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中国高分子科学的发展概况与趋势
                       中国高分子科学的发展概况与趋势(1999,9)
          刊于《跨世纪的高分子科学》丛书(含《高分子化学》,《高分子物理》,
      《聚合物成型原理及成型技术》,《功能高分子与新技术》四册),各册的第一章
              胡汉杰、周其凤、杨玉良、瞿金平、何天白共同讨论,胡汉杰执笔
1.1  历史的回顾
    高分子概念的形成和高分子科学的出现始于20世纪20年代[1]。虽然早在19世纪中叶当时并没有形成长链分子这种概念,但高分子就已经得到了应用。那时主要是通过化学反应对天然高分子进行改性,所以现在称这类高分子为人造高分子。比如1839年美国人Goodyear发明了天然橡胶的硫化;1855年英国人Parks由硝化纤维素(guncotton)和樟脑(camphor)制得赛璐珞(cetluloid)塑料;1883年法国人de Chardonnet发明了人造丝(rayon)等[2]。1920年德国科学家Staudinger提出了高分子的长链结构,形成了高分子的概
念[3],从而开始了用化学方法制备合成高分子的时代。由此高分子化学渐渐萌生和发展。
    随着人类社会对高分子材料的强烈需求,一些有机化学家开展了缩聚反应及自由基聚合反应的研究,并通过这些反应相继开发出尼龙(聚酰胺)66、氯丁橡胶、丁苯橡胶、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等一大批高分子新材料,从而形成了“高分子化学”的研究领域。随着大批新合成高分子的出现,解决对这些新聚合物的性能表征,以及了解其结构对性能的影响等问题也随之变得很必要了.因此从20世纪40年代至50年代,一批化学家、物理学家投人了这方面的研究,渐渐形成了“高分子物理’’(含高分子物理化学)研究领域。随着高分子化学、高分子物理研究工作的深入及高分子材料制品向人类生活各个领域的迅速扩展,高分子材料的成型加工原理及技术研究、高分子化合物生产中的工程问题的研究日渐产生,从而形成了涉及高分手成型加工及聚合反应工程研究的“高分子工程”研究领域。高分子化学、高分子物理和高分子工程等研究领域组成了高分子科学的基本内涵,从而形成了“高分子科学与工程”学科。在高分子科学的形成和发展过程中,除Staudinger外,世界上许多科学家对此也做出了巨大贡献,比如Ziegler(德国)、Natta(意大利)、Flory(美国)和de Gennes(法国),他们分别因在配位聚合反应和高分子物理等领域对高分子科学的发展做出了开创性或奠基性工作而荣获诺贝尔奖。
    中国的高分子研究起步于50年代初[4~~8]。当时国内一批高分子研究的先驱者,分别在不同领域开展了高分子方面的研究工作。唐敖庆先生于1951年在中国化学会志上发表了关于橡胶分子尺寸计算的我国首篇高分子科学论文,并在吉林大学开展了高分子统计理论的研究;中国科学院长春应用化学研究所于1950年开始了合成橡胶和纤维素化学的研究工作;王葆仁先生于1952年在中国科学院上海有机化学研究所建立了有机玻璃和尼龙6的研究小组(后来迁京成为中国科学院化学研究所的一部分);冯新德先生于50年代初在北京大学开设了高分子化学专业并开展了相关研究工作;何炳林先生于50年代中期在南开大学开展了离子交换树脂的研究工作;钱人元先生于1952年在中国科学院长春应用化学研究所、1953年在中国科学院上海有机化学研究所分别建立了高分子物理化学研究组,开展高分子溶液性质研究(1956年由上海迁京,成为中国科学院化学研究所的一部分);钱保功先生于50年代初在中国科学院长春应用化学研究所开始了高聚物黏弹性能及高分子辐射化学的研究;徐僖先生于50年代初期在成都工学院(现四川大学)开设了塑料工程专业并开展了塑料加工成型研究。在他们的带领下,我国的高分子化学、高分子物理以及高分子工程等三个分支学科领域的研究,在跟踪国外发展、急起直追的情况下几乎同时起步。但由于受到当时国内科研队伍状况及国民经济发展情况的影响,三个分支学科领域的发展并不平衡。50年代末,高分子化学首先发展壮大并形成学科基本内涵。60年代中,高分子物理的学科内涵及学科队伍基本形成。高分子工程领域的研究,长期以来由于绝大部分研究工作偏重于制品制造及一般工艺研究,学科基础研究的内涵约在80年代后期才初步形成。
    对于我国高分子科学的形成和发展,老一辈高分子科学家们做出了不可磨灭的贡献。例如,王葆仁先生在我国高分子科学的形成、发展中进行了重要的组织工作,培养了一大批学科骨干。冯新德先生在自由基聚合、氧化还原引发体系等领域长期开展了系统的基础研究工作,并开创了国内医用高分子研究领域。何炳林先生开拓了我国离子交换与吸附树脂的研究领域,并在将基础研究和应用研究相结合进而推动产业发展方面做出了富有成果的尝试。钱人元先生对我国高分子物理的学科布局及深入发展起了奠基作用,开拓了我国高分子溶液、高分子凝聚态、有机金属导体等一些重要的研究领域。钱保功先生在组织高分子化学、高分子物理进行学科联合,共同开发我国新品种橡胶研究方面做出了重要贡献。唐敖庆先生开展的高分子统计理论研究,在高分子化学、高分子物理理论研究方面开创了一个重要领域。徐
