基本簡介
高分子材料：macromolecular material，以高分子化合物為基礎的材料。高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料，包括橡膠、塑膠、纖維、塗料、膠粘劑和高分子基複合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。歷史來源
高分子材料按來源分為天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和進化的基礎。人類社會一開始就利用天然高分子材料作為生活資料和生產資料，並掌握了其加工技術。如利用蠶絲、棉、毛織成織物，用木材、棉、麻造紙等。19世紀30年代末期，進入天然高分子化學改性階段，出現半合成高分子材料。1907年出現合成高分子酚醛樹脂，標誌著人類套用合成高分子材料的開始。現代，高分子材料已與金屬材料、無機非金屬材料相同，成為科學技術、經濟建設中的重要材料。
性能特點
高分子材料的結構決定其性能，對結構的控制和改性，可獲得不同特性
高分子材料很多天然材料通常是高分子材料組成的，如天然橡膠、棉花、人體器官等。人工合成的化學纖維、塑膠和橡膠等也是如此。一般稱在生活中大量採用的，已經形成工業化生產規模的高分子為通用高分子材料，稱具有特殊用途與功能的為功能高分子。
發展概況
高分子材料是材料領域之中的後起之秀，是在人們長期的生產實踐和科學實驗的基礎上逐漸發展起來的。幾千年前，人們就開始使用棉、麻、絲、毛等天然高分子作絲織物材料。有些加工方法還改變了天然高分子的化學組成，如：天然橡膠硫化，皮革鞣製，天然纖維製成人造絲等。但由於當時受科學技術發展的限制，直到19世紀中葉，人們仍未能探究到高分子材料的本質。
高分子材料科學的發展萌芽於19世紀後期和20世紀初。當時天然橡膠由異戊二烯，纖維素和澱粉由葡萄糖殘體，蛋白質由胺基酸組成的確立，使高分子的長鏈概念獲得了公認，孕育了高分子的思想。1872年德國化學家拜耳(A.Bayer)首先發現苯酚與甲醛在酸性條件下加熱時能迅速結成紅褐色硬塊或粘稠物,但因它們無法用經典方法純化而停止實驗。20世紀以後,苯酚已經能從煤焦油中大量獲得,甲醛也作為防腐劑大量生產,因此二者的反應產物更加引人關注。 1907年貝克蘭和他的助手不僅制出了絕緣漆,而且還制出了真正的合成可塑性材料—bakelite,它就是人們熟知的“電木”、“膠木”或酚醛樹脂。Bakelite一經問世,很快廠商發現,它不但可以製造多種電絕緣品,而且還能制日用品,於是一時間把貝克蘭的發明譽為20世紀的“鍊金術”。
1920年，德國人H．Staudinger首次提出以共價鍵聯結為核心的高分子概念，加上他對高分子其他方面的貢獻，獲得了1953年度諾貝爾化學獎，他無疑被公認為高分子科學的始祖。
20世紀30~40年代是高分子材料科學的創立時期。新的聚合物單體不斷出現，具有工業化價值的高效催化聚合方法不斷產生，加工方法及結構性能不斷改善。美國化學家卡羅塞斯(W.H.Carothers)於1934年合成了優良紡織纖維的聚醯胺-66，尼龍(Nylon)是它在1939年投產時公司使用的商品名。這一成功不僅是合成纖維的第一次重大突破，也是高分子材料科學的重要進展。
