高分子材料的利用、开发与改性知识介绍

   说起高分子材料，普通人也许会觉得莫测高深，其实我们身边到处都是它们的身影。
   
   无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和蚕丝都是天然高分子材料，就连人体本身，基本上也是由各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料方面曾走在水平。利用竹、棉、麻等纤维等高分子材料造纸是我国古代的四大发明之一。另外，利用桐油与大漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是我国古代的传统技术。
 
   高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。之所以称为高分子，就是因为它的分子量高。常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间，高分子量对化合物性质的影响就是使它具有了一定的强度，从而可以作为材料使用。这也是高分子化合物不同于一般化合物之处。又因为高分子化合物一般具有长链结构，每个分子都好像一条长长的线，许多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物具有较高强度，可以作为结构材料使用的根本原因。另一方面，人们还可以通过各种手段，用物理的或化学的方法，或者使高分子与其他物质相互作用后产生物理或化学变化，从而使高分子化合物成为能完成特殊功能的功能高分子材料。
 
   功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化学功能高分子材料。前者如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等；后者如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器等，此外还有生物功能和医用高分子材料，如生物高分子、模拟器、高分子药物及人工骨材料等。
 
   大致地说，高分子可以分为天然高分子与合成（人工）分子。
 
人工高分子的岁数并不大
   直到19世纪中叶，人类才开始对天然高分子的化学改性与应用，而后又发展到高分子的人工合成，这中间主要包括橡胶、纤维与塑料等。
 
   一、天然橡胶的利用、开发与改性
   在中美洲与南美洲，15世纪左右当地人用天然橡胶做游戏与生活用品如容器与雨具等。18世纪法国人发现南美洲亚马孙河有野生橡胶树，橡胶一词当地印地语即“木头流泪”的意思，割开橡胶树皮即流出乳液，后来叫天然橡胶，19世纪中叶，英国人取橡胶树的种子在锡兰（斯里兰卡）种植成功，并逐渐扩大到马来西亚与印尼等地，但是制造天然橡胶制品中，生胶如何溶解与加工是一大问题。直到19世纪40年代美国人发现用松节油、硫黄与碳酸铅共热后得到不粘而有弹性制品，即所谓硫化技术，因此，到1920年左右，亚洲地区天然橡胶出口量达70多万吨，与当时巴西的野生橡胶出口量相同。
 
   二、天然纤维素的改性
   19世纪，德国人开始用硝酸溶解棉纤维，结果可以纺丝或成膜，但其易燃烧，用它制成了无烟炸yao。如果在其中加入樟脑，可以加工成名为“赛璐珞”的塑料，它能制作照相底片或电影胶片，但也易燃，此外，这种工艺也用在汽车车身喷漆中。稍后，英国人用氢氧化钠处理棉纤维得到丝光纤维，再用二硫化碳溶后纺丝，制成粘胶纤维，还可以用木浆做帘子线、玻璃纸及人造丝等。但80年代后期由于二硫化碳的污染问题，使厂家不得不另找它法，工厂多半停产。此外，德国人用醋酐进行纤维素酯化，获得醋酸纤维，由于不易燃烧故多用于照相底片与电影胶片，也可用于飞机机身涂料或者重新纺丝制成人造丝织物。
 
   三、早的塑料
   在20世纪初，美国人用苯酚与甲醛反应得到可用作电绝缘器材的酚醛树酯，这是早的合成高分子，与此同时，俄国人用酒精制成丁二烯，再用钠使之聚合成橡胶，二次大战后德国人与美国人又发展成一类十分重要的合成橡胶即丁二烯与苯乙烯共聚而得的丁苯橡胶。尽管有以上几方面的重要成果并建立了工业，但当时对天然高分子与合成高分子的结构并不清楚，因此，对聚合反应历程也还不了解。
 
