高分子合成材料：革命性影响及科研与生产结合

高分子合成材料是20世纪材料领域的新秀，给人类生活方式带来了革命性的影响。与丝、棉、毛纺织、皮革等天然高分子材料不同，高分子合成材料主要指橡胶、塑料、纤维、薄膜、涂料等。高分子合成材料及其应用技术发端于20世纪20年代，成熟于70年代，在不到50年的发展过程中在许多领域取代了钢材、木材和棉花。据不完全统计，至70年代末，合成橡胶的产量已经达到天然橡胶产量的2倍，塑料在结构材料中占到了22%，工程塑料已有取代钢铁之势。

高分子合成材料的发展可以说是科研与生产密切结合的典范。高分子科学的建立和发展为高分子合成材料的发展奠定了理论基础。19世纪，人们关于有机物质的认识主要是有机小分子，如醇、醋、汽油、糖等，在研究方法、实验技术和基本理论方面有了较为丰富的积累。但是，对那些树脂状的有机物质可以说束手无策，既不能用分馏的方法、也不能用结晶的方法提纯，科学家一直无法取得突破性进展。1861年，英国化学家格雷阿姆（Thomas Graham）曾提出了所谓“高分子的胶体理论”，认为高分子是很多小分子通过一些类似于范德华力的“价键”结合在一起的。该理论在一定程度上解释了某些高分子的特性，受到大多数学者的支持，但这种物质无法用分馏或结晶的方法进行提纯。1920年，德国化学家施陶丁格（Hermann Staudinger）在《德国化学会会志》上发表了关于聚合反应的论文，首次提出聚苯乙烯、聚甲醛、天然橡胶上有线性长链的价键结构式，不同意把橡胶、纤维素的结构看成多元环的物理缔合，并使用“Makromolekul”（高分子）一词。2年后，他明确提出了高聚物是长链大分子结构的概念。但是，施陶丁格的观点遭到胶体论者的强烈反对。1924年，瑞典化学家斯维德贝里（Theodor Svedberg）发明了第一台超速离心机，测出了蛋白质的分子量，还创造出电泳和吸附方法，用以分离和提纯胶体和高分子化合物。斯维德贝里为施陶丁格的高分子聚合物的存在及其理论提供了直接的证据。1926年，在德国化学年会上，施陶丁格的高分子理论得到了除一人保留意见外所有与会者认同。斯维德贝里也因此荣获了1926年诺贝尔化学奖。1932年，施陶丁格出版了划时代巨著《高分子有机化合物》，标志着高分子合成化学正式创立。

在施陶丁格理论的影响下，高分子合成材料的研发得到迅速发展：1927年德国研制成功有机玻璃，1928年美国合成聚氯乙烯塑料，1930年德国研制出聚苯乙烯塑料。聚苯乙烯是生产丁苯橡胶的原料，是重要的战略紧急物资。第二次世界大战后，聚苯乙烯转为民用，因具有良好的绝缘性能，被用来制作电视机、雷达等所需的高频绝缘部件，使聚苯乙烯获得很大发展。此后，各种塑料被广泛应用到人类生活的方方面面，可以称得上是20世纪人类最为重要的发明之一。(www.xing528.com)

1935年，美国化学家卡罗瑟斯（Wallace Carothers）发现了缩合聚合规律，直接促使他发明了尼龙。1939年，德国研制出锦纶。1940年，英国合成了涤纶。第二次世界大战期间，橡胶、尼龙等合成高分子材料作为军用物资，备受重视。1942年，德国人莱因（Herbert Rein）与美国人莱瑟姆（George H.Latham）几乎同时发现了二甲基甲酰胺溶剂，并成功地得到了聚丙烯腈纤维，即腈纶，也称人造毛。1953年，德国化学家齐格勒（Karl Ziegler）发明了四氯化钛—二乙基铝催化体系，并合成了聚乙烯和聚丙烯，使高分子合成工业的发展又迈向了一个新的阶段。1955年，美国人合成了结构与天然橡胶一致的聚异戊二烯，同年合成顺丁橡胶并投产。1960年，美国科学家贝肯（Roger Bacon）在《应用物理杂志》上发表了关于石墨晶须的文章，成为高性能碳纤维技术基础研究史上的一个里程碑。他认为，石墨晶须是石墨聚合物，是一种纯粹的碳形式，原子被排列在六角形的片体中，是卷起来的石墨片层。1970年，美国科学家辛格（Leonard S.Singer）发明了中间相沥青基碳纤维制备技术。

总之，20世纪五六十年代，高分子科学已相当成熟，极大地促进了橡胶、塑料、纤维的工业发展，改变了人们的衣食住行。70年代以后，高分子科学进入一个新的发展时期，出现一些具有特殊功能的高分子材料，如用于集成电路光刻工艺的高分子感光胶，以及高分子导电、半导体、发光、压电、热电、功能膜、生物医学材料等。值得一提的是，在这个时期，美国人辛格获得了石墨纤维及其制造工艺的专利，日本东丽工业公司开发了性能极优异的聚丙烯腈基碳纤维，美国与日本占据了碳纤维技术的领导地位。由于碳纤维质量小，动力消耗少，可节约大量燃料而被应用在火箭、导弹和高速飞行器等航空航天领域。目前，碳纤维作为新兴材料正由成长期进入快速应用期，预计在工业领域的应用将占70%，在休闲娱乐等领域的应用将占15%～30%。