精华区文章阅读

发信人: boat (——★船儿★——), 信区: material
标  题: 21世纪的高分子化学展望--冯新德 1
发信站: 听涛站 (Tue Feb  6 20:33:07 2001), 转信

1.天然高分子的应用与改性
所谓高分子包括天然高分子与合成高分子，前者如蛋白质与淀粉，以及棉毛及蚕丝。
19世纪中叶开始对天然高分子进行化学改性。例如用硝酸溶解棉纤维成硝化纤维，可用
作无烟火药或喷漆等；用NaOH及CS2溶解棉纤维成辰纤维、人造丝或玻璃纸等；再如用
醋酐进行纤维酯化成  酸纤维，用作不易着火的照片底片、胶片或飞机机身涂料与人造
丝等。
最早的合成高分子，所谓塑料，是20世纪由苯酚与甲醛反应而得，用作电绝缘的酚醛树
脂。与此同时，由酒精制丁二烯再聚合成最早的合成橡胶。尽管如此，当时对这些天然
与合成高分子的结构并不清楚，因此对聚合反应更不了解。
2.高分子化学的建立与发展
虽然当时已确认淀粉具有(C6H10O5)n通式，并知道水解后得  萄糖，但不知它们之间如
何连接。有不少人认为是  萄糖或它的环状二聚体的缔合体，同样天然橡胶(C5H6)n可裂
解成异戊二烯，也认为是缔合体。直到德国化学家Staudinger提出淀粉与天然橡胶的大
分子概念，也就是说  萄糖之间与异戊二烯之间都以共价键连接，故而并不是缔合，虽
然它们溶液具有胶体状但不是胶体；他进一步阐明它们的稀溶液与分子量的定量关系，
并于1932年出版了一部关于高分子有机化合物的论文集，后来才被公认为高分子化学作
为一门新兴学科的建立。
对高分子的大分子概念的一个有力证实就在1935年杜邦公司成功地以小分子己二胺与己
二酸缩聚而成高分子聚酰胺即尼龙66。
40年代乙烯类单体的自由基引发聚合即双键加成发展很快，而且实现工业化的包括聚氯
乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和有机玻璃（PMMA）等，大分子概念才确定无疑。
进入50年代，从石油裂解而得的乙烯与丙烯等α-烯烃，由Ziegler与Natta二人分别发明
可以用金属络合催化剂聚合而成低压聚乙烯与聚丙烯，这更是划时代的发明，而且先后
分别于1952年与1959年工业化，并建立年产10万吨大厂，这是高分子化学的历史性发展
，也是化学工业中的异军突起。从新兴学科建立到发展成一个大型工业，只用了30年。
理由何在？
理由之一是高分子学科的特征。广义的高分子化学包括高分子合成化学与高分子结构与
性能（高分子物理）二个方面，它们与高分子的加工应用共三个方面始终是互相交叉，
互相配合，相辅相成。所以1972年诺贝尔奖金获得者、美国高分子科学家P.Flory说过，
高分子化学是一门发展迅速的科学，它既是一门基础科学，又是一门应用科学，显然这
是高分子品种能较快地进入工业化的有力论证。
理由之二是高分子合成的特征，也就是聚合反应的特征。举例如下。
虽然缩聚反应来源于有机化学中的缩合反应，但二者大不相同。缩合反应是单功能团之
间平衡反应，要反应向右，必需有一反应物配比大大过量，一般认为产量在70％～80％
，而缩聚反应是双功能团之间的平衡反应，要形成高分子的理想配比是1:1，如果2:1就
形不成高分子，配比与分子量有极大的关系，以校牛为例，1:1.01，校牛分子量～
10,000,1:1.001，分子量可得～20,000，有应用价值的校牛分子量在1～2万之间，因
此配比差只能在0.1％～1.0％之间，而且转化率还必需＞99.5％，这说明技术要求大大
高于一般缩合反应。
再以聚合反应而言，乙烯类单体的引发剂一般为易爆炸的过氧化物，元蚕┨ㄒ蚁�
丙烯）的络合催化剂都是怕水、怕氧、易着火的金属有机化合物，却要用作大工业生产
的催化剂，这就要有高精技术。因此有人说做高分子合成中的聚合反应必需有勇有谋，
不无道理。
3.70年代的高分子化学
60年代，由于要飞往月球出现耐高温高分子的研究热。所谓耐高温，要求高分子材料能
在N2中500℃使用一个月或在空气中300℃能使用一个月，结果得到二大类，一类是芳香
  酰胺，例如间苯二胺与间苯 Ｂ人聚得到的高分子叫Nomex，当时作为太空服原料，
以及对苯二胺与对苯 Ｂ人聚得到的高分子叫Kevlar，属高分子液晶，用于超音速飞
机机身的复合材料中，另一类杂环高分子，例如鄯减Ｑ前稰I和作为高温粘合剂的聚苯
并咪唑PBI，为宇航飞行所需非结构材料打下了基础。
尽管如此，70年代还是成了高分子化学发展的低谷，主要原因是中东地区出现石油价格
暴涨形成了所谓石油危机，而此时的大宗塑料为聚乙烯与聚丙烯等聚α-烯烃，由于价格