   20世纪初，人们已经确认了淀粉的分子式，并知道其水解后得到葡萄糖。但并不知道分子之间如何连接，所以认为淀粉是葡萄糖或它的环状二聚体的缔合体。同样，科学家了解天然橡胶裂解可得异戊二烯，但是不知它们之间如何连接以及它的末端结构，因为也认为是二聚环状结构的缔合体。科学技术的发展使科学家们有可能用物理化学和胶体化学的方法去研究天然和实验室合成的高分子物质的结构。德国物理化学家斯陶丁格经过近10年的研究认为，高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应（聚合）将化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。1928年当斯陶丁格在德国物理和胶体化学年会上宣布这一观点时，却遭到多数同行反对而未被承认。但真理是在斯陶丁格这一边，经过两年的实验验证，1930年斯陶丁格再次在德国物理和胶体化学年会上阐明他的高分子概念观点时，他成功了。至此，历经10余载的争论，科学的高分子概念才得以确立。他进一步阐明了高分子的稀溶液粘度与分子量的定量关系，并在1932年出版了一部关于高分子有机物的论著，这后来被公认为是高分子化学作为一门新兴学科建立的标志。为了表扬斯陶丁格的功绩，瑞典皇家科学院授予他1953年诺贝尔化学奖。
   对大分子概念的一个有力证实就是1935年美国杜邦公司发表已二胺与已二酸缩聚而成高分子聚酰胺，即尼龙6－6，并于1938年工业化，这就是大家熟知的尼龙袜材料。另外，鲜为人知的是，二次大战后期美军使用的降落伞就是这种尼龙6－6材料制作的。40年代乙烯类单体的自由基引发聚合发展很快，实现工业化的包括氯乙烯、聚苯乙烯和有机玻璃等，这是合成高分子蓬勃发展的时期。进入50年代，从石油裂解而得的a－烯烃主要包括乙烯与丙烯，德国人齐格勒与意大利人纳塔分别发明用金属络合催化剂聚合而成聚乙烯即低压聚乙烯与聚丙烯，前者1952年工业化，后者1957年工业化，这是高分子化学的历史性发展，因为可以由石油为原料又能建立年产10万吨的大厂，他们二人后来都获得了诺贝尔奖金。
 
   60年代，由于要飞往月球而出现高温高分子的研究热。耐高温的定义是材料能够在氮气中、500摄氏度环境中能使用一个月；在空气中，300摄氏度环境下能使用一个月。其结果主要分为两大类，一类是芳香聚酰胺例如苯二胺与间苯二酰缩聚得到的高分子Nomex，这在当时曾被作为太空服的原料。还有对苯二胺与对苯二酰氯缩聚得到的高分子Kevlar，它属于耐高温的高分子液晶，现在用于超音速飞机的复合材料中。另一类是杂环高分子，例如聚芳亚酰胺和作为高温粘合剂的聚苯并咪唑为现在的宇航飞行所需的材料打下了基础。
 
   由于高分子材料具有许多优良性能，适合现代化生产，经济效益显著，且不受地域、气候的限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展，目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。如今高分子材料已经不再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而是国民经济和国防建设中的基础材料之一。与此同时，高分子科学的三大组成部分――高分子化学、高分子物理和高分子工程也已经日趋成熟。
 
   高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国家建设和人民日常生活中必不可少的重要材料。由于石油资源的逐渐减少，人们正在积极考虑其它能源，例如太阳能、氢能与原子能的开发，但也必需看到石油的主要用途是作为燃料，用于化学工业的仅占7％，其中作为高分子原料的只有5％，因此一般认为即使在下个世纪，高分子的主要原料仍可来自石油。另一方面，特种油田高分子用于二次或三次采油颇有成效，很有助于石油能源开发。材料高分子在材料领域中有它特殊的地位，特别是交通工具，可以替代比重较大的金属与陶瓷，以及木材及其它天然材料。例如汽车车身与车壳结构材料中已经有50％用高分子材料，下世纪将增至70％至100％。再如宇航与航空机身与机翼，减轻重量可以大大省油，因此都用高分子复合材料，从80年代的30－40％总重量，至90年代的50－60％，估计21世纪可达70－80％。
 
   活性聚合是促使高分子化学走向新时代的基础。要进行活性聚合，引发速度要快，没有链转移与链终止，实验室测定活性聚合从三个方面下手，一是转化率与单体浓度成正比与催化剂浓度成反正；二是高分子分子量与转化率或时间成正比；三是分子量分布要窄，约为1.2左右。目前，正离子活性聚合与负离子活性聚合都已展开，络合催合聚烯烃的活性聚合所用烯土催化剂已有端倪，只有自由活性聚合还未达到应用程度。
 
   有人说高分子化学是一<a