僖先生长期开展的塑料成型研究为我国高分子成型学科基础研究的发展起了重要奠基和推动作用。还有其他一些老一辈高分子科学家也分别在不同领域为高分子科学的发展做出了重要贡献。50年来,随着高分子科学研究在深度和广度上的发展,在老一辈高分子科学家的指导下以及广大第一线高分子科技人员的带领和培养下,我国高分子界已有一批年轻的研究群体破笋成竹,他们代表着我国高分子科学的未来。
    国际上高分子科学的出现,源于高分子材料的普及和初级高分子工业的发展,高分子科学的形成和发展又极大地推动了现代高分子工业的形成和更大规模的高分子材料的普及。我国高分子科学的形成、发展和我国高分子工业的形成及提高似乎是各行其路的。高分子科学在追踪、学习国外成就的过程中成长、壮大和提高,而高分子工业则基本上是采取了引进一消化一再引进的发展道路。虽然中国高分子科学在人才培养、特殊高分子材料的研究开发及少数几项工业技术(例如中国科学院长春应用化学研究所研究的三元镍系顺丁橡胶合成技术,中国科学院化学研究所的降温母粒生产衣用聚丙烯纤维的技术等)的创造方面,为中国高分子工业的发展做出了贡献,但就整体而言,中国高分子科学的发展对中国高分子工业推动作用的潜力尚远未发挥出来。其原因是多方面的。在研究工作中,高分子学术界如何与高分子工业密切联系,如何从工业实践中发现、提炼学术课题开展自己的研究工作,是值得今后重视的。
    回顾历史可以看出,人类社会对高分子材料的需求是高分子科学产生和发展的推动力,和其他学科的交叉、融合则是高分子科学成长过程的特点。正是基于这两个特点,80年来高分子科学得以从无到有并飞速发展,至今已成为化学领域中最有活力的学科。中国高分子科学的发展,除了具有上述两个特点外,另有自己的特殊之处。一是为了填补科学上的空白,努力向国外学习,追踪、仿效国外科学前沿的研究工作;是中国高分子科学发展的主要牵引力,在这一牵引力的作用下,我国高分子科学的水平迅速地全面提高,但难以产生在国际上有创新意义的重大成果。二是面向国民经济发展的需要,去研究、解决生产实践中存在的现实学术问题或技术问题,并从中提高高分子科学的学术水平,是我国高分子科学发展的另一个次要牵引力。在这一牵引力的作用下。虽然不利于我国高分子科学整体水平的全面、迅速提高,但在某些局部领域却产生了一些在国际上有创新意义的成果,除了前述中国科学院长春应用化学所的“三元镍系顺丁橡胶及稀土催化聚合双烯类橡胶”的工作、中国科学院化学研究所的“降温母粒法生产衣用聚丙烯纤维”的工作外,还有华南理工大学的“电磁动态聚合物成型原理及设备”的工作、中国科学院化学研究所的“羰基化制醋酸、醋酐的高分子催化剂”的工作等.产生这些创新成果的原因之一,恐怕是工作中没有国外现成模式、思路可借鉴,迫使研究者只能独立思考、独立去实践创造解决问题的思路,从而蹚出了创新之路。
    温故而知新。展望未来,在我国高分子科学已有相当水平及相当规模的现状下,虽然向国外学习、追踪国际学术前沿仍是我国高分子科学发展的一条路径,但注意将学习国外和自己创新结合起来,在追踪中创造自己的研究思路,在国外工作启发下进一步开拓,将成为我国高分子科学研究的主要创新之路。同时面向生产实践,从生产实践中发现、提炼最新的学术问题,在解决具体问题中走学科交叉、多学科融合之路,也将是我国高分子科学研究创造新领域、新局面的途径。
1.2  中国高分子科学研究的概况
1.2.1一般情况
    经过50年的发展,中国高分子科学现在的基本状况是:已形成了一支约1.5万人的高分子科研队伍,在这支队伍中有中国科学院院士12人、中国工程院院士4人,副研究员、副教授以上的高级研究人员约2000人.由所从事研究工作的性质看,大约30%的研究人员致力于高分子学科的基础性研究,7o%的人员从事为国民经济的发展而探索、创造各种新材料、新技术的应用研究工作。从研究队伍的学科构成来看,约有65%的人员从事高分子化学领域的研究,25%的人员从事高分子物理领域的研究,10%的人员从事高分子工程领域的研究。从研究课题情况来看,几乎涵盖了国际上高分子研究的所有主要领域,但是工作的深度及学术水平总体上与国际水平仍有相当差距,我国仅在个别工作点上,特别是和应用联系密切的新材料、新技术研究方面,做出了一些在国际上有影响的成果。
1.2.2学科概况
    高分子科学的内涵虽然得到了学术界的共识,但学科名称却十分不一致,其中在国内外有影响的提法是“高分子科学与工程”学科。我国“高分子科学与工程”学科的内部构成,基本上跟上了国际高分子科学发展的现有格局。既形成了、“高分子化学”、“高分子物理”及“高分子工程”(含高分子成型和聚合反应工程)三个基础性分支学科,以及“功能高分子”和“高分子新材料”两个综合性研究领域。高分子化学、高分子物理、高分子工程三个分支学科各有其相对独立的基础性学科内涵,但在学科发展及具体学术研究中,又相互融合、相辅相成,彼此协调发展。三个分支学科都从不同角度面对高分子科学的共同研究目标——为人类提供新材料、新技术,因此三个分支学科从不同角度、不同学术领域,分别涉人了新材料研究的两个综合性研究领域—功能高分子(材料)和(通用)高分子材料。
