以自然科學(xué)觀思考高分子實驗問題*

管福成，郭 靜，張 森，張 鴻，宮玉梅，劉元法，于 躍，趙 秒，拖曉航，王 艷

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

自然科學(xué)觀是對自然科學(xué)辯證法的研究，是不斷地概括和運用自然科學(xué)的最新成果，發(fā)展和更新人們關(guān)于自然界辯證發(fā)展的總圖景和對自然界的總觀點，包括了物質(zhì)觀、運動觀、時空觀、信息觀、系統(tǒng)觀等。自然科學(xué)觀的產(chǎn)生和發(fā)展離不開自然科學(xué)的發(fā)展，它需要從自然科學(xué)中汲取營養(yǎng)來豐富和完善自身，成為科學(xué)的、具有發(fā)展性的理論[1]。自然科學(xué)觀確立后，在所有的自然學(xué)科中總能展示出它的神奇魔力，不斷促使自然科學(xué)的革新發(fā)展[2]。幸運的奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)后，人們根據(jù)自然科學(xué)觀判斷出電和磁之間存在某種統(tǒng)一性，意識到電和磁之間互不相關(guān)也許是錯的。這之后，在安培、法拉第、麥克斯韋等人的共同努力下，建立起完整的電磁學(xué)理論，推動了第二次工業(yè)革命。高分子科學(xué)是一門交叉性學(xué)科，應(yīng)以自然科學(xué)觀來思考問題，處理好科學(xué)間的交叉融合，才能更好的推動其發(fā)展。

1 高分子材料微結(jié)構(gòu)的“統(tǒng)一性”和“多樣性”

自然科學(xué)觀中的物質(zhì)統(tǒng)一性和多樣性(或共相和殊相)辯證關(guān)系是對世界本質(zhì)的根本理解[3]。高分子材料一般分為橡膠、纖維和塑料，其多種多樣，性能各異。高分子材料種類雖然眾多，但均是由許多簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復(fù)鍵接而成，這是高分子鏈組裝機理的“共相”。聚丙烯的重復(fù)單元是-CH2-CH2-、聚酰胺的重復(fù)單元是-HN(CH2)CO-、聚氯乙烯的重復(fù)單元是-CH2-CHCl-，重復(fù)單元的不同正是高分子鏈組裝機理的“殊相”，遵循世界物質(zhì)多樣性原理。重復(fù)單元的鍵接方式雖然是多樣性的，但鍵接方式仍具有規(guī)律：如聚氯乙烯是以頭尾鍵接為主，頭頭和尾尾鍵接為輔；聚丙烯重復(fù)單元一般是頭尾鍵接，僅含有少量尾尾或頭頭鍵接等反常結(jié)構(gòu)。鍵接方式影響高分子鏈立體構(gòu)型，立體構(gòu)型不同，加工成型工藝和成品性能差別很大。例如等規(guī)立構(gòu)聚丙烯能結(jié)晶，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，是重要的塑料和纖維材料，而無規(guī)立構(gòu)聚丙烯不能結(jié)晶，室溫下是蠟狀半固體物。自然科學(xué)觀指出：世界是物質(zhì)的，世界的物質(zhì)性是可以變化的。這使我們堅信，通過研制新型的催化劑，革新聚合方法，提高催化效率，可以實現(xiàn)高效率、高定向的聚合反應(yīng)。1954意大利化學(xué)家G.Natta以頭對尾方式聚合，保證了重復(fù)單元空間結(jié)構(gòu)高度一致，生成了易結(jié)晶的等規(guī)聚丙烯，而不是結(jié)晶不好的無規(guī)聚丙烯或間規(guī)聚丙烯，催化效率提高了幾百倍，這是以自然科學(xué)觀思考高分子問題的成功。

2 高分子微結(jié)構(gòu)調(diào)控的量變與質(zhì)變的關(guān)系

自然科學(xué)觀認為，現(xiàn)實世界中的一切事物都具有質(zhì)和量兩種規(guī)定性。量作為與質(zhì)相對應(yīng)的一個范疇，它與事物的存在不是直接同一的。這不是說量與事物無關(guān)或可有可無，而是說相對質(zhì)的任何變化都會影響事物的存在而言，在一定的范圍內(nèi)，量的變化并不影響某物之為某物。正如聚丙烯蠟，分子量500～5000雖有大幅的變化，但仍屬于量變中的部分質(zhì)變，即階段性部分質(zhì)變，幾乎無任何力學(xué)性能，只能用作分散劑或潤滑。在事物的連續(xù)性(量變)中就孕育著非連續(xù)性(質(zhì)變)，所以質(zhì)變的發(fā)生絕不是偶然的，而是必然的，是量變的必然結(jié)果。“輕薄如紙，堅硬如鋼”的超高分子量聚乙烯，分子量一般為70～120萬，機械性能已優(yōu)于普通的工程塑料，是目前制造防彈衣的主要材料。超高分子聚乙烯的出現(xiàn)是事物根本性質(zhì)的質(zhì)變，是突破度的顯著的變化，是一種質(zhì)態(tài)向另一種質(zhì)態(tài)的飛躍。

