囊泡壁厚为100nm，比相应相同分子量线形嵌段聚合物所形成的囊泡壁厚要小。

主链为柔性、带有树枝化侧基的聚合物因侧基体积大而呈现刚性或半刚性。这一领域的研究近年来很受重视。习复、陈尔强等[40]合成了一种两亲ABA型三嵌段共聚物，其中间段B为亲水PEG、两段A为半刚性疏水带树枝化取代基的聚甲基丙烯酸甲酯。随着四氢呋喃/水混合溶剂水含量增大，组装从核-穗球形胶束、柱状胶束、柱状胶束形成螺旋结构、螺旋柱状胶束进一步组装形成超级螺旋或超级环状聚集体。

（五）、高分子/无机杂化复合体系

高分子/碳纳米管杂化体系的研究是最近的一个热点。与此相近的是高分子/石墨复合体系。石墨片为厚度是一个原子的二维层状碳材料，性能独特，将石墨作为复合材料的增强剂，将能很好的运用其优异性能。如何能均匀的将分散在基体中是一个重要问题，一般的石墨很难剥离形成单层石墨片分散。Stankovich等[41]报道了将石墨片完全剥离、通过化学改性使石墨片以分子水平分散到聚合物基体中。在室温下只要千分之一就达到导电逾渗值，是所有复合材料体系中最低值，与碳纳米管复合材料相当。石墨片含量为百分之一时，导电率可达0.1Sm-1，达到导电基体应用要求。

高分子/无机复合与杂化体系的研究是近年来很重要的方向，杨柏等[42]在高含量化合物半导体量子点纳米粒子/聚合物复合材料制备方面又有新的进展。通过巧妙设计带烷基季铵化聚苯乙烯共聚物，与巯基取代羧酸包覆的纳米晶复合实现了可加工性，能加工形成环、螺环、纤维状、单色或多色微球，还能形成纳米图案化。他们以羟乙基硫醇包覆的ZnS纳米粒子与单体（苯乙烯、二乙烯基苯和N，N-二甲基丙烯酰胺）混合，其中N，N-二甲基丙烯酰胺对ZnS纳米粒子有很好的稳定作用，以γ射线引发聚合，ZnS纳米粒子含量远大于文献

中的方法，最高重量百分比可高达50％。其光学透明性非常好，折光指数随ZnS增大而增大[43]。他们以双甲基丙烯酸铅在醇类溶剂中自组装形成直径为200－300nm的纳米纤维，以γ射线引发聚合避免了纳米纤维形态的变化，获得的聚合物纳米纤维具有很好的耐溶剂性。这种聚合物中铅粒子重量百分比高达54.9％，在室温下以H2S气体处理聚合物纳米纤维，就获得了分散在聚合物纤维中、直径为4nm的PbS纳米粒子[44]。这种原位制备方法简单易行，不会引入杂质也无需任何处理就能获得稳定均匀分散半导体化合物纳米粒子/聚合物纳米纤维，有望用于光、电、磁器件的制备。

此外，在碳纳米管/聚合物杂化体系研究方面有许多新进展。

（六）、生物医用高分子

基因治疗是目前很具潜力的治疗手段，其发展的瓶颈之一是基因传递载体。作为基因药物的重要组成部分，其作用是将治疗基因运送到目标部位。聚酰胺-胺树状高分子因其球形结构并能形成正离子，因此作为新型非病毒基因载体。合成了以季戊四醇、间苯三甲醇、肌醇为核的的聚酰胺-胺树状高分子[45]，对比了臂数、代数等对聚酰胺-胺树状高分子体外生物相容性、与质粒DNA复合组装的影响。

组织工程发展要求制备生物功能化的支架，使其不仅能为细胞提供物理上的支持，也能为形成功能化组织提供化学和生物学上的诱导。为实现这个目的，分五步合成了RGD短肽接枝的聚乙二醇-聚乳酸-聚谷氨酸三嵌段共聚物（PEG-PLA-PGL/RGD），与丙交酯和乙交酯的无规嵌段共聚物混合制成聚合物膜，研究它的性质及细胞实验，发现PEG-PLA-PGL/RGD的存在明显增大了膜的亲水性，有效的促进软骨细胞和3T3细胞在膜表面的黏附能力以及增殖能力[46]。

