【科學(xué)前沿】《科普》高分子發(fā)展史概況!
一、進(jìn)入高分子時(shí)代
自從高分子線(xiàn)鏈型學(xué)說(shuō)在1925-1930年間被確認以來(lái),在科學(xué)技術(shù)乃至材料生產(chǎn)上,現已進(jìn)入高分子時(shí)代。
其標志有二:其一,創(chuàng )建了高分子科學(xué),后與材料科學(xué)互相結合而形成高分子材料科學(xué),促進(jìn)了高分子材料工業(yè)的迅猛發(fā)展;第二,在近代石油化學(xué)工業(yè)體系內,三大合成高分子材料即塑料、橡膠、合成纖維的世界年產(chǎn)量在1982年已達八千萬(wàn)噸;論鋼鐵/塑料體積比,在美國和西德于1981年即已達1/1;美國的消耗量,最近已超過(guò)鋼、銅、鉬的消耗量的總和。在近代科技發(fā)展史上,這是科研與生產(chǎn)密切結合的典型。
二、深入了解高分子
在20世紀二、三十年代的十幾年間,由于對纖維素、蛋白質(zhì)、膠質(zhì)、淀粉等天然高分子物質(zhì)的研究,以及合成高分子材料的開(kāi)發(fā),逐步有了如下認識:
1. 這些物質(zhì)都由極大的分子所組成,分子量可達五萬(wàn)至幾百萬(wàn),故稱(chēng)“大分子”。1926年施陶丁格( Hermann Staudingcr ,1881一1965)在“德國自然研究者和醫生協(xié)會(huì )”中提出大分子見(jiàn)解,1953年以“鏈狀大分子物質(zhì)的發(fā)現”而獲得諾貝爾獎。
2. 這種大分子是長(cháng)線(xiàn)鏈狀的,由許多小的重復單元借共價(jià)鍵連接而成,故稱(chēng)“聚合物”( polymer ),可用單體聚合而成。
3. 這種大分子的結構與形狀,需要新的物理化學(xué)方法來(lái)定量表征,如要用粘度法、滲透壓法,超離心機法等來(lái)測定分子量和分子量分布,要用X﹣光衍射測定細絲、薄膜、本體的取向和結晶。第二次世界大戰之后,高分子科學(xué)形成了自己的體系。1947年,國際純粹與應用化學(xué)會(huì )的高分子組在比利時(shí)召開(kāi)了第一次“國際高分子討論會(huì )”,在這次會(huì )中,各個(gè)分支領(lǐng)域得到詳盡的總結,討論中心是今后的主要發(fā)展方向。內容有聚乙烯、尼龍、聚酯等的合成和加工技術(shù),研究結構的新方法等。
4. 就在這個(gè)水平上有一個(gè)重大的突破,即1954年齊格勒( Karl Zieg ler ,1898一1973)納塔( Giulio Natta ,1903一1979)發(fā)明了用有機金屬絡(luò )合物的定向催聚法,可使高分子鏈的立體構型獲得規整結構,這又使鏈結構、聚合機理、性能與結構關(guān)系等重新研究,使高分子科學(xué)在六、七十年代進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期。
隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步,高分子材料獲得了新的發(fā)展契機,需求呈現上升趨勢,同時(shí),對材料性能提出更高標準與要求,尤其是以高性能與復合化為研究方向,在根本上滿(mǎn)足全社會(huì )更加多元化的發(fā)展需求。
從物理角度分析,高分子材料強度大,擁有突出的耐磨性,同時(shí),比重較輕。其次,立足化學(xué)性能,高分子材料化學(xué)性能十分穩定,耐腐蝕性較強,尤其是在技術(shù)的不斷完善與優(yōu)化中,高分子材料的功能更顯多樣性,滿(mǎn)足輕而強的標準,材料價(jià)值更加突出。目前,高分子材料類(lèi)型豐富,涉及纖維、橡膠等類(lèi)型。
三、高分子材料的應用現狀