    我国的"高分子化学”研究,学科基本成熟,研究领域很宽,但多数课题是从事功能高分子的合成及用作各种新材料聚合物的合成研究。高分子化学的学科基础研究是高分子合成、高分子改性,这方面的工作约占高分子化学研究的1/3。在高分子化学领域,我国做出的在国际上有影响的工作是:三元镍系顺丁橡胶合成和稀土催化合成顺丁橡胶、异戊橡胶及稀土催化剂研究、自由基聚合的氧化还原引发体系、甲壳型液晶高分子的设计和合成、杂环高分子的研究、全程自由基聚合反应动力学研究、配位聚合新催化剂研究等。
    我国的“高分子物理”研究,学科也基本成熟,研究队伍精干,课题相对比较集中。在高分子物理领域,我国做出的国际上有影响的工作是:降温母粒法生产衣用聚丙烯纤维技术、高分子聚合反应统计理论、顺丁橡胶的结构和性能研究、单链高分子研究、高分子链结构和凝聚态结构的研究、橡胶的有序交联弹性网络模型、切变流动下高分子体系相分离研究等。
    我国的“高分子工程”分支学科内涵正在形成之中。目前这个领域主要包括两个方面的工作,即聚合物成型和聚合反应工程研究,其中聚合物成型研究占了绝大部分。在聚合物成型研究中,目前多数工作是聚合物新产品的制造和工艺条件研究,而学科的主体——聚合物成型原理、方法及理论方面的工作仅占40%左右。本分支学科虽然形成较晚、相对研究队伍人数较少,但我国在本领域已做出几项在国际上有影响的工作,如电磁动态聚合物成型设备及成型原理、聚合物加工辐照增容及改性技术、聚合物加工过程中力化学研究、聚合物塑化过程可视技术等。
    “功能高分子”不是基础学科,是高分子各个基础学科与其他学科领域、应用领域相互交叉而发展形成的研究领域。我国的功能高分子研究主要是高分子化学家在介入,也有少部分高分子物理学家及少部分物理学家、电子学家、生命领域的学者等参与。在功能高分子领域,我国做出的有国际影响的工作是:吸附与分离树脂研究,有机金属导体研究,导电聚苯胺的结构与导电性能研究,高分子药物研究,电化学法合成高强度导电聚噻盼,结构型合成磁性高分子及材料,用于羰基合成法制醋酸、醋酐的高分子催化剂等。
    “高分子新材料”同样不是一个基础学科,也是一个综合研究领域。该领域的研究思路是,结合国民经济对各种新材料的需求,运用高分子学科知识,融合其他相关学科的知识,对各种新材料开展分子设计、化合物合成以及聚合物结构和成型研究。因此本领域的工作面颇宽,研究内容颇广。“高分子材料”和“功能高分子”的区别在于,前者着重研究通用型材料,使用量大、应用面广,后者着重研究功能材料,即性能特殊、使用量小、附加价值高的一类材料。目前我国在高分子新材料方面的主要研究领域有高分子工程材料(含高性能树脂材料和高性能聚烯烃材料)、高分子复合材料、可环境降解塑料、高分子纳米材料、天然高分子改性材料等塑料领域的工作,另有橡胶、纤维、涂料、黏合剂、建材等方面的高分子材料研究。“高分子材料”领域的研究人员同样主要是高分子化学家,也有一些高分子工程、高分子物理及其他学科领域的学者。在高分子新材料领域,我国做出的有国际影响的工作有:杜仲橡胶(反式聚异戊二烯)研究、天然漆漆酚钛耐腐蚀涂料研究等。
    国家自然科学基金(化学部)在过去的资助项目中,对高分子学科的以上三个分支学科和两个综合研究领域项目的立项比例大致为:高分子合成(含改性)25%,高分子物理25%,高分子工程6%,功能高分子25%,高分子新材料19%。关于三个分支学科及功能高分子领域的研究状况,本丛书将在不同分册中详细述及。
1.2.3学科特点
    回顾高分子科学的形成、发展过程可以看到,学科基础研究和应用研究相结合,学科理论研究和工程研究相结合,学术研究和工业发展相结合,化学研究和其他学科相互交叉、融合,是高分子科学的学科特点。正是由于上述学科特点,以及高分子科学明确地为人类社会探索、创造高分子新材料的学科目标,才促进了高分子科学的产生、深入及迅猛发展。我们相信,今后高分子科学的发展,仍会充分发挥上述特点并主动利用这些特点来发展自己。我国高分子科学研究中,某种程度上存在着“工科高分子"和"理科高分子”互相脱离、“高分子材料”和“高分子学科的基础研究”互相脱离的情况,这种情况是不利于高分子科学的整体发展的。“高分子科学”和“高分子材料”应是学科基础和上层建筑的关系。只有“学科基础”水平的提高和不断创新,才能为创造更好的五花八门的高分子材料提供不竭的源泉。若宏观上仅仅局限于“学科基础”的学术研究,不注意新材料研究的总体学科目标,学科研究最终将失去发展的推动力和新学术思想的源泉;若仅仅强调为社会提供高分子材料,不注意高分子科学的学科基础的发展,将导致学术上迷失方向和失去学科积累,最终也将影响高分子新材料的研制水平。在高分子研究的具体实践中,往往面临着“搞开发”还是“搞基础”的矛盾,面对这个矛盾,我们可以从高分子学科的发展历史中得到启迪。回顾高分子科学的发展过程,可以看出,一个时期工作有时有所侧重,而总体上学科基础研究的发展应是贯穿始终的学术界的工作内容。成功的做法是,既要及时抓住工作中潜在的新技术、新材料的苗头,并尽可能将其开发成对人类社会有用的新技术、新材料——从而获得学科发展所需的各种必要的支持和动力,又要不迷失学术方向,瞄准学科前沿并注意从应用开发工作中提炼归纳学术问题,从而不断提高高分子科学的发展水平及提高新材料的开发能力。
