今天在我们的日常生活中,已不能设想没有有机聚合物了,由于它们的大分子结构,具有重复的基本单位以及这些大分子的各不相同的排列,有机聚合物就具有一种特性,使它们以塑料、橡胶和纤维的形式,在许多应用领域中成为不可缺少的材料,特别是对一些消费资料及工业产品,例如电工和电子行业等产品。有机聚合物的蛋白质、核酸和多糖形式,成了生命过程的重要物质基础。那么,到八十年代,有机聚合物将有哪些进展呢?
一、原料问题
在有机聚合物研究的初始阶段,首先引人注目的是天然聚合物,特别是纤维素和天然橡胶。在以后十多年的基础研究和生产发展中,才日益倾向于合成聚合物,最先是以煤炭,继后是以石油化学为基础。
在1960年左右,经历了一个石油化学的高涨时期。许多专家认为,进一步的经济增长必定要求提供无限的能源,因此,那时就有一种观点,即认为以天然物质为基础的聚合物材料,例如木材或纤维素纤维,将来几乎会完全为塑料和合成纤维所取代。
到了七十年代初,人们很快地认识到一系列问题:
1. 合成聚合物的原料限于以石油为基础,而不允许有任意的扩展;
2. 合成聚合物的生产,其能量消耗是相当可观的,而进 - 一步经济增长所需的能量将不可能是无限的;
3. 合成聚合物的生产,例如它们的初始产品,会导致严重的环境污染。
这就迫使改变了设想,其结果也会在未来的研究和发展方面反映出来,简单地说,这些新的认识可以归纳为采取下列一些措施:
1. 天然聚合物,如木材和纤维素纤维,在将来仍可作为一种材料,未来发展的目的不是将其取代,而是相反,应将其与合成聚合物合并使用,以期达到最佳之材料性能。
2. 由于合成聚合物生产的高度社会消费,特别是能量消费,因而必须提高这类产品的质量和性能,使之能很好地适用于其他一些场合,以充分利用其他材料所不具备的特性,例如绝缘性能。
3,出于同样的原因,在八十年代要将日用品和结构件等所需的聚合物材料重复循环使用,同时也迫切需要适应环境保护的要求(避免废塑料等)。将聚合物焚烧以利用其热能,这仅是应急的权宜之计,应该尽可能地以高分子形式重复利用,或者由于分子结构和(或)形态结构使其在使用时损害太大而不能重复利用时,通过热解或水解过程将其转变为低分子物质。
二、本体聚合物的发展趋势
本体聚合物的原料,即使在如德意志民主共和国这样较小的国家,每年的产量和加工量也有十万吨,并且如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纤维素和聚丁烯等,又是塑料制品、橡胶和合成纤维等基础原料的主要成分。
由于科学技术和经济方面的原因,在未来的二十年中,一些小品种本体聚合物极有可能将在聚合物原料的数量上占优势。目前尚未显示出有新的原料品种可能在不久将来使本体聚合物达到工业化生产的水平。
根据这一预测,对于八十年代的研究提出下列两项任务和要求:
首先,一些有限原料品种的长期工业化生产和加工,必须为这些本体聚合物的生产加工和使用提出“工程技术”的理由。
对于这类聚合物的合成,不只需要解决纯化学问题,例如对链合成过程采用新改进的引发体制,并且专业人员必须加强掌握这一过程的反应动力学(即化学反应和运动过程的更迭和相互关系)及其最佳反应设计模式。在聚合物加工方面,首先必须在较高和较稳定的产品质量下努力达到较高劳动生产率。为达此目的,必须致力于综合各个工艺步骤或将其节减之。当然也必须深入研究有关聚合物在软化状态和熔融状态下的流体行为知识。
与近一个世纪来达到的对钢铁材料学的认识水平相比较,目前对本体聚合物用作结构材料的科学基本原理的概念尚处于很初始的阶段,为了弥补这一缺陷,必须使聚合物物理学(特别是固体聚合物的结构物理学)与材料试验两者密切地结合起来。用这一方法就可以认识,在宏观信息过程和断裂过程以及相应的分子过程——聚合物链和链段的移动及化学键断裂——之间存在怎样的关系?
