高分子材料学

高分子发展浅谈

摘要：本文介绍了高分子材料的历史以及在当今社会的重要作用，并简单介绍了高分子材料和材料性能的发展趋势。

关键字：高分子材料、性能、发展趋势。

一、高分子科学

材料、能源、信息是21世纪科学技术的三大支柱，其中材料科学是当今世界的带头学科。材料是一切技术发展的物质基础，人类的生活和社会的发展总是离不开材料，而新材料的出现是推动生活和社会的发展动力。人们使用及制造材料虽已有几千年的历史，但材料成为一门科学——材料科学，仅有30多年的时间，此为一门新兴学科，是一门集众多基础学科与工程应用学科相互交叉、渗透、融合的综合学科，因而对于材料科学的研究，具有深远的意义[9]。

其中，高分子科学作为材料科学发展的带头学科之一，它的发展具有蓬勃的生命力。高分子科学是研究高分子材料化合物的合成、改性，及其聚集态的结构、性能，聚合物的成型加工等内容的一门综合性学科，其主要研究目标是为人类获取高分子新材料提供理论依据和制备工艺。高分子科学具有广阔的开发新材料的背景，二十世纪三十年代首先由有机化学派生出高分子化学，当时恰好处在世界经济飞跃发展的氛围中，对新材料的需求日益迫切，因此高分子化学进而又融合了物理化学、物理学、数学、工程学、医学等有关学科的内容，逐渐形成了高分子科学这门独立的综合性学科，现在的高分子科学已经形成了高分子化学、高分子物理、高分子工程三个分支领域相互交融、相互促进的整体学科。

二、高分子材料的历史

高分子材料是材料领域中的新秀，它的出现带来了材料领域中的重大变革。目前高分子材料在航空航天、国防建设和国民经济等各个领域得到广泛应用，已成为现代社会生活中衣、食、住、行、用各个方面所不可缺少的材料。高分子材料由于原料来源丰富、制造方便、品种繁多、用途广泛、性价比高，因此在材料领域中的地位日益突出，增长最快，产量与于金属、木材和水泥的用量总和持平。高分子材料不仅为工农业生产及人们的日常生活提供不可缺少的材料，而且为发展高新技术提供更多更有效的高性能结构材料、高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料。

高分子材料的发展大致经历了三个时期，即：天然高分子的利用与加工，天然高分子的改性和合成，高分子的工业生产(高分子科学的建立)。

天然存在的高分子很多，例如动物体细胞内的蛋白质、毛、角、革、胶，植物细胞壁的纤维素、淀粉，橡胶植物中的橡胶，凝结的桐油等，都是高分子化合物。人类很早就开始利用这些天然高分子，特别是纤维、皮革和橡胶。例如我国商朝时蚕丝业就已极为发达，汉唐时代丝绸已行销国外；公元105年(东汉)已发明造纸术；至于用皮革、毛裘作为衣着和利用淀粉发酵的历史就更为久远了。

由于工业的发展，天然高分子已远远不能满足需要，十九世纪中叶以后，人们发明了加工和改性天然高分子的方法，如用天然橡胶经过硫化制成橡皮和硬质橡胶；用化学方法使纤维素改性为硝酸纤维；并用樟脑作为增塑剂制成赛璐珞、假象牙等；用乳酪蛋白经甲醛塑化制成酪素塑料。

高分子合成工业是在本世纪建立起来的。第一种工业合成的产品是酚醛树脂，它是1872年用苯酚和甲醛合成的，1907年开始小型工业生产首先用作电绝缘材料，并随着电气工业的发展而迅速发展起来。三十年代开始进入合成高分子时期。五十年代到六十年代高分子工业的发展突飞猛进，几乎所有被称为大品种的高分子都陆续投入了生产。

三、高分子材料的发展趋势

随着生产和科学技术的快速发展，我国对21世纪高分子材料研究发展提出了可持续发展的新要求：

1 改善高分子材料对资源的依赖

当代合成高分子材料主要来自于石油这种化工资源，石油的生成又是一个漫长的地质过程，石油资源正日益减少而无法及时再生。因此，有必要寻找可以代替石油的其他资源来作为合成高分子材料的原料来源。最有效的就是使用天然高分子，也可以探究无机高分子材料的合成。可结合基因工程的方法，促使植物产出更多的可以直接利用的天然高分子，或者通过地球上富有的资源合成高分子。

2 成为低碳资源，易回收再利用

合成高分子材料的生产要尽可能实现零排放，零污染。使其实现绿色化学过程，成为一种绿色材料。研究高分子材料的环境同化，实现高分子材料的生物降解，无害焚烧乃至高分子材料治理环境污染。提高高分子材料的循环和再生使用的价值和效率。使高分子材料与环境和谐，发展前景广阔。

3 开辟新型功能材料产业

新产业的兴起于兴旺，需要新型材料给予支撑。而高分子材料早就充当了多次这种角色。先进高分子结构材料、光电高分子材料、高分子光通讯材料、生物高分子材料和高分子材料智能系统等新型材料的研发，需要不同行业支持和不同

