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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Chemistry
标  题: 高分子化学
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jan 15 10:25:38 2004), 站内信件

高分子化学是研究高分子化合物的合成、化学反应、物理化学、物理、加工成型、应用

等方面的一门新兴的综合性学科。
    合成高分子的历史不过八十年，所以高分子化学真正成为一门科学还不足六十年，

但它的发展非常迅速。目前它的内容已超出化学范围，因此，现在常用高分子科学这一

名词来更合逻辑地称呼这门学科。狭义的高分子化学，则是指高分子合成和高分子化学

反应。
    人类实际上从一开始即与高分子有密切关系，自然界的动植物包括人体本身，就是

以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料

。人类的主要食物如淀粉、蛋白质等，也都是高分子。只是到了工业上大量合成高分子

并得到重要应用以后，这些人工合成的化合物，才取得高分子化合物这个名称。
    后来，经过研究知道，人工合成的高分子和那些天然存在的高分子，在结构、性能

等方面都具有共同性，因此，就都叫做高分子化合物。工业上或实验室中合成出来的称

为合成高分子，一般所说的高分子，大都指合成高分子，天然存在的高分子简称天然高

分子。
    顾名思义，高分子的分子内含有非常多的原子，以化学键相连接，因而分子量都很

大。但这还不是充足的条件，高分子的分子结构，还必须是以接合式样相同的原子集团

作为基本链节(或称为重复单元)。许多基本链节重复地以化学键连接成为线型结构的巨

大分子，称为线型高分子。有时线型结构还可通过分枝、交联、镶嵌、环化，形成多种

类型的高分子。其中以若干线型高分子，用若干链段连接在一起，成为巨大的交联分子

类型的高分子。其中以若干线型高分子，用若干链段连接在一起，成为巨大的交联分子

的称为体型高分子。
    从高分子的合成方法可以知道，合成高分子的化学反应，可以随机地开始和停止。

因此，合成高分子是长短、大小不同的高分子的混合物。与分子形状、大小完全一样的

一般小分子化合物不同，高分子的分子量只是平均值，称为平均分子量。
    决定高分子性能的，不仅是平均分子量，还有分子量分布，即各种分子量的分子的

分布情况。从其分布中可以看出，在这些长长短短的高分子的混合物中，是较长的多还

是较短的多，或者中等长短的多。
    高分子具有重复链节结构这一概念，是施陶丁格在20世纪20年代初提出的，但没有

得到当时化学界一些人的赞同。直到30年代初，通过了多次实践，这一概念才被广泛承

认。正确概念一经成立，就使高分子有飞跃的发展。当时链式反应理论已经成熟，有机

自由基化学也取得很大的成就。三者的结合，使高分子合成有了比较方便可行的方法。


    实践证明，许多烯类化合物，经过有机自由基的引发，就能进行链式反应，迅速地

形成高分子。由20世纪30年代初期到40年代初期，许多现在的通用高分子品种，都已按

此方法投入工业生产。在30年代末期卡罗瑟斯又发现用缩聚方法合成高分子。后来，为

了合理的加工和有效的应用，高分子结构和性能的研究工作逐渐开展，使高分子成为广

泛应用的材料。同时，一门新兴的综合性学科——高分子科学——从40年代下半期开始

，蓬勃地发展起来。
    高分子科学可以分为高分子化学(狭义的)、高分子物理和高分子工艺学三部分。高

分子化学又分为高分子合成、高分子化学反应和高分子物理化学。高分子物理研究高聚

物的聚集态结构和本体性能。高分子工艺学又分为高聚物加工成型和高聚物应用。
    高分子虽然分子量很高，但是它们所具有的官能团，仍然与一般小分子有机化合物

    高分子虽然分子量很高，但是它们所具有的官能团，仍然与一般小分子有机化合物

有一样的反应性能。但其反应性能受两种特有因素的影响：高分子是长链结构，这个长

链是曲曲折折的蜷曲形。有规则的蜷曲(折叠)形成晶态，无规则的蜷曲形成非晶态；高

分子的分子与分子堆砌在一起。有规则的堆砌形成规整的晶态排列；无规则的堆砌形成

非晶态。规整结构中分子排列紧密，试剂不易侵入，官能团不易起反应；不规整结构中

分子排列疏松，试剂容易侵入，官能团容易起反应。
    天然高分子的化学转化，早在19世纪就为人们所研究和利用。1845年舍恩拜因就发

现纤维素可以硝化，成为硝酸纤维素。1865年许岑贝格尔把纤维素乙酰化成为醋酸纤维

素。粘胶人造丝的生产也是通过纤维素的化学变化来实现的。
    高分子的化学反应，有些是破坏性的，例如高分子光降解、高分子热降解、高分子

氧化等。它们使高分子材料老化，性能变坏，以致最后不能使用。但不少反应是有用的

，甚至是重要的高分子合成方法，例如橡胶硫化成为具有弹性的橡皮；纤维素黄化，制

成粘胶纤维；聚乙酸乙烯酯先水解成聚乙烯醇，再与甲醛缩合，纺成的纤维即维轮；高

分子先转化成自由基，再与另一单体形成接枝共聚物；两种高分子链段用化学方法连接

起来，成为嵌段共聚物。此外，还可以把某些元素或基团先接到高分子上去，再进行化