1.2.4目前存在的问题
    中国高分子科学是在我国社会对高分子材料需求的背景下,向国外学习、追踪国外学科前沿而产生和发展起来的。在这个长期的发展过程中,“追踪”、“学习”是学科发展的主线,而工作“创新”则显得很不够。处理好“追踪”和“创新”的关系,是今后我国高分子科学发展所面临的问题。今后我国高分子科学的发展,仍需向国外“学习”和“追踪”,因为我们的科学水平和国外先进水平还有明显的差距,但是我们更需要“创新”,这是使我国高分子科学产生质的飞跃、迎头赶上国际水平所必须采取的发展方式。我国的高分子科学家应思考如何走创新之路,比如从生产实践中提炼现实存在的新的学术问题,从而使自己的科研工作起点高;从近缘或远缘学科交叉中酝酿新思路、新学术问题、新研究领域;在追踪国外工作的同时不单纯模仿,注意用国外工作启发自己的新思路,甚至借鉴国外工作的同时用“逆向思维”而产生自己的创新思路。
    高分子学科发展中存在的另一个问题,是学术界和企业界的联系问题。在高分子科学发展的50年中,学术界采取了“学习”、“追踪”的道路,高分子工业实质上也是采取了“学习”、“追踪”之路(如“引进”、“消化”)。学术界如何和企业界结合起来,彼此相辅相成、优势互补共走创新之路,这方面还需要进一步思考和实践。在今后高分子科学的发展中,学术界一方面应注意了解企业界的工艺过程、生产情况,更应注意从中提炼、归纳新的学术问题,争取在解决工业实践中关键技术问题的研究中,开拓自己的有创新意义的研究新领域,同时也为高分子工业技术水平的提高做出贡献。当然,在面对实践中关键技术问题的研究中,要注意走学术创新、技术创新之路,避免采取工业技术方面仿制国外、单纯追踪国外的习惯做法;另一方面,我们也建议学术界更应注意自己现有研究工作中潜在的新技术、新材料苗头,一旦发现,应重视起来,努力开发或协作开发成实用的高新技术,争取从知识的源头来为创造我国自己的高新技术产业做出贡献。
    处理好"基础研究"与"应用研究”的关系,也是我国高分子科学研究中面临的问题。对高分子科学而言,“基础研究”和“应用研究”之间是密切相关的,而且工作中时常是可以转换的。我们推荐的工作模式是,一段时间内研究方向可以有所侧重,但学科基础研究应贯穿研究工作的始终;从事“基础研究”时应注意工作中潜在的应用研究的苗头,从事“应用研究”时,应注意从中提炼、归纳学术问题。这样,才能既提高学术水平、增加学术积累,同时又促进高水平应用性成果的产出,这是我们遵循高分子科学的学科特点、加速发展高分子科学的捷径。
1.3  中国高分子化学的研究
    高分子化学领域的研究目标是:创造新物质及提高已有物质的性能。根据这个总目标,具体的研究思路是:研究新高分子化合物的分子设计及合成;研究高分子合成、改性的新聚合反应、新聚合方法;研究高分子有序结构及特定凝聚态结构的控制合成或组装方法。
我国的高分子化学在过去的研究工作中,较多地注意了作为新材料背景的新高分子化合物的合成以及传统聚合反应的研究。对新聚合反应、新聚合方法的探索、创新意识不够。在新化合物的合成方面,根据材料的使用要求开展分子设计,将不同性质的高分子片段“组合”到一个高分子链上,以此来探索具有优良综合性能新材料的共聚合研究也尚嫌不够。在新化合物的合成方面,学术界往往不注意未来在新材料应用方面社会可接受的"性能-价格"方面的综合因素。这是我们应该注意的。今后的高分子化学研究,建议进一步重视高分子链结构的设计和控制合成(分子拓扑形貌、空间立构等规、分子量可控、官能团或“功能结构”位置及数量控制),以及有某种材料性能的特殊凝聚态结构的直接合成或组装技术的研究(分子整体构象控制,凝聚态一维有序结构、二维有序结构、基本结构成分的序列控制,纳米相结构等)[9一12]。
    我国高分子化学研究目前的主要工作是:
    ·在聚合反应研究方面,有配位聚合研究(<高分子化学>第9章)、活性自由基聚合研究(<高分子化学>第8章)、离子聚合研究(<高分子化学>第10章、第ll章)、开环聚合研究(<高分子化学>第13章)、开环易位聚合研究(<高分子化学>第12章)、等离子体聚合研究(<高分子化学>第6章)、电化学聚合研究(<高分子化学>第7章)以及自由基聚合反应的全程动力学研究(<高分子化学>第18章)等。
    ·在聚合方法研究方面.有乳液聚合研究(<高分子化学>第16章)、泡沫分散聚合研究(<高分子化学>第17章)、螺杆挤出本体聚合研究(<聚合物成型原理及成型技术>第10章)、插层聚合研究(<功能高分子与新技术>第14章)、聚合物的工业合成技术(<高分子化学>第22章)等。
    ·在聚合反应引发体系及高分子改性方法研究方面,有自由基引发体系研究(<高分子化学>第2章)、光引发及材料表面活性自由基聚合改性研究(<高分子化学>第3章)、高能粒子辐射及改性技术研究(<高分子化学>第4章)、微波引发及改性技术(<高分子化学>第5章)、等离子体引发聚合及改性(<高分子化学>第6章)、超声波改性技术研究(<聚合物成型原理及成型技术>第4章)等。
