高分子科学

第二章　高分子科学

高分子科学是研究高分子化合物的合成化学、化学反应、物理化学、凝聚态物理、加工成型和应用等的一门新兴的综合交叉学科，包括高分子化学、高分子物理和高分子工程学三部分。高分子化学又分为高分子合成、高分子化学反应和高分子物理化学。高分子物理研究高聚物的聚集态结构和本体性能。高分子工程学又分为高聚物加工成型和高聚物应用技术。

高分子是指具有长链特征、相对分子质量很高的（相对分子质量在10⁴以上）化合物，包括生物大分子、天然高分子和合成高分子等。高分子科学是近60年来创立和发展起来的。高分子概念的诞生使高分子合成化学家为人类创造了数十万种到几百万种高分子。高分子概念的确立不仅为高分子科学、高分子材料科学的建立和发展奠定了基础，而且还为人类认识生命体系的主要物质基础，蛋白质、核糖核酸和聚多糖的结构打下了基础。

实际上，人类与高分子的联系由来已久。自然界的动植物包括人体本身，都是以高分子为主要成分而构成的，称为天然高分子。许多天然高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。人类的主要食物如淀粉、蛋白质等，也都是天然高分子。只是到了20世纪20年代斯陶丁格尔建立了高分子概念后，才有了高分子化合物这个名称。

与小分子化合物、金属、无机非金属化合物等相比，高分子化合物具有独特的结构。高分子链结构包括链节的化学结构，链节与链节连接的化学异构和立体化学异构、共聚物的链节序列分布、相对分子质量及相对分子质量分布，以及分子链的支化和交联结构。对一种小分子化合物来说，其相对分子质量是相同的；而对于一种高分子化合物，则可以一部分是较低相对分子质量的，另一部分是较大相对分子质量的，即相对分子质量具有多分散性。高分子链结构是一级结构；孤立高分子链，即稀溶液中高分子的形态，如无规线团、螺旋、双螺旋、刚性棒或椭球等是二级结构；三级结构指高聚物分子聚集态结构，即分子链与分子链之间的堆砌。聚集态结构随着加工成型方法的不同而有所不同。小分子化合物，要么是结晶的，要么是非晶态的；而高分子化合物，一个分子的一部分是晶态结构，另一部分是非晶态结构。在适当情况下，高分子链节可以局部折叠起来成为片状结晶态，称为片晶。片晶又可以堆砌成球状，称为球晶。那些未折叠起来的一部分分子是非晶态的。非晶态部分也有一定的结构。这些结构的特殊性赋予了高分子特殊的性能。

由于合成高分子许多独特性能和作为材料应用的不可替代性，高分子工业已超过其他传统材料增长速度发展。随着20世纪70年代材料科学的确立，高分子材料科学也已逐步分化衍生成材料科学中活跃的独立分支学科。三大合成材料塑料、橡胶及纤维的发现及实现工业化生产是人类现代文明的标志之一，为人们提供了自然界没有的、价廉易得、性能优异和易于加工的而新材料，改善了人们的生活质量，加速了社会经济的发展。不仅如此，高分子对国家安全、高新技术发展和生活质量与人类健康也具有重要作用。正因为如此，世界各国对高分子基础研究及工业生产都极为重视。我国是世界上的高分子工业大国，各种高分子产量均列世界前茅，随着世界各国产业调整和全球化，在我国生产的高相对分子质量预计在几年内基本上会成为世界第一，在为实现全面建设小康社会的总目标而努力时，重视高分子科学和高分子材料科学的研究就显得尤为重要。

高分子科学的研究对象是合成高分子与生物高分子。高分子科学是在多学科的界面上诞生的，其发展仍然是具有多学科交叉性质的，对化学其他学科、纳米技术、光电子学、生物医学工程、生命科学（生物化学、分子生物学等）、材料科学等学科的发展有着广泛的影响。