学反应，反应后还可解脱，以完成某些分离、分解和合成工作，例如高子交换树脂、固

定化酶、多肽、某些激素甚至蛋白质的合成等等。
    高分子链结构包括链节的化学结构，链节与链节连接的化学异构和立体化学异构、

共聚物的链节序列、分子量及分子量分布，以及分子链的分支和交联结构。
    在适当情况下，这些结构相同的链节，正如许多相同的小分子可以整齐地排列起来

成为晶体一样，也可以局部折叠起来成为片状结晶态，称为片晶。片晶又可以堆砌成球

状，称为球晶。在高分子的分子与分子之间，相同的链节也可排列成为片晶，片晶再堆

砌成为球晶或其他晶态；那些未折叠起来的一部分分子是非晶态的。非晶态部分也有一

砌成为球晶或其他晶态；那些未折叠起来的一部分分子是非晶态的。非晶态部分也有一

定的结构。小分子化合物，要么是结晶的，要么是非晶态的；而高分子化合物，则可以

一部分是晶态结构，另一部分是非晶态结构。
    高分子链结构是一级结构；孤立高分子链，即稀溶液中高分子的形态，如无规线团

、螺旋、双螺旋、刚性棒或椭球等是二级结构；三级结构指高聚物分子聚集态结构，即

分子链与分子链之间的堆砌。聚集态结构随着加工成型方法的不同而有所不同。具有聚

集态结构的高分子，称为高聚物。
    多数线型高分子，可以在相应的溶剂中溶解，形成溶液。高分子溶液是真溶液，而

不是以前所认为的胶体溶液。高分子是长链结构，在流动时能相互阻滞，因此高分子溶

液是粘稠的。一般情况下，分子链愈长，粘度愈大。当光束通过高分子溶液时，由于高

分子比较大，可以发生光的散射，分子愈大，散射愈强。
    高分子远比溶剂分子重，在超高速离心下，高分子的移动比溶剂分子快，扩散比溶

剂分子慢。分子量愈大，这些区别愈明显。利用这些高分子溶液性能，可以测定高分子

的分子量。研究高分子溶液，除了能测定分子量及其分布以外，还可从溶液的各种性质

推测高分子的形态结构等。
    高分子与小分子不同，具有强度、模量，以及粘弹、疲劳、松弛等力学性能，还具

有透光、保温、隔音、电阻等光学、热学、声学、电学等物理性能，由于具有这些性能

，高聚物可作为多种材料应用。高聚物的结构与加工成型的方法有关。因此，要取得高

聚物的优良性能，必须采用适当的加工成型方式，使它形成适当的结构。例如，成纤的

高聚物，在纺丝以后必须在特定温度下进行牵伸取向，才能达到较高强度。
    高聚物作为材料使用，主要可分塑料、纤维和橡胶等，都需要加工成一定的形状方

可使用。此外，用做分离、分析材料的离子交换树脂，在聚合过程中就可制成可使用的

球形颗粒；用做油漆涂料的高聚物，只须溶在适当溶剂中，就可使用，无须加工成型。

球形颗粒；用做油漆涂料的高聚物，只须溶在适当溶剂中，就可使用，无须加工成型。


    高分子生产的迅速发展，说明了社会对它的需要量的迅速增加。高分子材料首先用

作绝缘材料，用量至今还很大，特别是新型高绝缘材料。例如涤纶薄膜远比云母片优越

；硅漆等用作电线绝纺漆，与纱包绝缘线不可相提并论。由于种种新型、优异的高分子

介电材料的出现，电子工业以及计算机、遥感等新技术才能建立和发展起来。
    高分子作为结构材料，在代替木材、金属、陶瓷、玻璃等方面的应用日新月异。在

农业，工业和日常用途上，它的优点很多，如质轻、不腐、不蚀、色彩绚丽等，用于机

械零件、车船材料、工业管道容器、农用薄膜、包装用瓶、盒、纸，建筑用板材、管材

、棒材等等，不但价廉物美，而且拼装方便。还可用于医疗器械，家用器具，文化、体

育、娱乐用品，儿童玩具等，大大丰富和美化了人们的生活。
    合成纤维的优越性，如轻柔、不绉、强韧、挺括、不霉等，也为天然纤维棉、毛、

丝、麻等所不及。尤其重要的是它们不与粮食争地，一个工厂生产的合成纤维，可以相

当上百万亩农田所能生产的天然纤维。天然橡胶的生产，受地区的限制，产量也不能适

应日益增长的要求。但合成橡胶不受这种限制，而且其各个品种各有比天然橡胶优良之

处。
    一般认为高分子材料强度不高、耐热不好，这是从常见的塑料得到的印象。现在最

强韧的材料，不是钢，不是钍，不是铍，而是一种用碳纤维和环氧树脂复合而成的增强

塑料。耐热高分子，已经可以长期在300摄氏度下使用。
    特别应当提起的是，在航天技术中，火箭或人造卫星壳体从外部空间回到大气层时

，速度高，表面温度可达5000～10000摄氏度，没有一种天然材料或金属材料能经受这种

高温，但增强塑料可以胜任，因为它遇热燃烧分解，放出大量挥发气体，吸收大量热能

，使温度不致过高。同时，塑料不传热，仍可保持壳体内部的人员和仪器正常工作和生

    一般认为高分子材料强度不高、耐热不好，这是从常见的塑料得到的印象。现在最

活所需要的温度。好的烧蚀材料，外层只损坏了3～4厘米，即可保全内部，完成回地任

务。
    不过高分子材料也有不少弱点，必须开展研究加以克服。比如易燃烧，大量使用高

分子材料时，防火是一个大问题，必须使高分子不易燃烧，才能安全使用；易老化，不

经久。用作建筑材料，要求至少有几十年的寿命；用于其他方面，也须有耐久性。
    大量使用高分子材料时，作为废物扔掉的高分子垃圾，不被水溶解和风化，不受细

菌腐蚀，如不处理就会越积越多，成为严重公害。必须设法使高分子材料在使用后能适

时分解消失。

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