其次,对本体聚合物制的最终产品,要求有较高的使用价值,以便满足对聚合物材料较高社会消费的需要。当然,最终产品的使用价值,不单是由所用的聚合物材料所决定,也取决于其工艺和后加工阶段的造型。无疑,可以通过原料基础来影响最终产品的寿命和使用性能。
目前存在三种基本可能性来改进原料的基础,新的研究成果将使之有可能在八十年代获得更重大的发展:
1. 可以用共聚法对本体聚合物进行化学改性,这一方法虽然开拓了广泛的可变性,但另一方面也需要对合成工艺进行彻底的、费用昂贵的改革,所以必须对各个部分、各种情况下的费用和使用情况进行仔细考虑,看来这一方法对聚氨酯是很有希望的,因为这一品种的基本结构和工艺比较容易改变。另一方面,对半成品和最终产品的表面改性,可能性也是无限的。这揭示了一项新的研究工作,例如:聚乙烯辐射交联,或用电晕放电法对纸浆 - 纤维进行改性等。
2. 可以把二种或三种不同的聚合物结合在一种粒状或层式混合物中,即一种聚合物混合物,或称聚合物复合材料。虽然这一可能性已应用于多方面,但整个领域至今尚未深入进行科研工作。这里就提出了八十年代聚合物研究的重要任务。科研上未解决的问题是控制和利用各组分间的界面力,以及与之密切相关的最佳粘合剂的发展等,此外,使用一种聚合物组分的齐聚物来改进粘合性。最后,应阐明混合物形态对材料性能的影响,以便可通过选择合适的组分粒子的大小和分布,使之具有最佳的材料性能。
高级电绝缘层压材料的生产也属这一类疑难问题。微电子技术迫切需要这种材料作为印刷线路板。印刷线路是微电子技术最重要的无源元件,它们取代了占地的、复杂的放缆工具而用作接线元件,并且大大有利于电子仪器的微型化。
随着集成开关电路集合程度的提高,日益要求有较高的接线密度,这可通过改用多层印刷电路和越来越精细的导线组来实现。
这种印刷电路的生产,对聚合物性能和加工工艺提出了极高要求。底板大部分是铜复合的层压板。采用照相平板印刷技术,可在铜复合层板上产生“线路图”。
可以用热稳定薄膜制备软性印刷电路、这特别适合仪器仪表(例如电子照相机)的空间条件。
3. 与制备复合材料密切有关的第三种方法,是通过改变聚合物的物理结构和选择合适的贴敷方式,较好地利用聚合物的特殊性能。因此,要进行一种试验,务必改进合成纤维材料的使用性能,同时也改进其微孔结构和表面结构。另外也要考虑材料经济性方面的进一步发展、特别是有利的贴敷方式,例如生产防腐蚀聚合物覆盖层或增强制品,和使用泡沫材料。
为了提高本体聚合物的使用性能,就不仅要进一步进行材料基础研究,而且在许多情况下必须首先推导出有科学根据的标准,根据此标准就可以判断其使用性能,然后就可以研究:在这些标准与聚合物制备和加工参数之间,及其与分子和超分子结构之间存在何种关系。为分析固体聚合物,必须进行进一步的科学基础研究工作。一般必须定量地掌握形态学参数(例如对聚合物复合材料),或是采用现代光谱分析法进一步进行局部化学分析。
目前,本体聚合物已成为公众兴趣的焦点,已成为塑料、橡胶及合成纤维工业的基础材料,同时也是许多日用消费品的初始原料。
对于所有三方面的使用,都要求提高这一产品的质量和扩大品种范围。由此产生各方面的重要研究和发展课题。如从目前的发展和从文献所报道的有关发展趋势来推断,就可得出,在特种聚合物总领域中,在未来十年中必须致力于广泛的研究,例如发现新的品种和合成路线,以及开拓新的使用领域。
目前,在世界范围内,合成路线研究有如下一些发展趋势:
1. 从目前还未为链结合过程所应用的基本单元出发,不断合成一些新型基础聚合物,这要与探索新的合成路线结合起来。此种研究的目的,首先是为了获取有关聚合物合成过程的知识,以及为这一系列产品开拓潜在的特殊使用领域。因此,一如过去,还是芳族和杂环单元特别引人感兴趣。
2. 从已知的和新型的基本单元建立一定的网络结构。因此,对这类聚合物像经典酚醛树脂(酚醛塑料、电木等)的网络结构,进行了研究。借助现代化的合成方法和典型方法,进一步将其发展成具有最佳性能的、一定的化学物理结构。
3. 由已知的传统基本单元合成具有一定序列的二元和三元共聚物,即基本单元具有尽可能精确的排列,特别是呈嵌段共聚和接枝共聚形式。
虽然这些合成原理是已知的,并已被采用,但它们缺少合适的、表示特征的可能性。特别是最近几年在制备规定顺序方面有了决定性的进展,并可预期在八十年代有进一步发展。
4. 对二元聚合物和合成的本体聚合物或其共聚物进行化学改性,即制备一些衍生物,其科研目的是为了进一步研究聚合物链上化学反应的特性,而其实际目的是为了扩展一系列产品,特别是聚合物的助剂,以取代日益短缺和昂贵的天然产品。研究的重点是水溶性聚合物或水分散性聚合物(特别是一些具有聚合电解质特性的聚合物)和亲水性胶体,这要与对聚合电解质结构和物理化学性能的研究工作紧密结合起来。