1. 依托較強的耐熱性與強度,高分子材料在軍工領(lǐng)域極具發(fā)展潛力:鑒于高分子材料高耐熱、耐腐蝕以及高強度等特點(diǎn),其在軍工業(yè)領(lǐng)域內廣泛應用于防彈衣、抗高溫保護罩等方面,是交通運輸、海洋工程等重大領(lǐng)域內不可或缺的基礎材料。隨著(zhù)特殊性能高分子材料的研究,高分子材料在應用方面已經(jīng)開(kāi)始部分替代金屬材料,發(fā)揮其更佳的“輕而強”優(yōu)勢。軍工業(yè)領(lǐng)域內,材料的服役環(huán)境經(jīng)常是比較惡劣的,包括極高溫度、極高受力等,對材料的性能提出了非??量痰囊?。而高分子材料的性能可設計性為其在軍工業(yè)領(lǐng)域內的應用提供了技術(shù)支撐。因此,高分子材料在軍工業(yè)領(lǐng)域內發(fā)揮了非常重要的作用。
2. 建筑行業(yè)以材料科學(xué)為動(dòng)力,高分子材料強化建筑裝修整體質(zhì)量的提升:建筑業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展與材料技術(shù)的發(fā)展是分不開(kāi)的,可以認為,建筑業(yè)的發(fā)展史就是材料的發(fā)展史。材料領(lǐng)域內每一次技術(shù)的革新都會(huì )給建筑業(yè)的發(fā)展帶來(lái)極大的促進(jìn)作用。而高分子材料在建筑業(yè)領(lǐng)域內的發(fā)展與應用更是重中之重。其中,高分子材料在建筑業(yè)領(lǐng)域內一般應用于室內,例如室內裝修所用到的涂料以及粘合劑等,一方面高分子材料具有優(yōu)異的耐磨性能以及“輕而強”性能提高材料的使用壽命,降低材料的成本,另一方面,可以極大提高室內裝修的美感,提高室內環(huán)境的居住質(zhì)量。
3. 依托低成本支出,高分子材料在民用領(lǐng)域應用廣泛:高分子材料的身影在生活中無(wú)處不見(jiàn),例如各種各樣的塑料制品,包括容器、薄膜以及泡沫塑料等,多樣化的橡膠制品,包括輪胎、傳送帶、電線(xiàn)的絕緣保護套以及生活中雨衣、膠鞋等,豐富的纖維制品,包括滌綸、睛綸等。同時(shí),高分子材料的低成本優(yōu)勢使得其在民用領(lǐng)域中備受青睞,一直具高分子材料在發(fā)展與應用中不可避免的出現各種問(wèn)題。其中,最為突出的問(wèn)題是高分子材料的不可降解性,高分子材料使用后如果不及時(shí)回收,會(huì )對環(huán)境造成嚴重的污染,包括水污染、大氣污染等,對人類(lèi)以及其他生物的生存環(huán)境造成嚴重危害。因此,不可降解問(wèn)題一直是扼制高分子材料技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。
四、對高分子材料發(fā)展趨勢的展望
1. 增強高分子材料的可重復利用性,降低環(huán)境污染,發(fā)展綠色環(huán)保材料:提高高分子材料的可重復利用性,提高可降解性,從源頭上杜絕環(huán)境污染問(wèn)題;另一方面,要降低高分子材料對礦石燃料的依賴(lài)性,礦石燃料屬于不可再生資源,高分子材料對于礦石燃料的依賴(lài)性會(huì )使得地球的自然資源不斷減少,不能實(shí)現可持續發(fā)展。
2. 重視分子材料制備與加工工藝的完善,強化復合化與功能化:為了提升高分子材料性能,主要是對材料制備與加工環(huán)節進(jìn)行優(yōu)化,促使材料呈現高性能。具體講,可以對高分子材料的力學(xué)強度以及耐腐蝕進(jìn)行研究,為高分子材料在高性能環(huán)境中的應用提供技術(shù)支撐;對于高功能化,主要是重視復合功能高分子材料的發(fā)展,強化對多種功能的豐富,力求多樣化與復合化。
3. 智能化高分子材料極具發(fā)展潛力,強化對環(huán)境條件的適應性:對于智能化,主要是以促進(jìn)高分子材料生命功能為目標。也就是說(shuō),材料性能可以根據環(huán)境變化進(jìn)行調整。例如,高分子材料能夠具備記憶功能,其形狀可以以外界條件為前提,強化對周邊溫度、濕度以及亮度等因素的感知,合理進(jìn)行針對性調整。另外,對于水溶性的高分子材料,能夠以水溶液為介質(zhì),實(shí)現自我溶解的功能,凸顯較強的粘合性與潤滑性。