高分子化學

高分子化學是研究高分子化合物的合成、化學反應、物理化學、物理、加工成型、應用等方面的一門新興的綜合性學科。

　　合成高分子的歷史不過八十年，所以高分子化學真正成為一門科學還不足六十年，但它的發展非常迅速。目前它的內容已超出化學范圍，因此，現在常用高分子科學這一名詞來更合邏輯地稱呼這門學科。狹義的高分子化學，則是指高分子合成和高分子化學反應。

　　人類實際上從一開始即與高分子有密切關系，自然界的動植物包括人體本身，就是以高分子為主要成分而構成的，這些高分子早已被用作原料來制造生產工具和生活資料。人類的主要食物如淀粉、蛋白質等，也都是高分子。只是到了工業上大量合成高分子并得到重要應用以后，這些人工合成的化合物，才取得高分子化合物這個名稱。

　　后來，經過研究知道，人工合成的高分子和那些天然存在的高分子，在結構、性能等方面都具有共同性，因此，就都叫做高分子化合物。工業上或實驗室中合成出來的稱為合成高分子，一般所說的高分子，大都指合成高分子，天然存在的高分子簡稱天然高分子。

　　顧名思義，高分子的分子內含有非常多的原子，以化學鍵相連接，因而分子量都很大。但這還不是充足的條件，高分子的分子結構，還必須是以接合式樣相同的原子集團作為基本鏈節(或稱為重復單元)。許多基本鏈節重復地以化學鍵連接成為線型結構的巨大分子，稱為線型高分子。有時線型結構還可通過分枝、交聯、鑲嵌、環化，形成多種類型的高分子。其中以若干線型高分子，用若干鏈段連接在一起，成為巨大的交聯分子的稱為體型高分子。

　　從高分子的合成方法可以知道，合成高分子的化學反應，可以隨機地開始和停止。因此，合成高分子是長短、大小不同的高分子的混合物。與分子形狀、大小完全一樣的一般小分子化合物不同，高分子的分子量只是平均值，稱為平均分子量。

　　決定高分子性能的，不僅是平均分子量，還有分子量分布，即各種分子量的分子的分布情況。從其分布中可以看出，在這些長長短短的高分子的混合物中，是較長的多還是較短的多，或者中等長短的多。

　　高分子具有重復鏈節結構這一概念，是施陶丁格在20世紀20年代初提出的，但沒有得到當時化學界一些人的贊同。直到30年代初，通過了多次實踐，這一概念才被廣泛承認。正確概念一經成立，就使高分子有飛躍的發展。當時鏈式反應理論已經成熟，有機自由基化學也取得很大的成就。三者的結合，使高分子合成有了比較方便可行的方法。

　　實踐證明，許多烯類化合物，經過有機自由基的引發，就能進行鏈式反應，迅速地形成高分子。由20世紀30年代初期到40年代初期，許多現在的通用高分子品種，都已按此方法投入工業生產。在30年代末期卡羅瑟斯又發現用縮聚方法合成高分子。后來，為了合理的加工和有效的應用，高分子結構和性能的研究工作逐漸開展，使高分子成為廣泛應用的材料。同時，一門新興的綜合性學科——高分子科學——從40年代下半期開始，蓬勃地發展起來。

　　高分子科學可以分為高分子化學(狹義的)、高分子物理和高分子工藝學三部分。高分子化學又分為高分子合成、高分子化學反應和高分子物理化學。高分子物理研究高聚物的聚集態結構和本體性能。高分子工藝學又分為高聚物加工成型和高聚物應用。

　　高分子雖然分子量很高，但是它們所具有的官能團，仍然與一般小分子有機化合物有一樣的反應性能。但其反應性能受兩種特有因素的影響：高分子是長鏈結構，這個長鏈是曲曲折折的蜷曲形。有規則的蜷曲(折疊)形成晶態，無規則的蜷曲形成非晶態；高分子的分子與分子堆砌在一起。有規則的堆砌形成規整的晶態排列；無規則的堆砌形成非晶態。規整結構中分子排列緊密，試劑不易侵入，官能團不易起反應；不規整結構中分子排列疏松，試劑容易侵入，官能團容易起反應。

　　天然高分子的化學轉化，早在19世紀就為人們所研究和利用。1845年舍恩拜因就發現纖維素可以硝化，成為硝酸纖維素。1865年許岑貝格爾把纖維素乙酰化成為醋酸纖維素。粘膠人造絲的生產也是通過纖維素的化學變化來實現的。

　　高分子的化學反應，有些是破壞性的，例如高分子光降解、高分子熱降解、高分子氧化等。它們使高分子材料老化，性能變壞，以致最后不能使用。但不少反應是有用的，甚至是重要的高分子合成方法，例如橡膠硫化成為具有彈性的橡皮；纖維素黃化，制成粘膠纖維；聚乙酸乙烯酯先水解成聚乙烯醇，再與甲醛縮合，紡成的纖維即維輪；高分子先轉化成自由基，再與另一單體形成接枝共聚物；兩種高分子鏈段用化學方法連接起來，成為嵌段共聚物。此外，還可以把某些元素或基團先接到高分子上去，再進行化學反應，反應后還可解脫，以完成某些分離、分解和合成工作，例如高子交換樹脂、固定化酶、多肽、某些激素甚至蛋白質的合成等等。

