高分子材料科學與工程漫談

程健 楊姣 張聰 魏鑫健 王忠杭

摘要：我國高分子材料科學的發(fā)展趕上了世界歷史發(fā)展步伐。當然也歷經曲折。我國高分子工業(yè)規(guī)模從70多年前的百噸到40多年前的百萬噸，到現(xiàn)在的1.5億噸，有了飛速發(fā)展。近些年，高分子材料在我國高鐵技術、大飛機、國防建設以及汽車制造、建筑材料等許多方面得到廣泛應用，高分子材料科學與技術為國家做出了許多重要貢獻。

關鍵詞：高分子材料;歷史回顧;發(fā)展前景

1我國的現(xiàn)狀

從近期國際國內形勢變化分析，我國高分子材料科學與工程仍存在不少問題。在公認的“卡脖子”技術中，其中不少都有高分子材料的影子。許多重要的高分子材料長期依托進口，即使是聚乙烯，對外依存度仍然在50%左右;高端聚烯烴、高性能纖維、高性能膜材料、高端電子化學品等，都與世界先進水平存在很大差距。低端過剩高端缺乏的結構性矛盾很突出;合成樹脂、合成橡膠與合成纖維等貿易逆差達幾百億美元。

許多重要的高分子材料研究，在科學與技術評價量化、指標化開始盛行之時，受到沖擊、不少研究方向中斷、停滯等，加上化工技術壁壘，導致了目前許多重要高分子品種自給率低或者完全依賴進口的后果。某些重要研究領域發(fā)表論文、申請經費的“效率”相對較低，導致該領域人才逐步“轉行”。這是導致目前仍然存在許多“卡脖子”技術短板的一個重要原因，而且可能會進一步影響未來高分子材料科學與工程的健康發(fā)展，值得我們注意。

高分子材料科學與工程研究與開發(fā)需要全鏈條貫通研究。其主線當然是結構與性能的關系，從應用性能導向出發(fā)的研發(fā)，需要設計聚合物結構，此時就要考慮結構及多層次結構、聚合物可加工性等等因素。經過化學過程實現(xiàn)單體到聚合物，聚合物經加工形成部件、零件或器件，滿足應用需求的綜合性能。未來高分子材料科學研究可能會更多與生命科學交叉。支撐生命體系的高分子材料將得到發(fā)展。通過生物技術合成高分子材料的研究、基于生物質的高分子材料研發(fā)會繼續(xù)得到重視，有望取得突破。

2國際重要進展與動態(tài)

在我國高分子隊伍中，從事生物醫(yī)用相關聚合物研究和光電轉換功能聚合物的人數(shù)眾多，在整個高分子研究隊伍中所占比例較高。我國在有機聚合物光電功能材料領域研究在國際上具有重要影響。有的研究結果處于國際最好水平之一。在有機聚合物發(fā)光材料、有機聚合物光伏材料等方面的研究取得非常重要的進展。今后在熱電轉換有機聚合物材料領域值得關注。生物醫(yī)用高分子材料研究全方位推進，一些成果走向實用。

我國功能高分子材料的研究基本與國際同步，取得了具有國際影響的進展，在國際學術界擁有重要地位。

高分子化合物需要單獨建立一套表征技術，以研究聚合物結構，進而研究結構與性能的關系。高分子結構表征技術在高分子發(fā)展歷史上所起的重要作用是非常大的。

3我國高分子材料科學與工程發(fā)展的重要問題

對于發(fā)展高分子材料科學來說，高分子化學與物理基礎知識非常重要。高分子研究中，高分子理論的研究具有極其重要的意義，目前仍存在許多基本與經典的問題有待進一步研究。利用計算模擬方法研究高分子，已經是常規(guī)基本研究手段。高分子材料科學與工程的研究將更加注重發(fā)展材料數(shù)據(jù)庫建設、數(shù)據(jù)挖掘與分析、機器學習、材料基因組學和人工智能等。

高分子化學研究需要更加緊密地與高分子化工結合，這樣才可能為發(fā)展高分子材料做點事情。已有的高分子化工工程中依然存在技術提升的空間，運用高分子化學的新成果有望在節(jié)能、高效、綠色工藝過程、產品性能更加優(yōu)異等方面獲得推進。試想如果某個聚合過程的溫度、壓力變得稍微溫和一些，主要產品收率提高一點，所用化學品（溶劑、分散介質）更為綠色，就能為聚合工業(yè)過程節(jié)省不少成本。

高分子加工在高分子材料發(fā)展中起了非常重要的作用。材料科學與工程所做的事情是“有料成材，有材成器”，是通過各種加工方法將高分子原料變成實際應用的零部件、器皿或器材等產品實現(xiàn)的。高分子材料的加工遠比無機材料簡便、節(jié)能，而高分子材料的加工本身需要許多獨特的加工方法和設備。一代材料出一代技術卻繞不過加工方法。高分子加工成型方法和加工設備的研發(fā)依然大有可為。在高分子加工技術中運用計算模擬、計算機輔助控制等日顯重要。

高分子材料在實際應用中很大一部分是復合材料。高性能復合材料研究仍將是重要方向。

在處理高分子基礎研究與高分子工程應用方面，特別需要避免“實用主義”，常常是不做技術儲備和積累方面的長期系統(tǒng)研究。在遇到實際應用需求卡殼時，才開始重視，造成一哄而上，甚至低水平重復。一陣風過了，又進入無人關注的境地。

需要注重培養(yǎng)更多的對高分子科學具有濃厚好奇心、像斯陶丁格那樣追求真理的學者。當時的斯陶丁格基于自己的研究提出并堅持高分子概念時是孤立的，眾人皆反對。類似的是，被長期普遍使用的有機聚合物都是電絕緣體，發(fā)現(xiàn)并提出聚合物半導體、導體，是顛覆性的創(chuàng)新。

仿生研究在高分子研究中將是長期的。自然界中由生命體系合成出多種天然大分子，經多層次結構構筑形成生命體，無論是參與生命過程功能大分子還是支撐生命體系的大分子結構材料，都是那樣的精巧，蘊藏著許許多多目前仍然未知、結構與功能關系的自然規(guī)律。系統(tǒng)性深入研究這些體系，以現(xiàn)代科學加以準確描述，進而形成合成高分子材料的指導原理，這方面的研究雖已取得一定進展，但今后仍將是長期而重要的任務。

4結語

基于此，我國高分子材料工業(yè)從無到有、從小到大，高分子工業(yè)規(guī)模已成為全球最大，發(fā)表論文和專利數(shù)量持續(xù)快速增長。有些領域我國已經具有自己的知識產權，有些研究已在國際上具有重要影響力。同時，一些高端高分子材料品種進口依存度仍然偏高，一些重要高分子產品有待實現(xiàn)國產化。需要更多研究團隊從高分子合成基礎、高分子物理到高分子加工成型、高分子聚合反應工程和高分子化工工藝、應用開展貫通的研究，更多關注經濟社會建設需求和高分子工業(yè)現(xiàn)狀，補齊高分子材料的短板，使我國成為高分子材料科學與工程的強國。

參考文獻

[1]付蓮蓮，陳珺，錢浩.《高分子材料加工技術》課程融合思政教育探析[J].高分子通報，2020（11）：80-84.

[2]凌紅，楊坡，冉起超.材料科學與工程基礎實驗教學改革探索[J].廣州化工，2020，48（12）：161-162.

[3]蔡文倩，樊海濤.納米科學技術在高分子材料領域的現(xiàn)狀探析[J].科技視界，2019（25）：12-13.