中科大二十一世纪的高分子科学课件

二十一世纪的高分子科学

在二十世纪初，可靠的聚合方法的发现，加上有关高分子化学、物理和工程的巨大进展，产生了高分子科学，导致并推动了一场材料革命，这场材料革命至今仍在继续进行着。

每年全球生产约2亿吨高分子材料以满足全世界的60亿人的使用需要。与全球每年产生的约500亿吨生物物质相比，高分子材料的产量是如此的微不足道。然而，高分子材料的使用却对全球经济产生了巨大的影响。当全世界人口比现在翻一番时，高分子材料的生产规模可能是现在的三倍甚至四倍。

为什么人类如此广泛的依赖高分子材料而不是什么其它的，诸如木材，金属，陶瓷等材料呢?

这主要是因为高分子这一合成材料更加价廉，更轻便，强度更高，且易于加工成所需要的形状，性能易于控制、相对来说更加安全。最重要的是高分子废弃物更易于处理。

我们该如何发展高分子材料，什么会限制未来高分子及其相关材料的生产?接下来我们将着眼于高分子科学在二十一世纪中可能面临机遇和挑战的一些领域，它们中有的可能会发展壮大，有的也许会逐渐消亡。催化过程和新的聚合方法归根到底，所有的单体合成都是基于催化过程，它大大的促进了有用产品的生产，同时大幅度减少了副产品的生成。一个有经济价值的聚合方法要求可以对分子量、分子量分布、立构规整性等分子结构参数进行精确的控制，而且要对多种单体和共单体都可以适用。用于烯烃聚合和颗粒聚合的新型的催化剂的发现促进了聚丙烯的生产，开辟了一种新奇的发展方向。

现在所使用的，在过去几十年中发展起来的聚合技术只能用于有限的单体。通过生物方法生产单体和有确定结构的高分子，为高分子合成在二十一世纪的发展提供了广阔的空间。当然在这一技术实现商业化应用之前，还有许多经济和环境问题需要解决。非线性结构高分子

过去，高分子材料性质的利用主要基于其细长的、柔软的线性结构。目前，在制造高度支化的，带有枝状和超支化结构的大分子方面进行的努力显然突破了过去的看法。如“球状”结构的高分子，它包括星形支化高分子和其它的由大单体构成的体系。这类高分子可以有效的避免链的缠结，在要求低粘度的领域其应用价值越来越突出。

非线性高分子端基的官能团密度高，分子结构独特，为进行创造性的材料设计提供了途径。当然，目前所面临的问题还很多。商业上可行的低成本的合成路线还有待开发。

类似于超支化结构的体系和有着更加无规结构的结构化大单体体系，造价更低，在许多领域可能会提供更好的性价比，在这方面值得作进一步的研究。超分子组装和高度自组织的大分子

在二十世纪的大部分时间里，高分子量高分子材料的合成主要依赖于在单体单元之间形成共价键。现在，这种方法被完全通过次价键力，由较小单元自组装成合成大分子的方法所突破。基于可逆过程的超分子自组织在未来几十年中可能将变得越来越重要。

这些体系较之共价键体系有许多优点，如“熔融”性质可逆，造价低，以及通过共价键反应无法获得的，迄今未见的分子结构。此外，它们还可用于可逆的交联网状结构和凝胶。这种能够通过一系列非共价键反应，自发折叠组装成有确定的三维几何结构的、线性大分子的合成方法，是一个值得深入研究的方向。

目前自发超分子自组装研究领域已拓展到了宏观尺度。上海交通大学颜德岳教授由一类新型的不规则的超支化共聚物自组装得到了厘米长度、毫米直径的多壁螺旋管。高分子结晶和形态工程大分子通常所利用的是其物理和力学性能。高分子聚集态结构决定了其基本性能。深入研究高分子结构和结晶形态间的内在关系，将会产生具有改进的甚至是最佳的固态性能的新材料。

结晶高分子通常以多晶形式存在，每种晶型有不同的熔融行为和稳定性。在这种情况下，选择合适的成核剂，甚至是不同手性的成核剂，可对某一高分子形态进行控制，如球晶的尺寸、颗粒度等等，从而调节硬度、脆性等固态性能。刺激-响应高分子

大多数商业化生产的高分子都有确定的使用性能，且尽量使这些性能不随时间而变化。为了使塑料在不同的环境条件下有更加稳定的性能，研究人员不断的研究高分子添加剂和其它相关技术。然而从另一个思路出发，也可以使高分子通过精确的可以控制的方式发生变化，以响应外界刺激，这样就赋予了材料智能的特性。

在二十一世纪，刺激-响应高分子可能会越来越重要，因此在这方面的深入研究是有价值的。无论是单独使用或是和其它材料一起使用，这种高分子都有高的附加值。如人造器官，“智能”表面和涂层，以及新型传感技术等。刺激响应性高分子凝胶，就是以细胞作为蓝本的智能材料，在生物医用方面有重要的贡献。高分子的循环利用和处理无论天然还是合成高分子材料，都有一定的使用寿命，在这以后其性能会严重下降。因此研究增加高分子稳定性的技术，延长人工合成高分子在光、热、氧化剂和其它环境因素下的使用寿命，显得相当重要。将性能下降的材料用于对性能要求较低的应用领域，也可以作为一种废物处理的方法。

还可以开发使有用的单体得以再生的“解聚合”催化剂，研究可以使高分子断链生成简单成分的化学和生物降解过程。对于一些特定的体系，研究人员正在尝试在绝氧条件下使得高分子热降解产生类似于油的产物。

我国已研究成功了完全生物降解的高分子复合材料。采用具有良好生物降解性能的聚己内酯为基础原料，经过化学改性，提高了聚己内酯的耐温性能，改进了力学性能和加工成型性能，并与其它材料具有优良的相容性。经过改性的聚己内酯可与各种天然高分子材料混合使用，制备完全