基本介紹
- 中文名：高分子合成化學
- 屬性：新興綜合性學科
- 研究對象：高分子化合物
- 三大領域：塑膠、合成纖維、合成橡膠
學科簡介,發展歷程,學科分支,科學分類,研究領域,發展趨勢,
學科簡介
高分子化學包括塑膠、合成纖維、合成橡膠三大領域。如今，建立了頗具規模的高分子合成工業，生產出五彩繽紛的塑膠、美觀耐用的合成纖維、性能優異的合成橡膠。高分子合成材料，金屬材料、和無機非金屬材料並列構成材料世界的三大支柱。
發展歷程
合成高分子的歷史不過90年，所以高分子化學真正成為一門科學今年整整80年，但它的發展非常迅速。目前它的內容已超出化學範圍，因此，現在常用高分子科學這一名詞來更合邏輯地稱呼這門學科。狹義的高分子化學，則是指高分子合成和高分子化學反應。
人類實際上從一開始即與高分子有密切關係，自然界的動植物包括人體本身，就是以高分子為主要成分而構成的，這些高分子早已被用作原料來製造生產工具和生活資料。人類的主要食物如澱粉、蛋白質等，也都是高分子。只是到了工業上大量合成高分子並得到重要套用以後，這些人工合成的化合物，才取得高分子化合物這個名稱。
後來，經過研究知道，人工合成的高分子和那些天然存在的高分子，在結構、性能等方面都具有共同性，因此，就都叫做高分子化合物。工業上或實驗室中合成出來的稱為合成高分子，一般所說的高分子，大都指合成高分子，天然存在的高分子簡稱天然高分子。
顧名思義，高分子的分子內含有非常多的原子，以化學鍵相連線，因而分子量都很大。但這還不是充足的條件，高分子的分子結構，還必須是以接合式樣相同的原子集團作為基本鏈節(或稱為重複單元)。許多基本鏈節重複地以化學鍵連線成為線型結構的巨大分子，稱為線型高分子。有時線型結構還可通過分枝、交聯、鑲嵌、環化，形成多種類型的高分子。其中以若干線型高分子，用若干鏈段連線在一起，成為巨大的交聯分子的稱為體型高分子。
從高分子的合成方法可以知道，合成高分子的化學反應，可以隨機地開始和停止。因此，合成高分子是長短、大小不同的高分子的混合物。與分子形狀、大小完全一樣的一般小分子化合物不同，高分子的分子量只是平均值，稱為平均分子量。
決定高分子性能的，不僅是平均分子量，還有分子量分布，即各種分子量的分子的分布情況。從其分布中可以看出，在這些長長短短的高分子的混合物中，是較長的多還是較短的多，或者中等長短的多。
實踐證明，許多烯類化合物，經過有機自由基的引發，就能進行鏈式反應，迅速地形成高分子。由20世紀30年代初期到40年代初期，許多現在的通用高分子品種，都已按此方法投入工業生產。在1935年卡羅瑟斯又發現用縮聚方法合成高分子，研製成功聚醯胺，人們稱為尼龍。後來，為了合理的加工和有效的套用，高分子結構和性能的研究工作逐漸開展，使高分子成為廣泛套用的材料。同時，一門新興的綜合性學科——高分子科學——從40年代下半期開始，蓬勃地發展起來。
天然高分子的化學轉化，早在19世紀就為人們所研究和利用。1845年舍恩拜因就發現纖維素可以硝化，成為硝酸纖維素。1865年許岑貝格爾把纖維素乙醯化成為醋酸纖維素。粘膠人造絲的生產也是通過纖維素的化學變化來實現的。
高分子的化學反應，有些是破壞性的，例如高分子光降解、高分子熱降解、高分子氧化等。它們使高分子材料老化，性能變壞，以致最後不能使用。但不少反應是有用的，甚至是重要的高分子合成方法，例如橡膠硫化成為具有彈性的橡皮；纖維素黃化，製成粘膠纖維；聚乙酸乙烯酯先水解成聚乙烯醇，再與甲醛縮合，紡成的纖維即維輪；高分子先轉化成自由基，再與另一單體形成接枝共聚物；兩種高分子鏈段用化學方法連線起來，成為嵌段共聚物。此外，還可以把某些元素或基團先接到高分子上去，再進行化學反應，反應後還可解脫，以完成某些分離、分解和合成工作，例如高子交換樹脂、固定化酶、多肽、某些激素甚至蛋白質的合成等等。