高分子科学与生命科学交叉研究方面，具有高分子北京的研究者对生命科学基础与前沿的理解、切入点及实验手段等方面尚不足，有重要影响的研究小组还不多。

二、塑料是个极有前途的高分子材料分支

随着塑料工业技术的迅速发展，当前世界塑料总产量已超过1.5亿吨，其用途已渗透到国民经济各部门以及人民生活的各个领域，已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。但随着塑料产量的不断增长和用途的不断扩大，其废弃物中塑料的重量比已达10%以上，体积比则达30%左右，它对环境的污染、对生态平衡的破坏已引起了社会的极大关注，为此，高效的塑料回收利用技术和降解塑料的研究开发已成为塑料工业界、包装工业界发展的重要发展战略，而且成为全球瞩目的研究开发热点。

（一）塑料的革命

今天我们每个人都被塑料包围着。从儿童玩具到仪器和容器，从计算机和电话机的外壳到汽车轮胎及其他部件，从尼龙紧身内衣到航天飞机零部件，我们的生活被牢牢地拴在大分子的长链上。用科学术语来说，具有这些大分子链的化合物称为聚合物。塑料究竟是怎样制成的，怎样生产出日用物品？有哪些不同寻常的应用前景呢？当然，人们最关心的恐怕还是

如何处理和再利用这些难以自然降解的塑料，因为这与环境保护密切相关。

聚合物的分子非常大，有时甚至是几百万个相同的小分子头尾相接而得到一个极长的分子。聚合物也称高分子化合物，不全是人工合成的。在自然界也有天然的大分子：各种生命形式中的蛋白质、土豆和粮食中的淀粉，或者木材的主要成分纤维素都是高分子物质。与一个水或氧的分子相比，高分子化合物的一个大分子要比它们大上数十倍乃至千万倍。

对天然聚合物进行加工可获得人造聚合物，使物质的特性得到加强，从而增强它的性能。从纤维素可生产人造丝，它是像蚕丝一样细和光滑的纤维，但强度极高。

完全人工合成的聚合物“诞生”于1935年，杜邦化学公司实验室研究人员华莱士合成了尼龙的第一个大分子。这种强度极高的纺织纤维的开发开创了我们称为“材料革命”的时代。

不久，除了尼龙的“后几代”纺织纤维外，以塑料和橡胶形式出现的合成聚合物迅速从实验室研究过渡到日常生活的应用之中，并且以质量和价格的优势排挤了木材、金属等传统材料。

当进一步的研究弄清楚了合成聚合物具有的潜能时，一场真正的革命才爆发了：为制造一件产品不再需要从现有的少数材料中去搜寻，而是根据产品性能的要求，去设计生产适合该产品需要的材料。

（二）不同塑料的不同表现

无论是一个饮料瓶、一件防风衣还是一盘录像带，这些完全不同的东西都是用相同的聚会物制成的，只要把聚合物加以适当改变，就会使它们呈现出如此不同的性质。

只要改变聚合物大分子的结构，也就是说改变它的基础分子的数量和排列方式，就能赋予它优于另一种材料的特性（如弹性、可塑性等等）。聚合物间的差别不仅取决于构成聚合物的原子的不同性质和这些原子所确定的键的种类，而且还取决于它们的大分子链的结构，即大分子在空间的排列。每一个不同结构就意味着形成一种新的聚合物，并具有与原有的聚合物不同的性能。

聚合物之间的重要差别还在于它们的结晶程度，即大分子顺序排列的程度。可分为结晶聚合物和非结晶聚合物，结晶聚合物的链是有规则和有序排列的，非结晶聚合物的链是不规则排列的。如果聚合物结晶程度比较高，产品就会更坚硬结实但可塑性差，反之亦然。在合成树脂、纤维和橡胶中，合成橡胶是结晶结构较少的聚合物。

不断开发出多种多样的加工方法也使聚合物具有了更广泛用途，使用不同的加工方法可以使相同化学结构的高分子材料获得非常不同的表面特性。所以，做成风衣或绒衣的纺织纤维只是把合成树脂的大分子链“拉长”而已，不“拉长”的用来做瓶子的塑料，“拉长”成薄膜可用作磁带的主要材料。对于橡胶，不管是天然的还是合成的，人们立刻会想到它的弹性。这些弹性聚合物也称弹性体，有一种柔性，但经特殊处理，即硫化作用就成为“橡胶状”和具有抗热性的物质。

（三）几种常用塑料的性质和用途

1、降解塑料危害更严重

捧在手上的一次性发泡塑料饭盒，颜色不像过去用的那样白了，盒底上“降解塑料”几个大字清晰可辨。“白色污染”的克星真的就是降解塑料吗？使用可降解塑料就意味着更环保了吗？专家的答案显然有点让人出乎意外：降解塑料的危害更严重！

