高分子材料的发展历程及未来发展趋势

高分子材料的发展历程及未来发展趋势

材料是先于人类存在，用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础，材料的进步和发展直接影响到人类生活的改善和科学技术的进步。目前已经和能源、信息并列为现代科学技术的三大支柱，而材料更是工业发展的基础，一个国家的材料品种性能和产量更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。而在当今社会高分子材料虽然相对于传统材料如玻璃、陶瓷、水泥、金属而言是后起的材料，但其发展的速度发展潜力及应用的广泛性却大大的超过了传统材料，已经成为了工业、农业、国防和科技领域的重要材料，已经广泛渗透于人类生活的各个方面，在人们的生活中发挥着越来越重要的作用。

材料是指在一定工作条件下，能满足使用要求的一定物理形态的物质，而高分子材料是以共价键联结若干重复单元所形成的以长链结构为基础的高分子量化合物，它具有种类多，结构性能复杂，性能多样化，应用广的特点，在很多领域不仅可以替代传统材料，更可以改进提供更多的优越性能。高分子材料一般质轻、绝缘、易加工、耐腐蚀、比强度高，原料丰富，生产成本低，合成简单，能源和投资较省，效益显著，品种繁多，用途广泛，是很多传统材料比如金属所不能比拟的。迄今，全世界高分子材料的年体积产量已远远超过钢铁和其他有色金属之和。目前高分子材料的发展已经成为国民经济发展的重要支柱，同时也是未来经济竞争的三大重要方面之一。可以说，高分子材料在社会发展与生活中具有着举足轻重的地位。

生产和科学技术的发展不断对材料提出了各种各样的新的要求。高分子材料科学顺应着这些要求不断向高性能化、高功能化、复合化、精细化和智能化方向发展。高分子材料科学的发展历程可以简单分为三个阶段。第一阶段是天然高分子的利用与加工。人类从远古时期就已经开始使用如皮毛、天然橡胶、棉花、纤维素、虫胶、蚕丝、甲壳素、木材等一些天然高分子材料，人类将这些材料直接投入使用或者经过简单的加工程序再投入生产生活中进行使用，极大地改善了人类的生存生活环境，也促进了人类社会的一系列进步。但随着社会的发展，人类已经不满足于对这些材料的简单利用，也就相应开发了天然高分子材料的改性和加工工艺，同时进入了高分子材料发展的第二阶段。在这个过程中，比较具有代表性的是19世纪中叶，德国人用硝酸溶解纤维素，然后纺织成丝或制成膜，并利用其易燃的特性制成炸药，但是硝化纤维素难于加工成型，因此人们在其中加入樟脑，使其易于加工成型，做成了称为“赛璐珞”的塑料材料。再比如，橡胶的改性，早在11世纪美洲的劳动人民已经在长期的生产实践中开始利用橡胶了，但当时橡胶制品遇冷就变硬，加热则发粘受温度的影响比较大。1839年美国科学家发现了橡胶与硫磺一起加热可以消除上述变硬发粘的缺点，并可以大大增加橡胶的弹性和强度。通过硫化改性，有力的推动了橡胶工业的发展，因为硫化胶的性能比生胶优异很多，从而开辟了橡胶制品广泛应用的前景。同时，橡胶的加工方法也在逐渐完善，形成了塑炼、混炼、压延、压出、成型这一完整的加工过程，使得橡胶工业蓬勃兴起，一日千里的突飞猛进。

从二十世纪初开始，高分子材料科学也就进入了第三阶段的发展，合成高分子的工业生产，而合成高分子的诞生和发展则是从酚醛树脂开始的。化学家们研究了苯酚与甲醛的反应，发现在不同的反应条件下可以得到两类树脂，一种是在酸催化下生成可融化可溶解的线型酚醛树脂，另一种则是在碱催化下生成的不溶解不熔化的体型酚醛树脂，这种酚醛树脂是人类历史上第一个完全靠化学合成方法生产出来的合成树脂，自此以后，合成并工业化生产的高分子材料种类迅速扩展。1920年：H. Staudinger《论聚合》，提出高分子的概念；三十年代

则出现热塑性高分子的工业生产，PVC、PS、PMMA、PE等；

四十年代则是二战促进合成橡胶的迅猛发展，丁苯胶、丁晴胶结晶理论，X—ray等；五十年代是高分子材料学科发展的“黄金年代”，在这一阶段确定了“高分子物理”的概念，Ziegler—Natta催化剂,带来了定向聚合，PP、顺丁胶，PET 工业化；六十年代是工程塑料大规模发展时期，通用塑料具有较高的力学性能，能够接受较高的力学性能，能够接受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，并能在此条件下较长时间的使用，且可作为结构材料；在七十年代则是朝着发展大型化生产的方向前进，进入高分子设计及改性阶段；八十年代是高分子设计及改性阶段，全面发展各种高性能、多功能材料，但同时也在这个阶段提出了能源、社会环境这一影响地球生存的人类重大问题问题；而在九十年代，结构性能的研究进入定量、半定量阶段，重视高分子化学、高分子物理及高分子材料工程三个分支的相互交融，交叉设计功能化、高性能材料，重视环境，这就出现了白色污染、塑料回收等一系列研究课题。有机高分子材料的研究正在不断地加强和深人，一方面，对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和推广，使它们的性能不断提高，应用范围不断扩大。例如，塑料一般作为绝缘材料被广泛使用，但是近年来，为满足电子工业需求，又研制出具有优良导电性能的导电塑料，导电塑料已用干制造电池等，并可望在工业上获得更广泛的应用。另一方面，与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强，并且取得了一定的进展，如仿生高分材料、高分子智能材料等。

目前进入二十一世纪，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、电、声、磁、生物医学、仿生、催化、物质分离及能量转换等效应的功能材料方向发展，分离材料，智能材料，贮能材料，光导材料，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中也引进了许多先进技术，如等离子体技术，激光技术，辐射技术等。而且结构与性能研究也由宏观进入微观，从定性进入定量，从静态进入动态，正逐步实现在分子设计水平上合成并制备达到所期望功能的新型材料。同时，随着各项科学技术的发展和进步，高分子材料学科、高分子与环境科学等理论实践相得益彰，材料科学和新型材料技术是当今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，与信息技术，生物技术一起，推动着社会的进步。