1938年德國研製出聚醯胺-6，即聚己內醯胺；1941年英國制出了聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維，商品名Dacron、“的確涼”或滌綸；1939年德國人又研製出聚丙烯腈纖維，但到1949年才在美國投產，商品名Orlon，我國稱腈綸，此後又出現多種新型合成纖維，滿足了多種需要，但從套用範圍和技術成熟等方面看，仍以上述幾種為主，其產量約占總量的90%。
20世紀50年代是高分子工業的確立時期，同時得到了迅速的發展。石油化工的發展為高分子材料開拓了新的豐富來源，人們把從煤焦油獲得單體改為從石油得到，重要的烯烴(乙烯、丙烯)年產量為數十萬噸級的生產技術日趨成熟。由於出現了齊格勒納塔催化劑，在這種催化劑的作用下，生產出三種新型的定向聚合橡膠，其中的順丁橡膠，由於它的優異性能，到20世紀80年代產量已上升到僅次於丁苯橡膠的第二位。
自30年代出現高分子合成技術到60年代實現大規模生產，高分子材料雖然只有幾十年的歷史，但發展速度遠遠超過其他傳統材料。世界高分子材料工業的迅猛發展，一方面是由於它們的優異性能使其在許多領域中找到了套用；另一方面也是因為它們生產和套用所需的投資比其他材料低,尤其比金屬材料低許多，經濟效益顯著。特別是到了80年代，工業已開發國家鋼鐵產量已衰退而塑膠仍以高速度在發展。在過去的40年裡美國塑膠的生產猛增了100倍。如果將生產量折成體積計算，塑膠的生產已超過鋼鐵。20世紀末，高分子材料的總產量已達20億噸左右。在當前的工業、農業、交通、運輸、通訊乃至人類的生活中，高分子材料與金屬、陶瓷一起並列為三類最重要的材料。我國對於高分子材料科學的研究自50年代開始，主要是根據國內資源情況、配合工業建設進行合成仿製，建立測試表征手段，在此過程中培養了大批生產和研究的技術力量，為深入研究奠定了基礎。60年代為滿足新技術和高技術的需要，研製了大量特種塑膠，如氟、矽高分子，耐熱高分子及一般工程塑膠，如澆注尼龍、聚碳酸酯、聚甲醛、聚芳醯胺；大品種如順丁橡膠。其中最突出的成就是1965年用人工合成的方法製成結晶牛胰島素,這是世界上出現的第一個人工合成的蛋白質,對於揭開生命的奧秘有著重大的意義。高分子化學和物理也獲得較快發展，研究了產品結構和性能的關係。近年來進行了通用高分子的合成和合成機理、功能高分子合成和套用的研究。利用先進技術和測試手段進行結構、性能、加工關係的探索，形成了具有中國特色的新品種和新理論，如稀土催化的順丁橡膠和高分子反應統計理論等，並加強了國際交流和合作。80年代以來，幾十項高分子科技成果獲得了國家級自然科學獎、發明獎、科技進步獎，其中個別項目已趕上或超過國際先進水平。在工業技術方面，我國已建成大慶、山東齊魯、南京揚子、北京燕山、上海金山等十大乙烯工程基地，形成約2.1×106 t/年的乙烯生產能力。
分類介紹
按用途一般將通用高分子材料分為五類，即塑膠、橡膠、纖維、塗料和黏合劑。通用高分子材料的力學性能參見高分子物理學。
高分子材料按特性分為橡膠、纖維、塑膠、高分子膠粘劑、高分子塗料和高分子基複合材料。
①橡膠是一類線型柔性高分子聚合物。其分子鏈間次價力小，分子鏈柔性好，在外力作用下可產生較大形變，除去外力後能迅速恢復原狀。有天然橡膠和合成橡膠兩種。
高分子材料③塑膠是以合成樹脂或化學改性的天然高分子為主要成分，再加入填料、增塑劑和其他添加劑製得。其分子間次價力、模量和形變數等介於橡膠和纖維之間。通常按合成樹脂的特性分為熱固性塑膠和熱塑性塑膠；按用途又分為通用塑膠和工程塑膠。
④高分子膠粘劑是以合成天然高分子化合物為主體製成的膠粘材料。分為天然和合成膠粘劑兩種。套用較多的是合成膠粘劑。