在適當情況下，這些結構相同的鏈節，正如許多相同的小分子可以整齊地排列起來成為晶體一樣，也可以局部摺疊起來成為片狀結晶態，稱為片晶。片晶又可以堆砌成球狀，稱為球晶。在高分子的分子與分子之間，相同的鏈節也可排列成為片晶，片晶再堆砌成為球晶或其他晶態；那些未摺疊起來的一部分分子是非晶態的。非晶態部分也有一定的結構。小分子化合物，要么是結晶的，要么是非晶態的；而高分子化合物，則可以一部分是晶態結構，另一部分是非晶態結構。
高分子鏈結構是一級結構；孤立高分子鏈，即稀溶液中高分子的形態，如無規線團、螺旋、雙螺旋、剛性棒或橢球等是二級結構；三級結構指高聚物分子聚集態結構，即分子鏈與分子鏈之間的堆砌。聚集態結構隨著加工成型方法的不同而有所不同。具有聚集態結構的高分子，稱為高聚物。
多數線型高分子，可以在相應的溶劑中溶解，形成溶液。高分子溶液是真溶液，而不是以前所認為的膠體溶液。高分子是長鏈結構，在流動時能相互阻滯，因此高分子溶液是粘稠的。一般情況下，分子鏈愈長，粘度愈大。當光束通過高分子溶液時，由於高分子比較大，可以發生光的散射，分子愈大，散射愈強。
高分子遠比溶劑分子重，在超高速離心下，高分子的移動比溶劑分子快，擴散比溶劑分子慢。分子量愈大，這些區別愈明顯。利用這些高分子溶液性能，可以測定高分子的分子量。研究高分子溶液，除了能測定分子量及其分布以外，還可從溶液的各種性質推測高分子的形態結構等。
高聚物作為材料使用，主要可分塑膠、纖維和橡膠等，都需要加工成一定的形狀方可使用。此外，用做分離、分析材料的離子交換樹脂，在聚合過程中就可製成可使用的球形顆粒；用做油漆塗料的高聚物，只須溶在適當溶劑中，就可使用，無須加工成型。
高分子生產的迅速發展，說明了社會對它的需要量的迅速增加。高分子材料首先用作絕緣材料，用量至今還很大，特別是新型高絕緣材料。例如滌綸薄膜遠比雲母片優越；矽漆等用作電線絕紡漆，與紗包絕緣線不可相提並論。由於種種新型、優異的高分子介電材料的出現，電子工業以及計算機、遙感等新技術才能建立和發展起來。
高分子作為結構材料，在代替木材、金屬、陶瓷、玻璃等方面的套用日新月異。在農業，工業和日常用途上，它的優點很多，如質輕、不腐、不蝕、色彩絢麗等，用於機械零件、車船材料、工業管道容器、農用薄膜、包裝用瓶、盒、紙，建築用板材、管材、棒材等等，不但價廉物美，而且拼裝方便。還可用於醫療器械，家用器具，文化、體育、娛樂用品，兒童玩具等，大大豐富和美化了人們的生活。
合成纖維的優越性，如輕柔、不縐、強韌、挺括、不霉等，也為天然纖維棉、毛、絲、麻等所不及。尤其重要的是它們不與糧食爭地，一個工廠生產的合成纖維，可以相當上百萬畝農田所能生產的天然纖維。天然橡膠的生產，受地區的限制，產量也不能適應日益增長的要求。但合成橡膠不受這種限制，而且其各個品種各有比天然橡膠優良之處。
一般認為高分子材料強度不高、耐熱不好，這是從常見的塑膠得到的印象。現在最強韌的材料，不是鋼，不是釷，不是鈹，而是一種用碳纖維和環氧樹脂複合而成的增強塑膠。耐熱高分子，已經可以長期在300攝氏度下使用。
特別應當提起的是，在航天技術中，火箭或人造衛星殼體從外部空間回到大氣層時，速度高，表面溫度可達5000～10000攝氏度，沒有一種天然材料或金屬材料能經受這種高溫，但增強塑膠可以勝任，因為它遇熱燃燒分解，放出大量揮發氣體，吸收大量熱能，使溫度不致過高。同時，塑膠不傳熱，仍可保持殼體內部的人員和儀器正常工作和生活所需要的溫度。好的燒蝕材料，外層只損壞了3～4厘米，即可保全內部，完成回地任務。
不過高分子材料也有不少弱點，必須開展研究加以克服。比如易燃燒，大量使用高分子材料時，防火是一個大問題，必須使高分子不易燃燒，才能安全使用；易老化，不經久。用作建築材料，要求至少有幾十年的壽命；用於其他方面，也須有耐久性。大量使用高分子材料時，作為廢物扔掉的高分子垃圾，不被水溶解和風化，不受細菌腐蝕，如不處理就會越積越多，成為嚴重公害。必須設法使高分子材料在使用後能適時分解消失。
學科分支
高分子合成
高分子反應
功能高分子
天然高分子
高分子物理及高分子物理化學
高分子理論化學
聚合物工程及材料
科學分類
縮合聚合
