高分子化學:高分子化學是研究高分子化合物的合成、化學反應、物理化學、物理 -百科知識中文網

概述

在人類社會5000年發展的漫長歲月中，人們雖然天天與天然高分子材料打交道，但是對它們的科學本性卻一無所知，不知道棉、麻、絲、木材、澱粉等等都是天然高分子化合物。直到20世紀初期，經過施陶丁格等一些化學家們的共同努力，才徹底改變了這個局面。

簡介

高分子化學是高分子科學的三大領域之一，它包括高分子化學、高分子物理和高分子工藝。高分子化學是研究高分子化合物的合成、化學反應、物理化學、物理、加工成型、套用等方面的一門新興的綜合性學科。

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。

（Hermann Staudinger 1881—1965）在1922年提出的，但沒有得到當時化學界一些人的贊同。直到30年代初，通過了多次實踐，這一概念才被廣泛承認。正確概念一經成立，就使高分子有飛躍的發展。當時鏈式反應理論已經成熟，有機自由基化學也取得很大的成就。三者的結合，使高分子合成有了比較方便可行的方法。高分子具有重複鏈節結構這一科學概念，是德國著名化學家H.施陶丁格

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。

高分子科學可以分為高分子化學(狹義的)、高分子物理和高分子工藝學三部分。高分子化學又分為高分子合成、高分子化學反應和高分子物理化學。高分子物理研究高聚物的聚集態結構和本體性能。高分子工藝學又分為高聚物加工成型和高聚物套用。

高分子雖然分子量很高，但是它們所具有的官能團，仍然與一般小分子有機化合物有一樣的反應性能。但其反應性能受兩種特有因素的影響：高分子是長鏈結構，這個長鏈是曲曲折折的蜷曲形。有規則的蜷曲(摺疊)形成晶態，無規則的蜷曲形成非晶態；高分子的分子與分子堆砌在一起。有規則的堆砌形成規整的晶態排列；無規則的堆砌形成非晶態。規整結構中分子排列緊密，試劑不易侵入，官能團不易起反應；不規整結構中分子排列疏鬆，試劑容易侵入，官能團容易起反應。

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。

高分子鏈結構包括鏈節的化學結構，鏈節與鏈節連線的化學異構和立體化學異構、共聚物的鏈節序列、分子量及分子量分布，以及分子鏈的分支和交聯結構。

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、螺鏇、雙螺鏇、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。

高分子與小分子不同，具有強度、模量，以及粘彈、疲勞、鬆弛等力學性能，還具有透光、保溫、隔音、電阻等光學、熱學、聲學、電學等物理性能，由於具有這些性能，高聚物可作為多種材料套用。高聚物的結構與加工成型的方法有關。因此，要取得高聚物的優良性能，必須採用適當的加工成型方式，使它形成適當的結構。例如，成纖的高聚物，在紡絲以後必須在特定溫度下進行牽伸取向，才能達到較高強度。

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。

科研研究

蘇聯從20年代開展合成橡膠的研究，30年代初首先在世界上實現了丁鈉橡膠的工業化生產。在這個領域蘇聯化學家一直在起主要作用。以後，蘇聯學者又研究了能控制分子量與分布的負離子聚合作用的動力學與機制。研究了陽離子催化劑的條件下很多不飽和化合物聚合作用的機理和環狀陽離子聚合作用特徵。

60年代，為了適應當時宇宙飛行與航空事業發展的需要，對於耐高溫高分子的合成和研究出現了高潮。蘇聯學者通過對縮聚反應機理的研究合成了芳香族聚醯胺和芳香族雜環聚合物等一系列耐熱高分子聚合物。蘇聯學者採用各種方法研究纖維素的改性過程。目前正在尋找以羥乙基、羥丙基、羧甲基纖維素為基礎的共聚物，作為水溶性增稠劑，以降低流體動力學阻力和凝聚作用，套用於石油、纖維素紙和其它工業生產。最近10多年來，蘇聯科學院化學物理研究所在相當大的範圍內進行了聚合物的老化和穩定作用的研究，完成了大量熱氧化和光氧化動力學與反應機理的經驗研究，發現了防氧化劑的臨界濃度，解釋了防氧化劑的混合物中協同作用現象，研究了光穩定劑的禁止效應過程。

目前，喀山、高爾基、坦波夫、烏法、列寧格勒、莫斯科等地都在進行聚合物的降解和環境老化方面的研究。考察了液體和氣體腐蝕介質（氧、鹼金屬、鹽、臭氧）中聚合物降解；研究了可被生物體降解吸收的生物降解高分子；廣泛研究了酚的主體障礙化學，合成了套用廣泛、無毒、不染色的防老化劑和聚合物穩定劑。元素有機聚合物、雜鏈聚合物的研究與套用在蘇聯得到了順利發展。合成了一種作為氣體高效分離隔膜套用的新型聚合物——聚烯矽；制出了大約40種含氟塑膠。熱穩定、玻璃態、低溫橡膠在鐘錶中已得到廣泛套用。獲取了側鏈帶有磺基和羧基的高氟聚合物以及以有機磷和各種元素有機化合物為基礎的聚合材料。

最近，蘇聯科學院烏克蘭科學中心合成了不同結構的含鉭低聚物，並以此為基礎製得了具有高耐熱性、高介電性和高粘附性的粘合聚合物。並運用這種聚合物生產出真空緊密膠和亞鐵酸鹽-矽微晶玻璃材料膠。

近年來蘇聯高分子化學的主要研究方向是改進和完善合成新型高分子聚合物的方法，製取了大量的適合於現代技術需要的聚合材料和複合材料。在醫用高分子聚合材料方面也取得了一定成果。研究合成了大量的以親水聚合物（肽、蛋白質、肝素、纖維蛋白酶、膽固醇）為基礎的具有生物特性的聚合吸著劑。這類水凝膠和大孔吸著劑可以用於製造可混溶血液的聚合材料和分離、提純生物活性物質。蘇聯烏克蘭有機化學研究所和高分子化學研究所研製出一種新型的含有二肽鏈的聚合物基礎鏈——“分節”的聚氨酯聚合物。這種高分子材料具有令人滿意的抗血凝性，能夠用於修復人體內部器官。另外，還合成了經過改性處理的具有活性的、直接起延緩作用的血液抗凝血劑——丙烯和丙烯酸的水溶性共聚物，確定了這類具有生理活性聚合物分解代謝的機理。同時模擬生物膜作用，研究合成具有各種分離功能的高分子膜。例如研究用抗原決定素和天然抗原化學複合體的方法合成活性膜聚合物，這對於建立人工免疫系統具有重要意義。蘇聯學者還研究合成了與多核苷酸有互補作用的嘌呤和嘧啶的羥乙基纖維素衍生物，這是一種很有前途的抗病毒製劑。

2009年版圖書

書名：高分子化學

書號：9787302197881

作者：唐黎明

定價：39.8元

出版日期：2009-5-1

出版社：清華大學出版社

內容簡介

本書為清華大學教材。全書系統講述了高分子化合物的合成原理及其化學反應，並扼要介紹了聚合物的結構和性能。全書共分9章，包括緒論、聚合物的結構與性能、逐步聚合、自由基聚合、自由基共聚合、自由基聚合實施方法、離子聚合、配位聚合和聚合物的化學反應。

本書可作為高等院校高分子專業的教材，也可作為從事本專業的科研人員、工程技術人員的參考書。

高分子化學

概述

簡介

發展歷程

科研研究

2009年版圖書

內容簡介

目錄

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