⑤高分子塗料是以聚合物為主要成膜物質，添加溶劑和各種添加劑製得。根據成膜物質不同，分為油脂塗料、天然樹脂塗料和合成樹脂塗料。
⑥高分子基複合材料是以高分子化合物為基體，添加各種增強材料製得的一種複合材料。它綜合了原有材料的性能特點，並可根據需要進行材料設計。利用高分子材料製造的塑膠製品。
高分子材料高分子材料按用途又分為普通高分子材料和功能高分子材料。功能高分子材料除具有聚合物的一般力學性能、絕緣性能和熱性能外，還具有物質、能量和信息的轉換、傳遞和儲存等特殊功能。已實用的有高分子信息轉換材料、高分子透明材料、高分子模擬酶、生物降解高分子材料、高分子形狀記憶材料和醫用、藥用高分子材料等。
加工工藝
高分子材料的加工成型不是單純的物理過程，
高分子材料試驗機在成型過程中，聚合物有可能受溫度、壓強、應力及作用時間等變化的影響，導致高分子降解、交聯以及其他化學反應，使聚合物的聚集態結構和化學結構發生變化。因此加工過程不僅決定高分子材料製品的外觀形狀和質量，而且對材料超分子結構和織態結構甚至鏈結構有重要影響。
化合物特徵
一是分子量大，二是分子量分布具有多分散性。即高分子化合物與小分子不同，
高分子材料名稱用途
塑膠
塑膠根據加熱後的情況又可分為熱塑性塑膠和熱固性塑膠。
高分子材料橡膠
橡膠又可以分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠的主要成分是聚異戊二烯。合成橡膠的主要品種有丁基橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠
高分子材料纖維
合成纖維是高分子材料的另外一個重要套用。常見的合成纖維包括尼龍、滌綸、腈綸聚酯纖維，芳綸纖維等等。
塗料
塗料是塗附在工業或日用產品表面起美觀或這保護作用的一層高分子材料、常用的工業塗料有環氧樹脂，聚氨酯等。
黏合劑
黏和劑是另外一類重要的高分子材料。人類在很久以前就開始使用澱粉，樹膠等天然高分子材料做黏合劑。現代黏合劑通過其使用方式可以分為聚合型，如環氧樹脂；熱融型，如尼龍，聚乙烯；加壓型，如天然橡膠；水溶型，如澱粉。
矽膠
矽膠是一種高活性吸附材料，屬非晶態物質，其化學分子式為mSiO2·nH2O。不溶於水和任何溶劑，無毒無味，化學性質穩定，除強鹼、氫氟酸外不與任何物質發生反應。各種型號的矽膠因其製造方法不同而形成不同的微孔結構。
分子材料
除一般的結構材料外，一些高分子材料還具有光電磁等性能。例如在製造積體電路時高分子感光材料在光刻過程中被大量使用。導電高分子材料和有機半導體打開了單分子電路的大門。有機發光半導體材料為顯示器件打開了一個大幅度降低成本的大門。高分子壓電材料則為力與電的轉換提供了新的途徑。高分子熱電材料則提供了新的熱電轉換途徑。
一、光
1.高分子發光二極體
高分子發光二極體(Polymer Light-emitting diode)是有機發光二極體(OLED)的一種。高分子發光二極體同小分子有機發光二極體相比具有造價更低，加工更簡單的優點。
2.液晶顯示材料
高分子材料與科學3.非線性光學高分子材料
4.光阻(photoresist)
光阻是在積體電路生產過程中把掩膜上的圖形轉移到矽片或者其他基底上使用的高分子材料。大部分在積體電路中套用的光阻對紫外線敏感。光阻有正型光阻和負型光阻兩種。正型光阻在受到紫外光UV照射後會分解,因此可以溶解於顯影劑中.而負型光阻在受到紫外光照射後則會交聯,因此照光的地方會硬化,無法溶解於顯影劑中.