加成聚合
。在反應動力學上與縮合聚合完全不同，加聚反應不生成任何小分子副產物。加聚反應的單體一般是烯烴類的化合物，在引發劑的引發下發生聚合，一般的引發劑為自由基型、離子型及金屬絡合物等。加聚反應一般分為3個階段：鏈引發、鏈增長、鏈終止階段。縮聚和加聚的方法可分別得到兩種類型的高分子，縮合型和加成型。值得提及的是縮聚反應亦可製取加聚型的高分子，反之亦然。無論是哪種類型的高分子，如果合成中包括一種單體，那么得到的高分子稱之為均聚物。如果高分子是由兩種或兩種以上的單體所得，這樣的高分子稱之為共聚物。共聚物又分交替共聚物、無規共聚物、接枝及嵌段共聚物。共聚能改變高分子的性質，如力學性能和染色性能等。
一般說來高分子是穩定的，但在光、空氣、水等的環境中會逐漸發生斷鏈，致使聚合物的聚合度降低，通常稱之為降解。這些反應是破壞性的，但不能說是不需要的，如農用薄膜，報廢之後就很希望它們迅速地降解。另外一些高分子反應是很有用的，特別是當缺少某些單體，常通過處理預製的高分子所得到。尤其是功能高分子常涉及到的高分子反應。
研究領域
目前專家同行公認的一些學科前沿領域大致可以歸納為：一、高分子化學。新的高分子化合物的分子設計與合成，新的聚合反應及方法是貫穿的兩條匯流排，例如活性聚合、納米粒子合成、超分子體系自組裝等；二、高分子物理。高分子鏈結構的研究、聚合物的聚集狀態結構以及其結構與性能、功能之間的關係研究作為主線，例如利用原子力顯微鏡技術探究材料表面的微觀電子原子的排列結構、利用光散射技術探究其動態聚集的分子大小及分布、藉助數學和計算機兩大工具進行實驗現象的模擬和理論解釋等；三、功能高分子以及新技術研究。
目前主要有光電磁功能高分子、高分子液晶顯示技術、分子器件、高分子藥物、控制藥物釋放材料、醫療診斷材料、人體組織修復材料和代用品、微小機械材料和各種敏感檢測材料等。此外，通用高分子的改性技術、天然高分子的改性和利用、聚合物生物降解材料以及聚合物資源的再生利用技術等，涉及到節約成本、廢物利用、環境保護、可持續性發展等關乎人類生存環境的重大課題；四、高分子工程。聚合物反應工程和聚合物成型的問題就成為制約高分子工業發展的一個關鍵，也是科研領域能否得到足夠的資金支持和智力支持而得以持續進步的關鍵。
高分子化學的研究範圍涉及天然高分子和合成高分子。天然高分子存在於棉、麻、毛、絲、角、革、膠等天然材料中以及動植物機體細胞中，其基本物質統稱為生物高分子。合成高分子包括通用高分子（常用的塑膠、合成纖維、合成橡膠、塗料、粘合劑等）、特殊高分子（具有耐高溫、高強度、高模量等性能）、功能高分子（具有光、電、磁等物理特性以及催化、螯合、離子交換等化學性質）、仿生高分子（具有模擬生物生理特性）以及各種無機高分子、複合高分子和高分子複合材料等。
高分子化學的發展主要經歷了天然高分子的利用與加工、天然高分子的改性、合成高分子的生產和高分子科學的建立四個時期。從三十年代起隨著合成高分子的發展而逐漸建立起來與高分子相關的反應動力學、化學熱力學、結構化學、高分子物理、生物高分子等分支學科，形成了一門系統的高分子科學。
發展趨勢
天然與合成高分子
它與人類生活有著密切的關係。在過去幾千年漫長的歲月里，人們一直在利用天然高分子澱粉和蛋白質作為充飢用。木、竹等作為建築材料。一切生命物質的基本結構單元也都是高分子化合物。由於天然高分子材料的性能有局限性，到19世紀中葉出現了對天然高分子進行化學改性。1939年美國人發明了用S硫化天然橡膠，賦予了橡膠製品的堅韌和彈性，從此發展起橡膠工業。1868年用硝酸溶棉纖維製成硝化纖維，作為火藥和硝基漆。用NaOH和CS2溶解棉纖維製成人造絲，粗膠纖維。用醋酸酐酯化纖維製成人造絲，膠片，塗料等。合成高分子是1909年Backeland最早用苯酚與甲醛合成了酚醛樹脂製成電木塑膠開始的。此後先後合成醇酸樹脂，聚氯乙烯樹脂，脲醛樹脂。30年代聚苯乙烯，聚醋酸乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，氯丁，丁苯，丁腈橡膠等相繼工業化。