    ·在新类型聚合物合成方面.有基于活性自由基聚合或阴离子聚合方法而开展的不同性质片段的高分子嵌段共聚物的设计和合成研究(<高分子化学>第19章)、树状或超支化高分子的合成(<高分子化学)>第19章)、集无机片段和有机片段于同一高分子的杂化高分子的合成(<高分子化学>第20章)、C02和环氧共聚而成的脂肪族聚碳酸酯的合成(<功能高分子与新技术>第10章)、CO和烯烃共聚合成聚酮的研究(本丛书未编入)等工作。
    近几年,在高分子化学研究领域也出现了一些新类型的研究工作,例如.用生物酶(或修饰、改性后的生物酶)催化合成高分子化合物(<高分子化学>第14章)、利用某些细菌发酵生长来制造聚酯化合物(<高分子化学>第15章)、利用动植物转基因法来生长某些高分子化合物(国外的工作)、为探索新医用材料而开展的合成高分子接枝生物分子(多糖等)的研究、采用五配位硅酸酯法探索由砂子(siO2)廉价制备有机硅单体的新途径(本丛书未编入)、借助分子间的弱相互作用及特殊识别作用组装合成新“聚合物”体系(或称超分子
体系)(<高分子化学>第21章)等。对于这些高分子化学领域的新生长点,应予以重视。
    展望未来高分子化学的发展我们建议:注意有机化学、生命科学的发展,用它们的新反应、新方法、新思路来启发我们,发展、创造高分子合成的新反应、新方法;注意探索以生物分子为起点的新高分子合成或合成高分子的改性工作;注意探索特殊凝聚态结构形成的新方法(例如插层聚合法合成纳米相分散聚合物材料;采用互不相容的链段共聚,合成嵌段共聚物型的纳米相分离聚合物)。另外,如果说过去高分子研究的化合物全是共价键相连接的一类聚合物的话,那么现在已出现基于分子(在这里可视为“单体”)间弱相互作用或特殊识别作用而形成的一类新型"聚合物"--非键合“高聚物”(或超分子),对这类新型聚合物的合成、结构、性能以及成型、材料组装等方面的认识几乎仍是空白,这个崭新领域的工作更是需要予以重视的。
1.4  中国高分子物理的研究
    高分子物理的学科发展线索是,研究高分子的多层次运动(链段运动、分子链运动)、多层次相互作用、多层次结构(高分子链节结构、序列结构、各种凝聚态结构),各种结构因素对聚合物材料性能及功能的影响,以及进行上述工作的手段(新仪器)研究和新方法研究。
    在过去的研究中,我国的高分子物理较多的工作集中在高分子的凝聚态研究及稀溶液中的高分子链运动研究方面,此外,在熔体、浓溶液条件下高分子链、链段的运动,高分子结构对聚合物材料力学性能的影响,分子量的测定等方面也有一些工作。在高分子物理研究中,高分子聚合物各种凝聚状态之间的演变规律尚有待进一步深入研究,各种结构因素对不同使用目的的聚合物材料性能、功能的影响规律研究开展得尚少,另有一些高分子物理研究尚处在高分子表征阶段,应当尽快深入自己的研究工作[9,10,12]。
    我国在高分子物理领域目前主要有下述一些研究工作。
    ·在聚合物体系研究方面,有高分子溶液研究((<高分子物理>第2章)聚电介质、及水凝胶研究(《高分子物理》第3章)、高分子共混体系及其相行为研究(《高分子物理》第9章。
    ·在聚合物凝聚态研究方面,有高分子单链的凝聚态研究(本丛书未编入)、高聚物非晶态研究(《高分子物理》第6章)、高聚物晶态结构及结晶过程研究(《高分子物理》第7章)、高聚物液晶态研究<高分子物理>第4章)、高聚物凝聚态的亚稳态与相变研究(<高分子物理>第8章)。
·在高分子链运动研究方面,有高分子链构象统计及其黏弹性的图形理论研究(《高分子
物理》第5章)、高分子热力学研究(《聚合物成型原理及成型技术》第5章)、分子间弱相
互作用研究(本丛书未编入).
    ·在聚合物结构与性能研究方面,有聚合物微观力学的研究(《高分子物理》第10章)。
    ·在高分子物理研究手段及研究方法方面,有固体核磁共振技术研究(《高分子物理》第13章)、光散射技术研究,(《商分子物理》第15章)、电子显微镜技术研究(《高分子物理》第14章)、高分子热裂解技术研究(《高分子物理》、第16章)、高分子结构与运动的分子模拟方法(<高分子物理>第11章)、M6nte carlo模拟方法(本丛书未编入)及数理统计方法(《高分子物理》第12章)等。
    近年来,在我国高分子物理研究领域也出现了一些新的生长点。例如,高分子流体在振动剪切力作用下分子链的运动及非线性黏弹性行为研究(《聚合物成型原理及成型技术》第7章)、在外场(温度、剪切力、超声波等)作用下聚合物体系特殊凝聚态、特殊相态的控制形成研究(《高分子物理》第8章、《聚合物成型原理及成型技术》第13章)。这些新生长点的特点是,把高分子物理研究从“静态”引向了‘动态”,即在以往"理想条件下”高分子物理问题研究的基础上,向更接近实际情况(例如成型加工过程中的情况)下的高分子物理问题研究靠近,这是值得我们思考的方向。
    展望未来高分子物理的发展,有人建议,高分子物理学家应注意吸收物理和数学领域的新概念、新理论、新成就为己所用,发展今后的高分子物理研究;采纳凝聚态物理学界关于高分子聚合物属于软物质的新概念,研究聚合物在外场下(加工成型过程)形态、结构的形成及变化规律和控制条件,探索聚合物的软物质特性,了解高分子对外界信号(光、电、磁、酸碱值及压力等)的刺激作出结构、性能和功能响应的规律;注意对非化学键合的“聚合物”(超分子体系)、复杂拓扑链(如超支化高分子)及超薄膜体系等的研究;注意结合高分子材料、功能高分子研究,开展聚合物结构与材料性能和功能关系的研究,增强根据高分子化合物的基本性质开展新材料设计及性能和功能预测等方面的知识积累。
