高分子物理江苏工业学院).pdf

绪 论 一、 一、 高分子科学的建立和发展 在人类文明发展的漫长历史过程中，人类需要从自然界中获得各种来源以满足自身生存 和发展的基本要求。例如使用动物的皮毛来御寒，使用树木建造房屋，这些都是早期人类对 天然高分子材料的使用。后来随着文明的发展，人们学会了用棉花织布、养蚕纺丝、用桐油 油漆家具等。到了近代人们又开始使用化学的方法来改变一些天然高分子材料的结构，使其 具有更好的性能，例如对天然橡胶的硫化处理、棉麻的丝光处理、由天然纤维制造人造丝和 赛璐珞塑料等。尽管人们在长期的生产实践中掌握了这些材料的制造技术并且在生产和生活 中广泛地使用了这些材料，但是当时人们对它们的化学组成和结构仍然一无所知。他们并不 知道这类材料属于高分子化合物的范畴。 十九世纪是自然科学得到迅速发展的时期，有机化学、物理化学等学科开始诞生和发展。 此时化学家们开始对纤维素、淀粉、蚕丝、蛋白质这样一类材料产生了兴趣。他们想要知道 这类物质具有什么样的化学组成和结构。但是当他们用经典的有机化学和物理化学的方法来 分析和表征化合物的结构时遇到了麻烦：这些化合物没有一定的熔点和沸点，既不能升华也 不能结晶，因此不能用已有的方法对它们进行提纯和分析；此外甚至连表征化合物最基本的 参数——分子量也无法测定。因此化学家们倾向于认为这类物质不是纯粹的化合物，而是由 小分子在一定条件下缔合形成的胶体 （本质上仍是小分子，但彼此之间通过特殊的“次价力” 胶体缔合论”就是当时化学界对天然高分子化合物的广泛认同。 结合而成为胶体状态）。“ 十九世纪末有两位科学家对这类物质的结构提出了自己的想法。1877 年，F.A.Kekule 提出: 绝大多数与生命有关的天然有机物，如：蛋白质、淀粉、纤维素，可能是由很长的链 组成。1893 年，E.Fischer 设想出：纤维素是一种由葡萄糖单元连接而成的长链分子，而蛋 白质可能是由氨基酸单元组成的链状物。他做了一个十分有意义的实验，将氨基酸通过酰胺 键逐个连接得到了聚合度为 30 （分子量超过1000）的单分散性多肽，由此证明了蛋白质（多 肽）是由许多氨基酸单元通过酰胺化学键相连而成的线型长链大分子。但是他们的设想和工 作当时没有能够得到足够的重视。 1920 年，德国科学家 H.Staudinger 发表了著名的论文“论聚合”，在这篇论文中他首次 给出了“大分子”（Macromolecules ）的概念，他指出：象天然橡胶、聚苯乙烯、聚甲醛这 些物质实际上是具有长链结构的大分子，这些长链大分子是由小分子化合物相互之间以共价 键重复联接而成的，这种由小分子相互以共价键相连形成长链大分子的过程称为“聚合” （Polymerization ）。由于这些聚合物分子链的长度不完全相同（存在着分布的概念），所以 不能用有机化学中“纯粹化合物”的概念来理解大分子。 Staudinger 的“大分子学说”提出后在化学界掀起了一场轩然大波并且立即受到了“胶 体缔合论”者的强烈反对。在随后的十年间两种观点进行了多次激烈的交锋，随着越来越多 的实验结果对“大分子学说”的支持，到了上世纪三十年代“大分子学说”已经被人们所普 遍接受，所以 1930’s 年被认为是聚合物科学的诞生日。 Staudinger 的工作是开创性的，他提出了高分子的概念并由此开创了高分子研究的领域。 Staudinger 本人也因此在 1953 年获得了诺贝尔化学奖。 在高分子科学发展早期，最初是有关高分子合成的研究非常活跃：各种聚合理论被提出， 各种新的聚合方法被发现……。这些工作有力地促进了高分子合成工业的发展，所以在三、 四十年代有非常多的新型高分子材料被合成出来并得到广泛的应用。高分子合成的迅猛发展 反过来又促使高分子科学家们开展高分子化合物结构和性能的研究。在此期间高分子科学家 们做了大量著有成效的工作，比较有代表性的有：将热力学统计理论用于高分子研究，建立 高分子链的构象统计理论；建立橡胶弹性统计理论；建立各种测定聚合物分子量和分子量分 布的方法（粘度法、渗透压法、超速离心法…..）；对高分子溶液热力学的研究；X 射线衍射 法对高分子晶态结构的研究；对高分子聚集态结构的研究；聚合物力学性能、粘弹性（转变 现象、松弛现象）的研究……。这些工作奠定了高分子物理的基础。到了 50 年代高分子物 理学基本形成。 二、 二、 高分子物理研究的内容 高分子物理是