在“2004健康产业与生命科学高层论坛”上，上海市环保产业协会副会长郑华兴先生用十分肯定的口吻对降解塑料予以了否定。郑先生说，目前上海市场上的可降解塑料饭盒有两种，一种是所谓的光降解，即在原有高分子塑料中加入一定比例的光敏剂，或是面碳酸钙、滑石粉；另一种则是生物降解，即在塑料原料中加入淀粉或藕合剂。由于塑料是高分子材料，它永远不能像植物纤维那样还原成二氧化碳和水。降解后的塑料分子依然会与土壤结合，使土壤的微生物减少，造成土壤板结、沙化、农作物减产。说到底，降解塑料实际上只是使塑料提前老化或裂化、粉化，让人眼睛看不见而已，最多也仅仅只是减少了视觉污染。值得关注的是，一个不容忽视的严重后果还将伴随着这一产品的使用而影响消费者的健康，塑料饭盒等产品中添加的碳酸钙及滑石粉会残留在食物当中，消费者食用后会产生肾结结石。目前，美国、欧洲、日本、韩国等一些发达国家已不再提倡生产和使用降解塑料一次性用品。

“禁白”的关键是打造环保替代品。据郑先生介绍，上世纪90年代初，国内就已研制生产了以甘蔗、芦苇、稻麦草等天然植物纤维为原料的纸浆餐具，使用中可抗120℃的高温油，100℃开水烫，两小时不渗漏，使用后回收还可再生造纸，填埋可泥化为有机肥料，成为二氧化碳和水，还原于自然，不会污染环境。

但是，由于纸浆餐具的成本较一次性发泡塑料餐具高得多，就是与降解塑料餐具相比也高了许多，致使这一利国利民的环保产品叫好不叫座，偏偏给所谓的降解塑料钻了个空子。

2、怎样鉴别食品塑料的安全

塑料由于它轻巧、多用和易塑性、坚固耐久，为食品用塑料开辟了广阔的应用前景。但是食品塑料的兴起，给人类生活、健康带来的安全性问题也不可忽视。特别是那些粗制滥造、以次充好，甚至乱用有毒材料制造的食品容器、餐具、包装材料导致人们发生急、慢性的塑料中毒的事常有发生。因此，对应用广泛、五花十色的食用塑料的鉴别就非常必要。

我国目前允许生产供接触食品的餐具、食品容器、工具、设备、包装材料的塑料主要有四大类:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和三聚氰胺。聚氯乙烯虽然允许单体和纯度限量内使用生产食品容器，但也规定必须配合合格的辅料才能生产，禁止单独使用。

对于各类食用塑料的鉴别和辨认，其实并不难。聚乙烯、聚丙烯是人们应用得最多，接触最广的。日常所见的塑料袋、塑料桶，较脆的筷子、汤匙等。三聚氰胺，主要应用在仿陶瓷的塑料杯，食品用菜盘、容具上，种类较少。

至于聚氯乙烯多用于质地坚固，但接触食品的内衬面必须复合聚乙烯等安全塑料的食具，由于它具有图案鲜明，色彩艳丽，亦颇受欢迎。

还有一种从国外进口的聚偏二氯乙烯，(国内尚未批准)，由于国际上已应用，一般认为亦较安全。市场上常见红色香肠，表面光滑，切面细腻，两端配有两个铝箍的塑料包装材料就是此种。

以上应用于食品上的餐具、容器、包装材料以及生产设备的食用塑料，只要我们了解其各类塑料性能、理化特征与使用范围、禁忌事项，一般来说是比较安全的，不必担心引起塑料中毒。但是商场上经常发现某种制造粗劣、工艺简陋、颜色深重的食具容器，这大多是回收废旧塑料加工的再生塑料，非常有害，国家早就明文严禁再生塑料生产制造食品用具的，其原因也很浅显，因为它的来源复杂，又未经清洗或化学处理，脏污残毒较多，况且回收废塑料往往老化变色，重溶生产时为了掩盖变色大都添加很浓的含有毒质材料的颜料，其成品颜色深褐，甚至墨绿，如用此种塑料盛油或高温的食品，极易溶出有毒的石油副产品(二恶英等)和有害色素，对人具有致癌、致畸、致突变的潜在性危害，其危险就更大了。因此人们对鉴别和安全使用食品塑料都应有科学的常识，避免有毒塑料中毒事故的发生。