1.5  中国高分子工程的研究    ‘
    高分子工程研究包含两个部分,即高分子成型加工,和聚合反应工程。高分子工程的主要研究线索是,研究在外场(剪切力、振动力、温度、压力等)作用下,高分子的链运动、相态及结构的变化规律和控制条件,从而发展聚合物成型的新方法和新技术(聚合物成型加工领域),以及研究高分子化合物工业规模合成中的尺度效应及工艺特点,从而发展工业合成的新技术、新设备、新流程(聚合反应工程领域)。
    我国过去的高分子成型研究较多地集中在某些具体产品的制造研究及工艺条件研究方面,学科基础方面的研究工作相对很弱。具体研究工作中宏观问题考虑多,而对聚合物结构、分子运动等微观问题考虑得较少。在研究方法上往往对高分子成型过程采用模糊处理,缺乏对不同体系受外场影响产生具体变化的微观分析。针对上述问题我们建议,今后的研究工作应注意将“宏观”的考虑方式和“微观”的具体过程分析结合起来,以推动高分子成型研究的深入和创新。在学科发展上要注意和高分子物理研究相结合,比如利用高分子聚合物的软物质特征(即高分子易于对外界的弱刺激产生明显响应的特点),研究成型过程中高分子的熔体流动和结构变化的特点,探讨高分子成型的新理论,发展不同聚合物体系成型的新技术[9,10,12].
    我国高分子工程研究主要有以下方面的工作:高黏物系聚合反应的动力学研究和聚合工艺及设备研究(《高分子化学》第22章)、聚合物成型过程流变学研究(《聚合物成型原理及成型技术》第2章、第3章、第6章)、聚合物成型过程的热力学研究(《聚合物成型原理及成型技术》第5章)、聚合物成型过程的力.化学反应研究(《聚合物成型原理及成型技术》第4章)、聚合物气辅注塑技术(《聚合物成型原理及成型技术》第8章)、聚合物吹塑成型技术(《聚合物成型原理及成型技术》第9章)、聚合物反应挤出技术(《聚合物成型原理及成型技术》第10章)、聚合物纤维成型新技术(《聚合物成型原理及成型技术》第11章)、绿色黏胶纤维成型新技术研究(Lyocell纤维,本丛书未编入)、纳米纤维和超细纤维成型技术研究(本丛书未编入)、橡胶成型加工理论及技术研究(《聚合物成型原理及成型技术》第12章、《功能高分子与新技术》第9章)、聚合物成型过程可视化技术(本丛书未编入),以及聚合物复杂流体研究的数学方法(《聚合物成型原理及成型技术》第14章)、聚合物成型加工的计算机模拟研究(《聚合物成型原理及成型技术》第15章)等工作。
    近年来在我国高分子成型研究领域出现了一些新的生长点,比如聚合物振动剪切成型原理及设备研究(《聚合物成型原理及成型技术》第7章)、聚合物成型过程中的形态控制研究(《聚合物成型原理及成型技术》第13章)、聚合物复合体系的微波增容技术研究(<高分子化学>第5章)等。这些工作不仅是提高高分子材料性能的新成型技术,更主要的是在学科上把高分子成型研究引向了深层次,为高分子成型研究的创新提供了新思路。
    展望未来高分子成型研究的发展我们感到,首先应加强与高分子物理的联系,以高分子物理知识为基础,加强聚合物成型理论研究,促进高分子成型学科尽快成熟;加强研究高分子成型过程中其结构及相态受外场因素影响的演变规律,发展控制特定结构和相态形成的新技术,创造高分子成型新工艺;注意开展专家系统和计算材料科学的研究,对特定的高分子体系的成型工艺条件进行预测,并对成型过程进行现场、实时和动态调控。
1.6  中国功能高分子与新材料的研究
    功能高分子领域和高分子材料领域都是高分子的三个分支学科面向社会对新材料的需求而形成的研究领域,两者区别在于功能高分子领域研究用途特殊且用量不大的精细高分子材料,而高分子材料领域则更着眼于适用性广的通用高分子材料的研究。功能高分子与新材料领域的研究线索是,运用高分子的学科知识与其他学科及领域进行学科交叉,研究和探索能满足其他学科和领域所需的新材料和新技术问题。
    在过去的工作中,我国功能高分子研究较多地注意了新功能高分子化合物的合成及应用。深入开展高分子结构与功能关系研究及功能的原理研究不够;根据功能高分子领域学科交叉的特点,主动学习其他有关学科领域的知识,扩充从事功能高分子研究的知识积累以及活跃开拓新功能高分子新领域的研究思路也尚嫌不够。
    在高分子新材料研究领域,过去的工作同样是较多地注意新化合物的合成及应用,未能充分注意从新材料的应用研究中提炼学术问题,从而增加学术积累或开拓学术研究的新领域;也未能注意将应用研究和学科基础研究结合起来,研究新材料探索、应用中涉及到的诸如聚合物结构、分子链运动等一些深层次的基础性问题,从而提高高分子新材料的研制水平[9,10,12]。
    我国的功能高分子研究主要开展的工作有:医用功能材料(医疗材料、药物缓释材料)研究(《功能高分子与新技术》第6章)、电子聚合物(导电、发光、非线性光学材料)研究(《功能高分子与新技术》第4章)、磁性高分子研究(《功能高分子与新技术》第5章)、高分子液晶研究(《功能高分子与新技术》第16章)、电磁流变液体系研究(<功能高分子与新技术>第19章)、智能高分子凝胶研究(《功能高分子与新技术》第7章)、功能分离膜研究(《功能高分子与新技术》第3章)、吸附与分离功能树脂研究(《功能高分子与新技术》第2章)、高分子催化剂研究(《功能高分子与新技术》第8章)、相变储能材料研究(《功能高分子与新技术》第11章)等。