值此高分子合成化學正在萌芽之際，迫切需要科學性的理論指導。1920年德國化學家H．staudinger提出了大分子結構概念。奠定了高分子學科的理論基礎。此後高分子化學大師P．J．plory在縮聚反應理論，高分子溶液的統計熱力學和高分子構象的統計力學方面做出了傑出的貢獻，從而開發出大量的合成高分子化合物。50年代德國化學家R．Ziegler與義大利化學家G。Natta分別發明金屬絡合配位催化劑製得低壓聚乙烯和有規聚丙烯。這無疑是劃時代的發明。60年代高分子合成化學，高分子物理和高分子加工達到了成熟階段。促使聚烯烴、合成橡膠、工程塑膠都有了新的發展。70年代由於石油危機原料漲價曾一度使高分子化學發展速度減慢。但問題很快很到解決。開展有特殊功能高分子的研究和高分子向生物醫用進軍使高分子化學又進入一個嶄新的階。80、90年代高分子化學對各種高性能、多功能新材料開發起到重要的作用。開發出多種新型的高分子材料。
對各項工業的重要作用
20世紀中以來，高分子化學尤其是塑膠，纖維，橡膠三大合成材料的發展速度驚人。40年代39萬噸，50年代210萬噸，60年代950萬噸，70年代4100萬噸，80年代超過了1億噸。平均每10年增長5倍。三大合成材料之所以如此高速發展主要原因就是人們生活需要。由於天然資源的不足，人們不得不用合成材料來補足。三大合成材料產量已超過了天然資源。另一原因是原料來源豐富，適合現代化大工業生產。年產1萬噸天然橡膠需要熱帶土地10萬畝，載種3000萬顆橡膠樹，每年需勞動力5萬人，等7—8年後才能割膠。但每年生產等量的合成橡膠只需150人生產廠。同樣建一個年產20萬噸合成纖廠相當於400萬畝棉田或4000萬頭綿羊的產量。在各項工業中一噸高分子材料可代替了3—7噸金屬材料，在電子、電器，機械工業，建築，農業廣泛的套用，成為國民經濟發展必不可少的材料。高分子化學----研究課題
高分子化學的展望
21世紀人們將生命科學，環境保護，維護人體健康的醫藥擺在第一位；第二位無疑的就是材料科學。而高分子工業是材料科學的基石。高分子化學在新世紀的大力發展，勢在必行。新材料的採用將提高人類的生活質量，滿足各項工業和新技術需求。高分子化學工業在新世紀裡將致力於創新高分子聚合反應和方法，開發出多種的功能材料和智慧型材料。所謂綠色化既對環境無害，也就是廢物排放的最小化。把污染消滅在源頭，這些概念20世紀80年代初提出來後很快就為國際上廣泛的接受，成為各分支學科發展的前沿。化學產業既是環境污染的禍根，也是治理環境的必要途徑。高分子化學用多種原料，催化劑、溶劑、助劑、中間品、以及生產中產生廢液、廢渣等均為有害物質，在生產過程中不可避免的向環境排放，必須儘快研究解決。目前的研究熱點是採用無毒、無害或可再生資源為原料，實現不排放廢物，採用光、電、熱，等物理方法進行高分子反應和固化。以水和超臨界流體CO2代替溶劑，生產綠色燃料，綠色塗料，和可降解塑膠解決目前的環境污染問題。上世紀末，出現均相單一活性中心催化劑，通過控制聚合實現了烯烴活性聚合而得到了均勻分子量高分子產物，基本達到了立構控制和分子量控制，儘管有些聚合物存在不足，目前尚不能很好的套用，但這確是α-烯烴聚合的一大創舉。按照產品性能和加工的需要，控制不同分子量的分布、不同立構和不同的結晶度進行高水平分子設計，不僅可以大幅度的改進產品質量，而且能開發出更多的新功能材料。上世紀主要開發了大規模的高分子合成材料，而新世紀將會是開發新技術需要的特種功能和智慧型材料。所謂智慧型材料，就是它的作用和功能可隨外界條件的變化而有意識的調節，修飾和修復。智慧型材料及其結構擬於新世紀用於飛機、航天飛行器中，以實現飛行器的自檢測、自控制、自修復、自校正，自適應等功能，有較高的抗損傷性。此外當不同的單一化學聚合表現出某些局限性時，人們採用高分子與無機粒子複合材料，將無機粒子引入聚合物中製取有機/無機高分子將會有大發展。
