1. 引言

在高分子學(xué)科創(chuàng)建一百年后，研究者們重新站在了學(xué)科開創(chuàng)者們曾經(jīng)面對過的素材面前。

1839年，查爾斯·固特異把硫磺、氧化鉛混到橡膠之中，給世界裝上了高速運(yùn)轉(zhuǎn)的輪子。

1885年，亞歷山大·帕克斯將硝化纖維素與樟腦混合，得到透明易成型的“賽璐璐”材料，曾一度作為象牙的替代品開發(fā)。

人類使用高分子材料的歷史和人類歷史本身一樣古老，只不過19世紀(jì)中期開始，對天然高分子的改性才比較集中的涌現(xiàn)出來，查爾斯·固特異，亞歷山大·帕克斯以及同時代的其他改性工程技術(shù)人員，還稱不上高分子科學(xué)家，學(xué)科尚處于孕育階段。

到20世紀(jì)初期，盡管橡膠輪胎，人造絲（醋酸纖維素）已經(jīng)得到應(yīng)用，但高分子的的分子結(jié)構(gòu)尚不明確，那時，高分子溶液還被當(dāng)作膠體處理。

1922年德國化學(xué)家施陶丁格發(fā)表了《論聚合》，明確了高分子是具有重復(fù)鏈節(jié)的長鏈大分子結(jié)構(gòu)，這一概念直到30年代才被大多數(shù)人接受，《論聚合》的發(fā)表標(biāo)志著高分子學(xué)科的誕生，也標(biāo)志著人類進(jìn)入了一個新的以材料命名的時代。

材料，是人類社會發(fā)展的基石，一個時代人類所使用的主要材料，可以反映那個時代的生產(chǎn)力與生活水平。

最早的人類，只能從對天然材料進(jìn)行簡單的加工改造，那是新舊石器時代的特點。

隨著冶煉技術(shù)的發(fā)展，人類走過了一段段以金屬命名的時代歷程：青銅時代，鐵器時代、鋼鐵時代。

或許施陶丁格當(dāng)時沒有預(yù)料到，當(dāng)他把《論聚合》投出去發(fā)表的那一刻，他將人類歷史的序幕，從工業(yè)革命的笨重的鋼鐵時代，拉到了一直延續(xù)到我們當(dāng)下的輕便的“塑料時代”。

值得指出的是，高分子材料含義甚廣，包含塑料、纖維、橡膠、涂料、粘結(jié)劑以及一些其它功能性材料，塑料只是高分子的一種特定使用形態(tài)，顧名思義，可以理解為“可塑性特別好的材料”，參比對象是無機(jī)非金屬材料如陶瓷，以及無機(jī)金屬材料如鋼鐵材料。

2. 常用塑料簡介

盡管實驗室每天都在創(chuàng)造新的高分子材料，但真正大規(guī)模工業(yè)化使用的塑料并不多，約有十多種。根據(jù)材料的耐熱性，分為三類，即通用塑料、工程塑料、特種工程塑料。

之所以將耐熱性作為分類依據(jù)，主要是和金屬材料、以及無機(jī)非金屬材料相比，耐熱性差是塑料最大的短板，不同塑料的應(yīng)用領(lǐng)域之不同，許多時候正是受制于其本身的耐熱性。

如通用塑料，包括：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS，其使用溫度通常在100度以下，適用于日常生活的領(lǐng)域。

工程塑料，包括：聚酰胺（尼龍）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（滌綸）、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯，這些材料耐熱性有所提高，短時期內(nèi)能在100度以上的環(huán)境的工作，可在工程領(lǐng)域作為結(jié)構(gòu)件使用。

特種工程塑料，包括：聚酰亞胺、聚苯硫醚，聚醚醚酮，這些材料具有極好的耐熱性，有的甚至能在200度以上的高溫環(huán)境下長期使用，可應(yīng)用于電子電器甚至航空航天領(lǐng)域。

除了耐熱性，從通用型到特種型，這三類材料的力學(xué)性能也有所不同，一般來講，力學(xué)強(qiáng)度也越來越高，價格也越來越貴。

耐熱性不僅決定材料的應(yīng)用領(lǐng)域，同時也決定了材料的加工條件，優(yōu)良的耐熱性能代價往往是加工溫度高，甚至是不能熱塑性成型。

日常生活中，通用塑料和工程塑料都是比較常見的，如下圖所示：

圖1. 日常生活中常見的一些塑料制品

3. 塑料發(fā)展的阿喀琉斯之踵

塑料給現(xiàn)代生活帶來極大的便利，是現(xiàn)代社會繁榮發(fā)展的物質(zhì)基石。也正因為其無所不在，滲透于社會生活的方方面面，反倒使人們忽視了其優(yōu)點，而過于強(qiáng)調(diào)其不足，一提到塑料，人們想到最多的，一是“塑化劑”，一是“白色污染”。