　　高分子鏈結構包括鏈節的化學結構，鏈節與鏈節連接的化學異構和立體化學異構、共聚物的鏈節序列、分子量及分子量分布，以及分子鏈的分支和交聯結構。

　　在適當情況下，這些結構相同的鏈節，正如許多相同的小分子可以整齊地排列起來成為晶體一樣，也可以局部折疊起來成為片狀結晶態，稱為片晶。片晶又可以堆砌成球狀，稱為球晶。在高分子的分子與分子之間，相同的鏈節也可排列成為片晶，片晶再堆砌成為球晶或其他晶態；那些未折疊起來的一部分分子是非晶態的。非晶態部分也有一定的結構。小分子化合物，要么是結晶的，要么是非晶態的；而高分子化合物，則可以一部分是晶態結構，另一部分是非晶態結構。

　　高分子鏈結構是一級結構；孤立高分子鏈，即稀溶液中高分子的形態，如無規線團、螺旋、雙螺旋、剛性棒或橢球等是二級結構；三級結構指高聚物分子聚集態結構，即分子鏈與分子鏈之間的堆砌。聚集態結構隨著加工成型方法的不同而有所不同。具有聚集態結構的高分子，稱為高聚物。

　　多數線型高分子，可以在相應的溶劑中溶解，形成溶液。高分子溶液是真溶液，而不是以前所認為的膠體溶液。高分子是長鏈結構，在流動時能相互阻滯，因此高分子溶液是粘稠的。一般情況下，分子鏈愈長，粘度愈大。當光束通過高分子溶液時，由于高分子比較大，可以發生光的散射，分子愈大，散射愈強。

　　高分子遠比溶劑分子重，在超高速離心下，高分子的移動比溶劑分子快，擴散比溶劑分子慢。分子量愈大，這些區別愈明顯。利用這些高分子溶液性能，可以測定高分子的分子量。研究高分子溶液，除了能測定分子量及其分布以外，還可從溶液的各種性質推測高分子的形態結構等。

　　高分子與小分子不同，具有強度、模量，以及粘彈、疲勞、松弛等力學性能，還具有透光、保溫、隔音、電阻等光學、熱學、聲學、電學等物理性能，由于具有這些性能，高聚物可作為多種材料應用。高聚物的結構與加工成型的方法有關。因此，要取得高聚物的優良性能，必須采用適當的加工成型方式，使它形成適當的結構。例如，成纖的高聚物，在紡絲以后必須在特定溫度下進行牽伸取向，才能達到較高強度。

　　高聚物作為材料使用，主要可分塑料、纖維和橡膠等，都需要加工成一定的形狀方可使用。此外，用做分離、分析材料的離子交換樹脂，在聚合過程中就可制成可使用的球形顆粒；用做油漆涂料的高聚物，只須溶在適當溶劑中，就可使用，無須加工成型。

　　高分子生產的迅速發展，說明了社會對它的需要量的迅速增加。高分子材料首先用作絕緣材料，用量至今還很大，特別是新型高絕緣材料。例如滌綸薄膜遠比云母片優越；硅漆等用作電線絕紡漆，與紗包絕緣線不可相提并論。由于種種新型、優異的高分子介電材料的出現，電子工業以及計算機、遙感等新技術才能建立和發展起來。

　　高分子作為結構材料，在代替木材、金屬、陶瓷、玻璃等方面的應用日新月異。在農業，工業和日常用途上，它的優點很多，如質輕、不腐、不蝕、色彩絢麗等，用于機械零件、車船材料、工業管道容器、農用薄膜、包裝用瓶、盒、紙，建筑用板材、管材、棒材等等，不但價廉物美，而且拼裝方便。還可用于醫療器械，家用器具，文化、體育、娛樂用品，兒童玩具等，大大豐富和美化了人們的生活。

　　合成纖維的優越性，如輕柔、不縐、強韌、挺括、不霉等，也為天然纖維棉、毛、絲、麻等所不及。尤其重要的是它們不與糧食爭地，一個工廠生產的合成纖維，可以相當上百萬畝農田所能生產的天然纖維。天然橡膠的生產，受地區的限制，產量也不能適應日益增長的要求。但合成橡膠不受這種限制，而且其各個品種各有比天然橡膠優良之處。

　　一般認為高分子材料強度不高、耐熱不好，這是從常見的塑料得到的印象。現在最強韌的材料，不是鋼，不是釷，不是鈹，而是一種用碳纖維和環氧樹脂復合而成的增強塑料。耐熱高分子，已經可以長期在300攝氏度下使用。

　　特別應當提起的是，在航天技術中，火箭或人造衛星殼體從外部空間回到大氣層時，速度高，表面溫度可達5000～10000攝氏度，沒有一種天然材料或金屬材料能經受這種高溫，但增強塑料可以勝任，因為它遇熱燃燒分解，放出大量揮發氣體，吸收大量熱能，使溫度不致過高。同時，塑料不傳熱，仍可保持殼體內部的人員和儀器正常工作和生活所需要的溫度。好的燒蝕材料，外層只損壞了3～4厘米，即可保全內部，完成回地任務。

　　不過高分子材料也有不少弱點，必須開展研究加以克服。比如易燃燒，大量使用高分子材料時，防火是一個大問題，必須使高分子不易燃燒，才能安全使用；易老化，不經久。用作建筑材料，要求至少有幾十年的壽命；用于其他方面，也須有耐久性。

　　大量使用高分子材料時，作為廢物扔掉的高分子垃圾，不被水溶解和風化，不受細菌腐蝕，如不處理就會越積越多，成為嚴重公害。必須設法使高分子材料在使用后能適時分解消失。