高分子材料科學(xué)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(xué)的發(fā)展趕上了世界歷史發(fā)展步伐。當(dāng)然也歷經(jīng)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(shù)、大飛機(jī)、國防建設(shè)以及汽車制造、建筑材料等許多方面得到廣泛應(yīng)用，高分子材料科學(xué)與技術(shù)為國家做出了許多重要貢獻(xiàn)。

關(guān)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(nèi)形勢變化分析，我國高分子材料科學(xué)與工程仍存在不少問題。在公認(rèn)的“卡脖子”技術(shù)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(jìn)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(xué)品等，都與世界先進(jìn)水平存在很大差距。低端過剩高端缺乏的結(jié)構(gòu)性矛盾很突出;合成樹脂、合成橡膠與合成纖維等貿(mào)易逆差達(dá)幾百億美元。

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

高分子材料科學(xué)與工程研究與開發(fā)需要全鏈條貫通研究。其主線當(dāng)然是結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，從應(yīng)用性能導(dǎo)向出發(fā)的研發(fā)，需要設(shè)計聚合物結(jié)構(gòu)，此時就要考慮結(jié)構(gòu)及多層次結(jié)構(gòu)、聚合物可加工性等等因素。經(jīng)過化學(xué)過程實現(xiàn)單體到聚合物，聚合物經(jīng)加工形成部件、零件或器件，滿足應(yīng)用需求的綜合性能。未來高分子材料科學(xué)研究可能會更多與生命科學(xué)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(shù)合成高分子材料的研究、基于生物質(zhì)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(jìn)展與動態(tài)

在我國高分子隊伍中，從事生物醫(yī)用相關(guān)聚合物研究和光電轉(zhuǎn)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(jī)聚合物光電功能材料領(lǐng)域研究在國際上具有重要影響。有的研究結(jié)果處于國際最好水平之一。在有機(jī)聚合物發(fā)光材料、有機(jī)聚合物光伏材料等方面的研究取得非常重要的進(jìn)展。今后在熱電轉(zhuǎn)換有機(jī)聚合物材料領(lǐng)域值得關(guān)注。生物醫(yī)用高分子材料研究全方位推進(jìn)，一些成果走向?qū)嵱谩?/p>

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(jìn)展，在國際學(xué)術(shù)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(shù)，以研究聚合物結(jié)構(gòu)，進(jìn)而研究結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。高分子結(jié)構(gòu)表征技術(shù)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(xué)與工程發(fā)展的重要問題

對于發(fā)展高分子材料科學(xué)來說，高分子化學(xué)與物理基礎(chǔ)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(jīng)典的問題有待進(jìn)一步研究。利用計算模擬方法研究高分子，已經(jīng)是常規(guī)基本研究手段。高分子材料科學(xué)與工程的研究將更加注重發(fā)展材料數(shù)據(jù)庫建設(shè)、數(shù)據(jù)挖掘與分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、材料基因組學(xué)和人工智能等。

高分子化學(xué)研究需要更加緊密地與高分子化工結(jié)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(shù)提升的空間，運用高分子化學(xué)的新成果有望在節(jié)能、高效、綠色工藝過程、產(chǎn)品性能更加優(yōu)異等方面獲得推進(jìn)。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(chǎn)品收率提高一點，所用化學(xué)品（溶劑、分散介質(zhì)）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(xué)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(yīng)用的零部件、器皿或器材等產(chǎn)品實現(xiàn)的。高分子材料的加工遠(yuǎn)比無機(jī)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(shè)備。一代材料出一代技術(shù)卻繞不過加工方法。高分子加工成型方法和加工設(shè)備的研發(fā)依然大有可為。在高分子加工技術(shù)中運用計算模擬、計算機(jī)輔助控制等日顯重要。

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

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

需要注重培養(yǎng)更多的對高分子科學(xué)具有濃厚好奇心、像斯陶丁格那樣追求真理的學(xué)者。當(dāng)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(jī)聚合物都是電絕緣體，發(fā)現(xiàn)并提出聚合物半導(dǎo)體、導(dǎo)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(jīng)多層次結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料，都是那樣的精巧，蘊藏著許許多多目前仍然未知、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)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(xué)加以準(zhǔn)確描述，進(jìn)而形成合成高分子材料的指導(dǎo)原理，這方面的研究雖已取得一定進(jìn)展，但今后仍將是長期而重要的任務(wù)。

4結(jié)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(lǐng)域我國已經(jīng)具有自己的知識產(chǎn)權(quán)，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(jìn)口依存度仍然偏高，一些重要高分子產(chǎn)品有待實現(xiàn)國產(chǎn)化。需要更多研究團(tuán)隊從高分子合成基礎(chǔ)、高分子物理到高分子加工成型、高分子聚合反應(yīng)工程和高分子化工工藝、應(yīng)用開展貫通的研究，更多關(guān)注經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)需求和高分子工業(yè)現(xiàn)狀，補(bǔ)齊高分子材料的短板，使我國成為高分子材料科學(xué)與工程的強(qiáng)國。

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