    在高分子新材料研究领域我国开展的主要工作有:高性能工程塑料(含高性能树脂、聚烯烃工程塑料),复合材料,可环境降解材料(聚乳酸及其共聚物、聚羟基丁酸酯、全淀粉塑料、纤维素材料以及聚烯烃降解途径研究),纳米材料,有机-无机分子杂化材料,天然高分子改性材料(绿色黏胶纤维),农用高分子材料(喷灌用材料、土壤保水材料),以及橡胶、纤维、黏合剂、涂料、建筑用高分子材料(地基加固材料、水泥减水剂材料)等。在本丛书中,编者选择了下述几种有新技术背景的新材料研究予以介绍,如杜仲胶-塑新材料(<功能高分子与新技术>第9章)、二氧化碳树脂材料(<功能高分子与新技术>第10章)、天然漆漆酚钛耐腐蚀涂料(<功能高分子与新技术>第12章)、可生物降解材料(<功能高分子与新技术>第13章)、杂化材料(<高分子化学>第20章)、插层聚合合成纳米材科(<功能高分子与新技术>第14章)、土建用高分子材料(<功能高分子与新技术>第20章)以及有机硅高分子研究(<功能高分子与新技术>第15章)、杂环高分子研究(<功能高分子与新技术>第17章)和聚酰亚胺的研究(<功能高分子与新技术>第18章)等。
    近几年,我国在功能高分子及新材料研究领域做出了下述几项有国际影响的创新性工作。比如二茂铁类磁性高分子的合成及电子器件和新天线材料的研制(<功能高分子与新技术>第5章),杜仲橡胶资源的利用及杜仲胶材料谱研究(<功能高分子与新技术>第9章)。甲醇羰基化制醋酸、醋酐高分子催化剂研究(<功能高分子与新技术>第8章),天然大漆漆酚钛耐腐蚀涂料研究(<功能高分子与新技术>第12章),一系列新型高分子分离与吸附功能树脂研究(<功能高分子与新技术>第2章),以及有望形成成果的高分子磁电阻材料研究和聚烯烃降解技术研究等。分析上述创新性成果的形成过程,我们可以得到如下启示,即在功能高分子及新材料研究领域,只要我们大胆进行学科交叉.密切联系生产实践并努力从中提炼学术问题,是可以做出国际上有影响的创新性成果的。在这些新的综合性研究课题面前,从某种意义上讲,我们和国际同行是站在同一起跑线上的,我们自己的高分子基础学科研究落后的劣势并没有明显地显现出来。
    社会的发展要求今后高分子功能材料具有纳米化和智能化的特点。
    高分子功能材料的纳米化,是要求在分子层次上调控和实现高分子的功能,即。采用化学及物理等方法,利用温度场、溶剂场、电场、磁场、力场和微重力场等外场的作用,在一确定的空间或环境中像搬运积木块一样移动分子,采用自构筑(self-organization)、自合成(self-synthesis)或自组装(self-assembly)等方法,靠分子间的弱相互作用,构建具有特殊形态结构的分子聚集体。或进一步在分子聚集体中引发聚合成键,得到具有高度准确的多级结构的高分子。通过这种精确操作的高分子合成,可以准确实现高分子的分子设计。一般而言.单个小分子的功能性质有很明确的方向性,在对这种小分子单体聚合时,如果使其先在外场作用下精确取向排列,它们的功能性质则可展现在同一方向上,然后再完成聚合反应,这样得到的高分子将具有明显的功能各向异性。比如在某一方向上会有优异的(电、光、磁或热)信号传输能力,而在另外的方向上则可能完全隔绝信号传输,这样的高分子纳米功能材科可能运用于集成光学器件、集成光电器件以及微型光电机械中,对纳米尺度上的电、光、磁或热等信号的定向传输会有十分特殊的作用。
    高分子功能材料的智能化,是指其功能可随外界条件的变化而有自动地调节、修饰和修复。高分子属于软物质,软物质的特点是对弱的外界影响(比如物质组成或结构的微小变化,施加于物质的瞬间的或微弱的刺激等),能作出相对显著的响应和变化。因此研究高分子的软物质特征,利用外场的变化来调节高分子功能的变化,发掘高分子的自适应性,寻找实现高分子功能材料智能化的途径,将是我们今后的另一努力目标。例如高分子凝聚态的有序结构极易受到外场的影响,如果采用温度场或剪切场使导电分子有序排列,则可成为各向异性的导电材料;如果此种各向异性的导电材料在外场(如电场)的作用下,能发生结构各向异性的反转,则会产生功能各向异性的反转,从而形成能在不同条件和不同方向上调节材料功能的智能性功能材科。
    在功能高分子的研究领域.我们还建议开展高分子生物学研究。仿效生物高分子结构有序与生物功能的关系开展合成高分子的研究,研究生物(酶)催化剂,合成高分子与生物分子的接枝改性材料和组织工程材料等。
    展望未来功能高分子和高分子新材料研究,我们应当提倡学科交叉和联系生产实践,大胆在学科交叉中开拓功能高分子研究的新领域,从社会需求和生产实践中提炼学术问题,创造新应用领域的高分子材料;在功能高分子和高分子材料的研究领域,应注意在开拓、探索之后进行“耕耘”,深入研究材料的功能及性能的原理及其与高分子的结构等因素的内在联系,从而提高功能高分子和高分子新材料的研究水平,进而探索和开拓高分子基础研究的新领域;在高分子新材料研究中要注意根据不同高分子的性质和使用要求,同时兼顾性能-价格比,进行新材料的分子设计和材料设计。