人們贊美月光皎潔，照亮夜行者的路，卻在白天忙碌的社會生活中，很少意識到太陽的存在。

塑料的生，來源于石油化石資源，石化資源不可再生，隨著石化資源的日益減少，塑料發(fā)展將面臨源頭活水枯竭之困。

塑料的死，或填埋，或焚燒，或飄浮于大江大洋，或散落于路邊野地，神鷹不取，大地不納，死而不腐。

來源的不可再生，廢棄物的難降解性，是塑料發(fā)展的阿喀琉斯之踵。

然而，一開始并不是這樣的。

在高分子學(xué)科正式建立以前，人們就已經(jīng)在使用高分子材料，棉麻蠶絲，無不是天然的高分子材料，不依靠石化資源，直接從大自然中取材，廢棄后回歸大地，降解為水，為二氧化碳，或其它一些天然的小分子物質(zhì)。

19世紀(jì)中葉以后，學(xué)科開拓者們根據(jù)經(jīng)驗，開始對天然高分子如纖維素進(jìn)行化學(xué)改性，再添加天然的增塑劑如樟腦，有了最初塑料的雛形。這些原始的塑料，依然保持著來源天然可再生，廢棄后容易降解的特點。

隨著高分子學(xué)科的建立，化學(xué)合成技術(shù)的發(fā)展，人們掌握了依靠石化資源合成塑料的技術(shù)，才真正使塑料的大規(guī)模應(yīng)用成為可能。因為那時，石化資源是豐富的，需要的塑料產(chǎn)量相比于今天來說，微乎其微，還不存在資源與發(fā)展之間的矛盾。

20世紀(jì)50年代，齊格勒-納塔催化劑的發(fā)現(xiàn)，使乙烯、丙烯可以通過配位聚合，得到高密度聚乙烯和等規(guī)聚丙烯，這兩種塑料至今仍然是使用量最大的兩類塑料。

每年幾千萬噸聚乙烯、聚丙烯被生產(chǎn)出來同時，我們也應(yīng)該清醒的意識到，50年代，齊格勒，納塔在實驗室第一次制備出的聚乙烯、聚丙烯，至今仍然存在于我們的星球上。

Science advance 上的一篇報道，對全球塑料廢棄物的累積趨勢做過統(tǒng)計和預(yù)測，他們的結(jié)果表明，到2050年全球的塑料廢棄物將超過250億噸，而這些塑料中能被循環(huán)利用的將不足100億噸，部分將被焚燒處理，更多的將被直接廢棄在自然環(huán)境當(dāng)中。

一方面塑料每年被源源不斷的生產(chǎn)出來，另一方面，塑料制品使用后難以降解。我們星球上的塑料將越來越多，任由這個趨勢發(fā)展下去，地球?qū)⒊蔀槊逼鋵嵉?ldquo;塑料星球”

圖2. 塑料廢棄物的累積趨勢

4. 白色污染：罪不在塑料

白色污染是塑料在人們心中的負(fù)面形象。白色污染，罪不在塑料，而在塑料垃圾的分類。

塑料難以降解，但循環(huán)利用并不困難，途徑有三條：重新造粒、焚燒取能和裂解取質(zhì)。

對于成分單一的熱塑性塑料，可以重新回收，經(jīng)清洗干燥后，在加熱熔融的條件下，重新制成塑料粒子，用來生產(chǎn)塑料產(chǎn)品。由于二次加熱，會導(dǎo)致分子鏈的部分?jǐn)嗔?，使性能降低，所以重新造粒的過程，需要加入擴(kuò)鏈劑、熱穩(wěn)定劑等助劑，這在實際操作中很容易辦到?；厥樟纤苽涞乃芰项w粒大多和新料混合使用，以達(dá)到降低產(chǎn)品成本的目的；也可單獨使用，制備一些性能要求較低的產(chǎn)品。

回收造粒的前提，是回收的塑料成分單一，也就是說需要塑料的分揀。這是回收料的瓶頸所在，如何對塑料進(jìn)行有效的分揀，決定著回收料的成本與生產(chǎn)效率。沿海一些地方，在回收國外的“洋塑料”垃圾，為世界資源的可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)，但采用家庭作坊式的人工分揀，付出的代價是我國相關(guān)從業(yè)者的身體健康，而進(jìn)一步清洗過程造成的水資源浪費與污染，更是與初衷背道而馳，不可取。

焚燒是處理塑料垃圾的一種傳統(tǒng)方案，簡單粗暴，不需分類，或?qū)Ψ诸愐蟮?。直接焚燒，不僅是對能源的巨大浪費，而且會對空氣造成嚴(yán)重的污染。當(dāng)塑料走向焚燒爐，也就意味著自己物質(zhì)形態(tài)生命的總結(jié)，高溫將賦予塑料構(gòu)成分子以活力，激發(fā)分子能本身的能力，在化學(xué)鍵的斷裂與重構(gòu)的過程中，釋放出疲憊物質(zhì)軀體中的巨大能量，這些能量如果不收集起來，就以熱的形式耗散于茫茫宇宙之中，收集起來，轉(zhuǎn)化為電能，就可以進(jìn)一步為人類社會的正常運(yùn)轉(zhuǎn)做貢獻(xiàn)。