上涨产量下降这些原因，塑料工业也出现危机，与此同时，当时同样重要的塑料是聚氯
乙烯PVC。此时PVC原料有二类：一是乙炔，二是乙烯，不是原料问题，而是发现单体氯
乙烯的致癌性，聚合的不完全难免有剩余氯乙烯，这一发现导致不少PVC工厂的停产。记
得1972年美国高分子化学家H.Mark首次来北京时所做报告便提到瑞典等国家的PVC厂都因
而关闭，这无疑是高分子工业的又一大风暴。与此同时国外出现一些议论，一是认为聚
乙烯类塑料比重最大的聚  烯聚丙烯与聚氯乙烯都出现问题，高分子化学前途莫测，二
是认为Z-N催化剂风行一时已20多年，而今如此下场未见有新进展，似乎高分子合成前景
难以乐观，今后只靠高分子物理与加工还能维持发展。这些论调到70年代后期还在影响
国内，殊不知此时石油危机已经渡过难关而氯乙烯单体的排除亦早已迎刃而解，而且当
时H.Mark报告的同时提出了高分子化学的新进展乃是生物医用高分子的出现，这无疑是
高分子化学的一个新的局面。
4.80年代以来的时代特征与高分子化学
这20年来的时代特征有三：一是能源，由于石油资源的逐渐减少，人们在积极开发其它
能源，例如太阳能、氢能与原子能，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％。因此一般认为即使下世纪，高分子
的主要原料仍可来自石油；二是材料，高分子在材料领域中有它特殊的地位，特别是交
通工具，用以代替比重较大的金属与陶瓷。例如汽车本身与车壳结构材料中已经有50％
用高分子材料，估计下世纪将增至70％～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，估计下世纪可达70％～80％，三是环保与保
健，其中包括医用高分子，利用高分子材料的耐火、耐辐射与耐老化以及高分子包装材
料的回收利用与自动降解等性能。可见高分子对于这三个时代特征有着不可忽视的关系
。
为了适应这个时代特征的要求，高分子以及高分子化学必然有相适应的应变与进步，可
以从二个方面来说明。
一是聚合反应的优化。高分子化学中一个至关重要的环节是从低分子合成高分子的聚合
反应，也就是单体与单体通过价键形成而得聚合物即高分子。所谓优化首先就是反应控
制，包括提高聚合速度和催化剂效率，以及近年来要求立构控制和分子量与分子量分布
的控制，例如聚丙烯用的第四代高效催化剂要求等规度高达96％～98％，这样可以不需
要洗掉无定形部分也不需要去掉催化剂，甚至同时还不需要造粒。尽管如此，齐格勒
纳塔催化剂所得聚合物的分子量分布总不能狭窄，原因是属于多催化活化中心，因此要
改变分子量分布必需改变为单催化活化中心的催化剂。
二是聚合物的优质化。也就是所谓结构改性与功能化，包括接枝共聚合、嵌段共聚合、
共混与复合技术以及有机燉无机杂交技术等。应该看到要合成能控制嵌段长度的共聚合
高分子，关键问题在于控制长度，也就是必需活性聚合。可见活性聚合是聚合物优质化
中一个关键问题。
5.21世纪的时代特征与化学特征
20纪的时代特征有三：能源、材料与环境保护和人体健康即环保保健，三者互相联系；
而21世纪的特征虽然仍是这三者，但明显的不同在于突出环保保健，也就是说能源与材
料都要着眼于环保保健，可简称之谓绿色，即无碍于环境与人体健康的意思。如图所示
。因此，以能源而论，太阳能、氢能与电能将逐步成为主导地位，而石油在能源的地位
将减退，因为内燃机的燃烧气导致环境污染而最终将被淘汰，也就是由燃烧而得的能源
的地位将逐渐消失。
美国的化学与工程新闻《Chemical and Engineering News》于1998年创刊75周年之际邀
请十余位著名化学家座谈展望今后25年，也就是该刊100周年，即2013年时候的化学，即
所谓21世纪的化学。
他们的结论是化学又将进入一个黄金时期，主要理由有二个方面：一是在生物领域内，
２１世纪的化学将揭示许多这方面的问题，所谓秘密乃目前仍是不解之谜；二是在材料
领域内，２１世纪的化学将创造出具有神奇性能的新材料，指望能应用于新技术与新工
程方面。因此化学这门学科仍然是一门中心科学、一门有用的科学，也是一门创新的科
学。虽然目前国外许多有名大学内单一命名为化学系的愈来愈少，多半是与其它有关学
科连在一起，其中下列居多：化学与生物化学，化学与生命科学，化学与材料科学或化
学与合成材料等等。由此可见化学这门学科正在深入二个有关科学领域，即生物领域与
材料领域，兹简略分述如下。
--

※ 来源:．听涛站 cces.net．[FROM: 匿名天使的家]

material 版 (精华区)