1.7高分子科学发展趋势与展望[9~12]
    高分子科学经过几十年的发展,虽然学科内涵已初具规模,并在人类社会的发展中产生了举足轻重的作用,然而高分子科学的研究内容、研究领域仍在随着人类社会的发展而迅速扩展。在这种扩展中,越来越多的学术问题等待着高分子科学家去发现、去研究、去掌握,从而为高分子科学的今后发展提供了无限的空间。在科学的整体发展中,高分子科学处于多种学科的交汇点上,涉及了物理学、数学、生命科学、电子学、各种工程学以及化学学科内部的其他分支学科,这更为高分子科学的发展提供了良好的学科环境。高分子科学与国民经济的发展密切相关,这更为高分子科学的发展提供了社会需求。因此,今后高分子科学的发展必将利用上述有利因素,从学科交叉中求开拓,从联系国民经济的实践中求发展。
    自然界已为我们制造了完美的高分子科学的样板——生命物质。凭着氨基酸、多糖、脂质体、核糖核酸等“生物大分子”的有序排列和有序组合,构成了各种奇特的“生命功能”和“生命材料”,其中的奥妙是值得高分子科学家研究和仿效的。因此向生命科学学习,研究生命现象中的各种高分子问题,将成为高分子科学发展的一个源泉。
    现在的合成高分子化合物是以石油资源为基础的,但世界石油资源总有枯竭的时候,高分子科学家不得不从现在开始注意为未来高分子化合物寻找新的资源,在这方面我们面临有两类资源是可以考虑的。其一是植物资源。植物的光合作用每时每刻都在合成着大量有机物质,其中有的本身就是可利用的高分子物质,如顺式聚异戊二烯、反式聚异戊二烯、纤维素、淀粉、木质素等,有的可能是潜在的合成高分子的单体资源。寻找将这些潜在资源变为合成高分子廉价原料的途径,充分利用植物直接合成的高分子化合物,将是今后高分子科学家的任务之一。探讨采用基因工程的方法,促使植物产生出更多的可直接使用的天然高分子,或可供化学合成用的高分子单体;采用生物催化剂或菌种,将天然的植物原料(如淀粉、木质素、榨糖废料等)制备成与合成高分子相似的结构或性质更优异的高分子,也将是今后高分子科学家跨学科研究的目标。这些由植物资源获得的高分子,不仅将扩大合成高分子的原料来源,而且得到的合成高分子还可能具有环境友好的特征,可以是生物降解的,可以是循环再生的。
    其二是由有机化合物以外的来源得到所谓的无机高分子。目前的高分子主链上的原子以碳为主兼有少量氮、氧等原子,因而称为有机高分子。无机高分子则泛指主链原子是除碳以外的其他原子。无机高分子可以有其他的原料来源。按元素性质判断,约有四五十种元素可以形成长链分子,目前报道的有全硅主链、磷和氮主链、硅氧及硅碳主链、全镓和全锡主链、硫磷氮和硫碳主链、含硼主链以及含过渡金属主链的无机高分子。其中主链全部是硅原子且具有有机侧链的聚硅烷应是最值得注意的一种无机高分子。地球上存在着大量的SiO2,虽然目前人类已掌握将SiO2转变成有机硅单体的方法,但能耗巨大。如能寻找更方便、更廉价的将SiO2转化成有机硅单体的方法.无疑将给高分子化合物开辟另一重要资源。
    研究高分子合成材料的环境同化,实现高分子材料的循环使用和再生利用,减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染,是今后高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成,在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成,以及用合成高分子处理污水和毒物,研究、实现合成高分子与生态的相互谐调,是高分子科学今后发展中面临的杜会问题。
    未来高分子科学的内容将更丰富,涉及的学科知识将更宽。高分子科学的教育将更重要。为了开拓今后高分子科学的新领域,我们希望年青一代的高分子学者,在培养和学习阶段,要注意拓宽知识面.不仅要掌握高分子科学三个分支学科的知识,还要注意选择掌握物理学、生命科学、电子学、工程学等方面一门或几门基础知识,并注意掌握计算机技术,才能在今后高分子科学的研究中开拓前进。
    根据我国科研工作的具体情况.在今后高分子科学的发展中,我们推荐“创新、交叉、介入、实践”八字工作思路。创新,是对自己工作的要求,只有增强创新意识,才能提高学术水平,发展科学;交叉、介入、实践是实现工作创新的方法,是指吸取其他学科的知识为“我”所用,利用学科交叉产生新思路;运用高分子的知识。大胆介入其他领域,解决其他领域所面临的高分子新材料问题。从中开拓高分子研究新领域;重视实践中的问题,在解决应用性问题的过程中,注意提炼、升华学术同题,从中寻找发展高分子科学的新思路、新途径。
    在今后高分子科学的发展中,我们同样提倡产-学-研(产业、育人、研究)相结合的发展模式,也提倡基础研究一应用研究一产业化的学术界-产业界的联合方式,从而使我国高分子科学在国家发展中发挥更大的作用。
    展望21世纪,高分子科学工作者对高分子的认识必将更加深人,对高分子的掌握必将更加运用自如,高分子科学必将为人类社会做出更加丰富多彩的贡献。
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