对于聚合物的生产、加工和应用的研究,必须比目前更着重考虑环保、健康保护、劳动保护和防火方面的利益。
此外,还形成有这样的趋势,即在涂覆或浸渍时使用无溶剂体系或水分散体(胶乳)以取代聚合物在有机溶剂中溶解。由于同样的原因,还必须致力于将易燃的聚合物(例如碳氢化合物)变成耐燃性聚合物,这可以采用改变初始结构或加入防火剂方法。对某些使用领域(例如船舶或飞机),更需达到加热分解时使挥发性反应产物无毒的要求。
对直接穿戴在身上的纤维、织物和皮革类材料,必须努力研究出一种几乎像棉或天然皮革一样,具有亲水性的聚合物。
通过加入添加物,可以得到具有特种综合性能的聚合物,例如“橡皮磁体”(在橡胶中置入纯铁粒)或导电胶粘剂(注入细分散性银的活性树脂)。导电薄膜的导电性能,是由大分子的初始结构决定的,它为研究具有新使用性的聚合物指出了一条道路,这种聚合物与目前已知的代表性聚合物比较(例如结构材料,绝缘材料)具有全新的功能。
三、具有新使用性能的聚合物是八十年代的重要发展方向
令人特别感兴趣的是与物质分离或转化、能量转换或信息储存等有关的聚合物结构。为实现这些功能,例如运动过程和高分子反应,起决定作用的,除了化学结构外,还有聚合物的物理结构,即链的相互排列和超序列的形态学单元。
目前,世界各国在聚合物研究领域发展极为迅速。在许多情况下,当可能的应用问题尚未解决时,理论认识的进展就居于中心位置。关于具有新型使用性能的聚合物可以提出如下一些看法:
1. 八十年代,在聚合物的物质分离和转化方面,离子交换剂和离子交换过程将起重要的作用。科研上令人感兴趣的一些重大实际问题是:提高选择性,以便能从稀溶液中更好地回收重金属;利用非离子型副化合价交换作用影响分离过程;或是通过改变交换剂的物理结构,提高分高速度。
虽然目前已进一步掌握了膜的物质分离原理,并已在广泛范围内得到技术应用。但还有一些问题尚未解决,例如通过工程技术方面所确定的最佳研究来扩展这类膜的应用领域,以及在活组织上模拟这种多种多样的,相互配合的转移和反应过程,及其技术上应用等方面的基础问题。目前,苏联、美国和日本把聚合物催化剂的研究工作列为基础研究的重点。过去几年中对聚合物链的反应过程,已获得了许多新的有趣认识,特别是有关所谓协同的交换作用,即许多在反应过程中一个聚合物链上共价结合的活性基团的共同作用。
目前,从文献资料来看,尚不能预计这一方向的重要意义在八十年代能保持多久、因为现在还不能估计这方面知识进一步发展的程度,例如:对酶催化过程的理解等,并且从已达到的情况来看,也只显示了有限的实际应用。
2. 聚合物在能量方面特别是信息电子学的应用,最近几年来在国际上急剧地发展起来,例如光电效应、热电效应以及压电效应的应用等。第一个实际有效的成果是工业化生产的聚合永电体在扩音技术方面的应用。预计在八十年代,活性电子结构元件的无机材料可能不会被取代,而有可能得到补充。
3. 八十年代对聚合物研究提出的要求(可能还在更后的年代中)是,将分子生物学的信息在脱氧核糖核酸或核糖核酸中的贮存,通过其他物质系统在体外进行模拟6至今还不能对此问题的解决作出明确的评价。
此外,聚合物研究和分子生物学还共同面临着一个任务,即进一步阐明分子辨别系统中(例如在活细胞之间)的化学过程。
四、结论
对目前的和预期的聚合物研究的多种方向可总结为如下几点:
1. 从目前来看,还未显示出有“划时代”的发展,可以与Staudinger发现的聚合物模拟的反应原理相比拟,或与齐格勒和奈塔提出的立体特种聚合物的合成,以及与高聚物链排列和宏观特性之间基本关系的认识相比拟。目前还只能说是充实巩固和系统地继续发展。
2. 可以预期八十年代在认识上有重大进展,一是聚合物生产和加工的工程技术方面(即过去十多年中系统地应用的基础知识),二是与具有新使用性能的聚合物的发展和应用有关的固体物理学和分子生物学方面。
3. 在未来十年中,有计划研究的根本进展,可能在于研究相当复杂的任务和(或)极为复杂的物质系统。这要求利用跨学科的一切可能协作,采用低分子有机化学和物理化学的新概念,全面地结合显示特性的方法以及最后为合理和尽量利用大量数据而采用电子数据处理。
这也适用于单一的高分子,现在大部分还是从化学的和几何形的理想结构出发,对真实结构中存在偏差的分析,以及对宏观特性结果的分析:还处于很初始的阶段(例如最小的杂质基团含量对聚合物稳定性和序列的影响)。
最后还要提一下特别复杂的“聚合物/环境”系统,例如未解决的服装生理学问题,聚合物与活组织一致性同医药中大量使用这类物质的关系等一系列未解决的问题。’
[Wissenschaft und fortschrift 1979年29卷6期209 ~ 213页]