3、导电塑料的性质及用途

塑料是人们最熟悉的材料之一，它的强度好，密度低，耐腐蚀，可以制成各种机械零件和日用品。同时，它还是一种广泛使用的电绝缘材料，然而你听说过塑料能导电吗？

这纯粹是科学上的一次偶遇。1970年的一天，日本筑波大学的白川教授在指导学生做一项用乙烯气制取聚乙炔的实验时，学生误把比实际需要量多1000倍的催化剂加入试剂中，结果得到的不是应得到的含有碳基长链的黑色聚乙炔粉末，而是一种银光闪闪的薄膜，与其说是塑料，不如说更像金属。1977年，白川在与另外两个美国人研究这种塑料薄膜时发现，掺入碘后它居然能导电，导电率增加了3千万倍。尽管这样，它的导电率只相当于金属铅，或者说是铜和银的百分之几。

80年代初，导电聚合物还是实验室的珍品，而现在已在许多工业领域内应用，并引起研究单位的重视。关于聚合物为什么能够导电，目前还没有圆满的答案。但相信随着科学的发展，终会真相大白。

首先在实验室取得成功并走进市场的是塑料电池。美国布里奇斯通和日本精工埃普森公司合资生产了一种电池，它的一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料。它的尺寸与硬币相仿，可以多次重复充电。作为计算机的辅助电源，具有很长的工作寿命。德国生产的薄型挠性电池，仅明信片那么大，适合于手提式工具的电源。

在改进的塑料电池中，阴极和阳极是由相同的导电塑料薄膜组成，由电解质而不是电极来提供运动的正离子，因此经过多次充电和放电，电极材料依然完好如初。充电次数可达1000次以上。塑料电池体积小、重量轻，可以提供常规铅蓄电池10倍的电力，而且每次充电时间也缩短了。

首先对塑料电池感兴趣的是汽车工业，人们早就希望用蓄电池做动力来代替内燃机，但在此之前蓄电池车都因为太笨重和性能不可靠而无法推广，而塑料电池形状灵活，可以制成薄板装在汽车的车顶或车门夹层里，在汽车内的发动机位置只装一台高效的电动机，便可使

汽车的加速性能和爬坡性能大大改善。此外，塑料电池是密封的，不会释放有害的化学物质和气体，因此这种蓄电池车将是一种无公害的小汽车。

导电塑料的另一特点是具有消除静电的功能。计算机和电子设备机房都要求抗静电防护，新型飞机上的电子器件要求防电磁干扰，树脂基复合材料机身、机翼要求防雷击，这些要求都可以用导电塑料薄膜屏蔽加以解决。

导电塑料还有一项重要的潜在用途，就是作为未来机器人的人工肌肉，当用电化学方法对某些导电塑料掺杂和不掺杂时，其体积就能发生膨胀和收缩的变化，使机器人的四肢获得必要的运动。

科学家预言，在未来的能源工业中，导电塑料将成为重要的一员。

4、前景广阔的塑料光纤

目前普遍使用的是玻璃光纤，这种光纤有个突出的缺点，就是其直径一旦小于0.1毫米时，因其耐冲击性能差及不易连接，使用便比较困难，而且生产成本较高。能否利用塑料光纤代替玻璃光纤呢？科技工作者为此进行了长期的努力。

由日本三菱丽阳公司首创的一种新型高性能塑料光纤，在该公司的一条专用线上投入使用，从而为塑料进入光通信领域开创了一条新路。这种塑料光纤传送容量高达30兆比特/秒，是玻璃光纤的30倍，可传送500个频道的数字化电视画面。这种塑料光纤柔韧性能好，可随意弯曲，且易于连接，加工制造工艺也比较简单。这种新型光纤的价格只有玻璃光纤的1/5，与使用相同容量的铜线价格相当，在进入普通家庭及企业内部信息网络方面有望取代目前的铜线。

塑料光纤的研制成功，给光通信事业的快速发展与普及带来了新的希望。

5、科学家认为塑料将在电子领域取代硅

随着塑料在发光导电性能方面的研究不断取得进步，塑料在电子产品领域的应用范围将越来越广，并日益替代硅。

硅是重要的半导体材料，目前在电子产品领域扮演着几乎不可替代的角色，但是成本较高。塑料通常是由高分子化合物聚合而成，其溶液一般具有较大的粘滞性。随着高分子聚合物也具有自发光以及导电特性的发现，从上个世纪80年代开始人们就逐渐对其进行更加深入的研究。

目前对高分子聚合物特性研究的进展已经帮助人们制造出很多以前通常只用硅材料制作的电子元器件。如目前用高分子聚合物制成的发光二极管，已经应用在许多手机单色显示屏以及其它一些显示设备上。由于这些材料具有自发光的特性，因此制成的新型屏幕比传统的电脑和电视的屏幕要亮100倍，所显示的图片和文字可以从任意角度观看，而现在的液晶显示器则对人的视角限制很大。此外，在一些应用广泛的电子设备制造领域，高分子聚合物也逐渐开始替代硅材料。