再如，嵌段共聚物是由多種性質(zhì)不同的鏈段交替鍵接而成的聚合物。不同的鏈段可為嵌段共聚物帶來不同的性質(zhì)，但同時，自然科學(xué)觀中量變與質(zhì)變的原理啟發(fā)我們：不同的鏈段比例也可調(diào)和和優(yōu)化嵌段共聚物的功能性，即鏈段的組裝設(shè)計是聚合反應(yīng)極為重要的環(huán)節(jié)。正如研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩親性嵌段共聚物聚丙烯酸-聚甲基丙烯酰氧乙基二茂鐵甲酯(PAA-b-PMAEFc) 中的親水鏈段和疏水鏈段質(zhì)量比變化時，組裝后的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)亦隨之發(fā)生變化，并進一步影響其功能性[4]。在親疏水質(zhì)量比從PAA41-b-PMAEFc11的7:10降至PAA41-b-PMAEFc16的5:10過程中，嵌段共聚物在水溶液中組裝成囊泡結(jié)構(gòu)，可用于疏水性藥物的包裹、運輸和控制釋放；而當(dāng)親疏水質(zhì)量比為1:4的PAA41-b-PMAEFc32在水溶液組裝時，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出完全不同的納米棒結(jié)構(gòu)，可用于親水性藥物的包裹、運輸和控制釋放。

生物基聚合物的多樣性也是自然科學(xué)觀中量變與質(zhì)變原理的物質(zhì)體現(xiàn)。海藻酸是由β-D-甘露糖醛酸(M)和ɑ-L-古羅糖醛酸(G)經(jīng)過1，4鍵合形成的一種陰離子型電荷密度較高的無規(guī)線性共聚物。從不同海藻中提取的海藻酸，其G/M的比值不同，所形成的凝膠性能也會不同。高G型海藻酸鹽凍膠強度較高，得到高凝凍強度的脆性凝膠，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性；高M型海藻酸鹽的凍膠強度屬于中等致低水平，所得到的凝膠軟而有柔性，并具有很好的冷凍融化穩(wěn)定性和抗脫水收縮性[5]。不同取代度的硝化纖維素應(yīng)用于不同的場合，高氮(12.5%～13.6%)硝化纖維素用作火藥，低氮(10.0%～12.5%)硝化纖維素可用作塑料、片基薄膜和涂料[6]。

3 高分子合成工藝與產(chǎn)物的辯證關(guān)系

自然科學(xué)觀認為，事物不只是服從一個規(guī)律，而往往同時服從著許多規(guī)律。如高分子合成反應(yīng)中，單體量、溫度、壓力、反應(yīng)時間、溶液體系、引發(fā)劑等諸多因素都影響最終的產(chǎn)物。以丙烯酰胺的反相微乳液聚合為例[7]，實驗結(jié)論是：(1)單體濃度濃度越高，聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量越大，(2)引發(fā)劑的濃度越低，聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量越高，(3)乳化劑的用量降低，有利于提高聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量，(4)反應(yīng)溫度升高，會使聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量降低，(5)在偏酸的體系條件下，對提高聚合產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量有積極的作用。這意味著，對于高分子合成反應(yīng)的控制，需要綜合考慮多個因素對聚合產(chǎn)物的影響。

自然科學(xué)觀指出：任何事物都表現(xiàn)為多要素構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)具有動態(tài)性[8]。以酚醛樹脂聚合為例，在酚醛樹脂的聚合過程中，隨著反應(yīng)溫度的不斷升高，先后制備出水溶性線形液體樹脂、可溶性支鏈形黏稠狀樹脂和不溶不熔性體形固態(tài)樹脂[9]。自然科學(xué)觀中系統(tǒng)的動態(tài)性原則，對于高分子智能化研究也有著重要的指導(dǎo)意義。如聚異丙基丙烯酰胺凝膠低于臨界溶解溫度時會溶脹，而高于該溫度時異丙基基團的疏水收縮會引起凝膠體積迅速收縮[10]。二茂鐵基團與β-環(huán)糊精包合型自愈合凝膠可以響應(yīng)氧化-還原刺激而實現(xiàn)人為干預(yù)，當(dāng)在斷面滴加氧化劑后，二茂鐵基團被氧化，親水性增強，與β-環(huán)糊精的包合作用大大減弱，不能夠完成自愈合，若繼續(xù)滴加還原劑后，被氧化的二茂鐵基團又被還原，凝膠又可以恢復(fù)自愈合功能[11]。基于此，高分子合成工藝的控制，不能只注意它現(xiàn)在的樣子，還必須注意系統(tǒng)內(nèi)各個要素、結(jié)構(gòu)會怎么變化，系統(tǒng)與外界交換的物質(zhì)、能量及所處環(huán)境怎樣變化等等，在系統(tǒng)紛繁復(fù)雜的組成部分的要素中間找到最利于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性能的工藝條件。

4 結(jié) 語

科學(xué)間的交叉融合時，自然科學(xué)觀的思維方式必將得到充分的體現(xiàn)。“他山之石,可以攻玉”，自然科學(xué)觀可以為研究自然科學(xué)提供有益的啟示。將自然科學(xué)觀應(yīng)用到高分子實驗的研究領(lǐng)域，將有助于我們深刻分析問題的本質(zhì)，明確主要矛盾，解放思想，實事求是地解決高分子科學(xué)問題。