的技术支撑。钢铁、陶瓷、高分子这些传统的材料之间的界限越来越模糊而融合也越来越明显，通用材料与功能材料之间的相互渗透也越来越明显等。

4 高分子导电材料的新进展方向

电高分子材料掺杂导电剂复合导电材料随着信息化和高科技的进步,对特殊功能高分子材料的需求与日俱增。高分子导电材料是其中之佼佼者,它是投入力量较多,实用化成就最大的一种重要功能材料。迄今学术界、产业界都在踊跃地对它进行研究、开发。高分子导电材料包括导电高分子材料和复合导电材料。导电高分子材料分为结构型和热分解型两类。

5 智能高分子材料是材料研究的新领域

智能高分子材料又称机敏材料,也被称为刺激响应型聚合物,是智能材料的一个重要的组成部分。它是通过分子设计和有机合成的方法使有机料本身具有生物所赋予的高级功能:如自修与自增殖能力,认识与鉴别能力,刺激响应与环境应变能等[10]。环境刺激因素很多,如温度、pH值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光(或紫光)、应力和识别等,对这些刺激产生有效响应的智能聚合物自身性质会随之发生变化。它与普通功能材料的区别在它具有反馈功能,与仿生和信息密切相关,其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃,已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视[11]。

四、高分子材料性能趋势

随着现代科学技术的发展，人们对高分子材料的性能要求日趋多样化，高分子材料的应用也日趋多样化，单一的均聚物和简单的共聚物往往难以满足各种不同的要求。为了获得具有某种特殊的性能或良好综合性能的高分子材料，人们做了大量工作。近几十年来，高分子材料研究和开发的重点已经从化学方法合成新型聚合物转到利用现有的聚合物品种采取共混、共聚、增强等方法研制新材料[12]，以达到具有多功能化性质。其中材料性能发展的主要趋势是高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化。

1 高性能化

为了满足航空和航天、电子信息、汽车工业、家用电器等多方面技术领域的需要，要求材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等性能进一步提高。因此高性能材料的开发和研究是高分子材料科学近年来发展的一个主要方面。高分子材料高性能化研究主要包括单一高分子材料的高性能化，通过改性技术实现高性能化以及与高性能材料研究并行的高分子材料试验评价技术的研究。

2 高功能化

功能高分子是高分子材料科学中充满活力的新领域，目前虽处于发展的初期，但正十分广泛而活跃地进行研究、开发、创新，并且已在深度和广度上取得进展，出现了一大批各种各样的高功能高分子材料。主要包括电磁功能高分子材料，光学功能高分子材料，物质传输、分离功能高分子材料，催化功能高分子材料，生物功能高分子材料和力学功能高分子材料等。例如像金属那样导电的导电性高聚物，能吸收大量水分的吸水性树脂，用于制造大规模集成电路的光刻胶，作为人造血管和人造心脏等原料的医用高分子材料等等。

3 复合化

复合材料可以克服单一材料的缺点，发挥各自组成材料的优点，扩大材料的应用范围，提高材料的经济效益。复合材料是材料的发展方向。复合材料与高分子材料紧密相关。高分子树脂是结构复合材料的最主要的基体材料，许多高性能的增强材料也是由高分子材料所构成。玻璃纤维增强树脂复合材料，当前已大规模的生产和应用，占高聚物基复合材料的绝大部分，主要用于交通运输、建筑、船舶、家电等领域，而今后仍会有所发展。

4 精细化

近年来电子信息技术迅猛发展，这就要求所用的原材料及采用的加工工艺技术，进一步向高纯化、超净化、精细化、功能化方向发展。例如超大规模集成电路用光致抗蚀剂，目前光刻工艺分辨率可达1～2μm，研究水平接近0.1μm。为了发展亚微米级（0.01μm）和纳米级（0.001μm）的超细光刻工艺，除了要发展适于波长更短的光源（紫外光、电子束、X射线等）曝光的新型光致抗蚀剂外，还必须改进光刻工艺。属于高科技领域，目前基本上正处于探索阶段。

5 智能化

材料智能化是一项富有挑战性的重大课题。智能材料是使材料本身带有所具有的高级功能，例如具有预知预告、自我诊断、自我修复、自我增值、认识和识别能力、刺激反应性、环境应答性等种种特性，对环境条件的变化能做出合乎要求的答应。例如要开发事先能预告疲劳、裂缝和寿命的材料；对应环境变化、折光率、透光率、反射率会作相应变化的光学材料；根据人体的状态，控制和调节释放药剂的微胶囊材料；根据生物体生长或治愈的情况，或继续生长或发生分解的血管、人工骨等医用材料等等。从功能材料到智能材料这是材料科学的一次飞跃，它将是新材料、分子、原子级工程技术、生物技术和人工智能多方面知识渗透、融合的产物。

五、总结

总而言之，高分子材料不仅丰富了材料家族的品种，使人们的生活更加方便、多彩、给众多的工业产品带来新面貌，而且高分子材料的历史与其发展趋势使然，注定其必将在未来的世界里得到不断的创新和利用。其次，高分子材料性能上的独特优越性也将会得到不断的巩固和提高，可见高分子材料对未来发展的潜力是远远大过其他材料，相信在不久的将来，高分子材料的研究领域将会更加的活跃和繁荣。

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