科学家认为，未来几年高分子聚合物的研究还将会出现重大突破。如近几年才开始研究的高分子聚合物太阳能电池，目前已经取得一定进展，它将太阳能转化为电能的效率达到了3％左右。一旦研究取得突破，其廉价的成本必将带来广泛的应用前景。而且，目前的制造工艺已经可以将导电塑料做得非常薄，并且具有可以弯曲等其它特性。博伊尔勒据此认为，将其应用在目前的电脑制造上，将有望进一步缩小电脑的体积并提高其运行速度。

6、能自我修补的塑料

美国科学家已经研制出一种能自我修补的塑料。这种物质是设计用以填补表层破裂处的一种塑料。现在，塑料用于方方面面，从飞机机翼到家中的各种器具。科学家想找到一种方法使塑料代替那些难于更换或不可能更换的物件。时间长了，塑料物件的表层会破裂，使用时会出现很小的裂口或裂缝。研究人员想弄明白如何阻止塑料产生小裂缝，正是这些小裂缝的增大，才使物件变脆，容易损坏。

塑料是由叫做单体的小分子构成的，这些单体连在一起形成很长的叫做聚合物的分子。聚合物使塑料能够定形而且有强度。研究小组找到了制造一种塑料的方法，这种塑料含有充满液体的微型球状物，而这种液体含有单分子，即形成塑性的材料。然后，研究小组制成含有一种特殊化学物的固体塑料，这种化学物叫催化剂，是使化学反应开始的一种物质。这种新塑料仍然像普通塑料那样会裂缝，但当它的裂缝产生时，这种单体液体会被释放出来并流入裂缝。然后，固体塑料中的催化剂与液体单体产生化学反应，而液体单体与催化剂之间的这种化学反应会产生修补裂口的聚合物分子。修补的塑料其强度相当于未损塑料的75%。据科学家说，这种自补塑料尚未准备生产，但它可能有好几种用途：一是用于航天飞机不能修理或更换的零件，另一个是体内的关节。

这种物质能够自身修补，犹如人体能够自身愈合一样。

三、高分子材料技术的发展特点

当前，材料技术的发展趋势有以下几种：

第一，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

第二，由结构材料向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。

第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒，尺寸都在微米方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如：以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。

第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用作出反应，完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。

第五，通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存的生存规律而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。

材料是现代文明的三大支柱之一，新材料被视为新技术革命的基础和先导。四个现代化的建设、能源、交通、信息、环保事业的进步以及人民生活水平的提高，无不与材料密切相关。材料科学与技术涉及的面十分广阔，是基础科学与工程科学的融合，也是材料科学与各种现代先进技术结合的产物。随着科学技术的进步，原来各类相对独立的材料，如金属、陶瓷、高分子材料等，已经相互渗透、相互结合，形成了多学科交叉的当代材料科学与技术新体系。在这个学科发展综合集成的历史潮流中，多学科的材料研究和教学机构纷纷建立，随之综合性的材料研究学(MRS)在诸多国家和地区应运而生。这是进一步推动材料科技进步的需要，也是科学发展的必然结果。MRS从一诞生便显示出强大的生命力。在这种国际背景下，在我国老一代材料科学家倡导下，在有关部门领导的支持下，经过多年的筹备和努力，中国材料研究学会(C-MRS) 于1991年05月诞生了

四、展望与建议

高分子科学发展史各分支学科交叉合作对于今后研究水平的提高至关重要，例如高分子合成化学与高分子物理的合作、功能高分子研究中功能设计、功能导向的合成、性能表征与器件研究的合作，本文中提到的不少例子是通过成功合作而取得的重要进展。可控聚合仍将是今后高分子合成化学的主要方向；高分子组装研究将进一步深入，逐步向具有特殊性能与功能的组装体发展。

塑料作为现在应用非常广泛的材料，是因为其优越的性能和良好的使用性能。虽然塑料是白色污染的祸根，但我们不能因为这一点，而把塑料的所有贡献全部否定，这是对人类科学技术发展的不负责任。最近塑料包装袋被评为20世纪最糟糕的发明，我想这是对其给我们带来便利的否定，虽然其带来了严重的污染，但只要我们处理好，应该有所缓解。我们现在正在研究新的材料来代替塑料包装，这是对材料界和商品包装界的重大挑战。