二、電
1.介電材料與高分子
1.1 低介電常數材料
低介電常數材料（low-K 材料）是當前半導體行業研究的熱門話題。通過降低積體電路中使用的介電材料的介電常數，可以降低積體電路的漏電電流，降低導線之間的電容效應，降低積體電路發熱等等。低介電常數材料的研究是同高分子材料密切相關的。傳統半導體使用二氧化矽作為介電材料，二氧化矽的介電常數約為4。真空的介電常數為1，乾燥空氣的介電常數接近於1。
1.1.1 SiLK
SiLK是Dow Chemical開發的一種低介電常數材料，目前廣泛用於積體電路生產。目前已知SiLK是一種高分子材料，但是具體結構仍然是秘密。SiLK的介電常數為2.6。
目前已知SiLK是一種芳香族熱固性材料，含不飽和鍵，不含氟，不含氧和氮。SiLK以寡聚物溶液的形式提供，通過甩膠到矽片上後在氮氣下加熱到320攝氏度去除溶劑並初步交聯。最終需要在400攝氏度以上保溫來完成交聯。
1.1.2 Porous SiLK與Porous MSQ
通過在SiLK中添加納米級空洞可以進一步降低介電常數。目前Porous SiLK的介電常數為2.2。
MSQ是methylsilsesquioxane的縮寫，這是一種矽基高分子材料，通過在MSQ中添加納米級空洞，Porous MSQ的介電常數可以達到2.2-2.5。
納米級空洞通常是通過合成嵌段共聚物的辦法來實現的。
1.2 高介電常數材料
PVDF是一種具有高介電常數的高分子材料，其介電常數可以達到10。
2.導電高分子材料
導電高分子材料是一類具有接近金屬導電性的高分子材料。同金屬相比高分子材料具有低密度，低價格，高可加工性等優點。
2.1純高分子導電高分子材料
高分子材料與科學純高分子導電高分子材料可以用於金屬防腐塗層，儲能元件，探測器，電化學器件，非線性光學，電磁禁止等套用。
2.2導電高分子複合材料
通過在高分子中攙雜金屬或碳類導電添加物（活性炭，碳纖維，碳納米管等）普通高分子材料也可以具有導電性質。
3.壓電與電致伸縮材料
PVDF是一種具有壓電與電致伸縮效應的高分子材料。具有壓電效應的材料可以把機械形變能轉化成電能，具有電致伸縮效應的材料可以把電能轉化成機械形變能。
三、磁
鐵磁性高分子最早報導於2001年，(Science 16 November 2001; 294: 1503-1505)。這種高分子也是一種共軛高分子。參見Magnetic polymer makes its debut。
四、熱
PVDF也是一種具有熱電效應的高分子材料。具有熱電效應的材料可以把熱能轉化成電能或者把電能轉化成熱能。
複合材料
一、塑膠1、聚合反應：加聚反應（如制聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯）
縮聚反應（如制酚醛樹脂）
聚氯乙烯薄膜不能用來包裝食品，應該用聚乙烯
不粘鍋內壁塗敷的是聚四氟乙烯
2、單體：用來製備聚合物的物質，兩種以上單體間的加聚反應就是共聚反應。
二、纖維
1、天然纖維：植物纖維（如棉花，成分為纖維素，屬於糖類）
動物纖維（如羊毛、蠶絲，成分為蛋白質）
2、化學纖維：人造纖維（對天然纖維的加工，如粘膠纖維）
合成纖維（完全由人製造，如尼龍），尼龍又稱錦綸，是人類第一次採用非纖維材料，通過化學合成方法得到的化學纖維。
三、橡膠
1、天然橡膠：以天然乳膠（主要從橡膠樹取得）為原料，成分為聚異戊二烯，是線形分子。
硫化橡膠，當中含有二硫鍵，使線形分子轉變為體型網狀分子，有彈性且不易變形。
2、合成橡膠：如丁苯橡膠等
高分子材料與科學四、功能高分子材料
種類很多，如高吸水性材料，可用於製作紙尿布、農林業保水劑、石油化工脫水劑
五、複合材料
1、定義：由兩種或兩種以上性質不同的材料組合而成的複合材料，通常具有比原材料更優越的性能。如鋼筋混凝土、石棉瓦、玻璃鋼
2、組成：基體材料、增強材料，如碳纖維增強材料