焚燒發(fā)電，是塑料生命的升華，從物質(zhì)形態(tài)進(jìn)入自由的能量形態(tài)。

塑料循環(huán)利用，最根本的途徑，是重新裂解為小分子化工原料。

塑料，如常見的聚乙烯，是由乙烯分子通過聚合反應(yīng)形成的長鏈高分子。反之，該長鏈高分子，也可以通過裂解反應(yīng)，重新轉(zhuǎn)化為乙烯單體或其他化工小分子原料。

人見人厭，談之色變的白色污染，在有的人看來卻是取之不盡的石化資源。

裂解可以使塑料轉(zhuǎn)化為化工原料，重新被利用起來。這在實驗室條件下是不難辦到的事情，但真要大規(guī)模利用起來，尚需要催化劑領(lǐng)域研究的進(jìn)一步發(fā)展。畢竟目前的裂解反應(yīng)，需要高溫高壓條件，能耗巨大，使得廢棄塑料裂解得到的小分子化工原料比直接從石油資源中獲得相應(yīng)產(chǎn)物要昂貴得多。隨著石化資源的減少，原油價格的推高，以及催化裂解研究的進(jìn)步，塑料裂解能耗的降低，在不久的將來，“白色污染”有望成為和石油一樣寶貴的“黑色黃金”。

就目前而言，回收造粒是廢棄塑料循環(huán)利用的主要途徑，焚燒取能與裂解取質(zhì)都還處于研究以及工業(yè)應(yīng)用的初步階段。

5. 聚乳酸：最有前途的生物基塑料

大自然每天都在生產(chǎn)各種各樣的高分子，植物的纖維素，甲殼綱動物的殼聚糖，以及各種蛋白質(zhì)、糖類都是高分子。在高分子學(xué)科發(fā)展的初期，研究人員就是從對天然高分子，如纖維素，進(jìn)行化學(xué)改性起家的。

高分子是由小分子單體通過聚合反應(yīng)得到，傳統(tǒng)的高分子材料，其小分子單體主要來源于化工行業(yè)，從石油資源中獲得。而今，隨著石油資源的日益減少，人們開始研究從動植物的生化過程中去獲得所需的單體原料，由此而發(fā)展起來的塑料，被稱為生物基塑料。

聚乳酸是目前研究最熱門，發(fā)展前景最好的一類生物基塑料。

圖3. 聚乳酸的生命歷程

聚乳酸的單體是乳酸，可以通過淀粉的發(fā)酵而獲得，而淀粉則可以從玉米等農(nóng)作物中獲得，所以聚乳酸也被稱為“玉米塑料”。聚乳酸是一種透明的塑料，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，通過改性處理，比如直接和塑性淀粉進(jìn)行共混，可以用來制備一些一次性餐盒。這種餐盒使用之后，在堆肥狀態(tài)下可以降解成為水和二氧化碳，不會造成白色污染。

早期的聚乳酸材料主要用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，比較典型的是做手術(shù)的縫合線。聚乳酸的生物相容性較好，不會引起人體的排異反應(yīng)，更為關(guān)鍵的是，可被人體吸收分解成為乳酸，乳酸通過代謝反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成水和二氧化碳。這就避免了手術(shù)的拆線過程，減少了病人的痛苦。

舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，特點是附加值高，但用量少，而早期的聚乳酸由于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)較少，價格比較昂貴。而今，隨著合成技術(shù)的發(fā)展，聚乳酸已經(jīng)能夠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，如美國的Natureworks公司以及我國的浙江海正集團(tuán)，都能大規(guī)模生產(chǎn)聚乳酸，價格也已經(jīng)降到一般工程塑料的區(qū)間。在這樣的背景下，發(fā)展聚乳酸的改性技術(shù)，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，使其能部分取代傳統(tǒng)的石油基不可降解塑料，就具有非常重要的意義。

聚乳酸的改性，主要任務(wù)有兩點，一是提高其韌性，一是提高其耐熱性能。

聚乳酸的力學(xué)性能，和石油基高分子聚苯乙烯類似，特點是強(qiáng)度高但韌性差。提高聚乳酸的韌性，可以通過共混，尤其是反應(yīng)共混來實驗。已經(jīng)有許多顯著提高聚乳酸韌性的報道。但要真正大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用，還是存在一些問題。比如用于提高聚乳酸韌性的彈性體，往往是烯烴類物質(zhì)，不可降解，引入聚乳酸中，會降低材料的生物可降解性。此外，單純的物理共混，只對拉伸韌性的提高有明顯改善，對更為關(guān)鍵的沖擊韌性提高程度有限；而采用反應(yīng)共混，通過控制工藝條件，調(diào)控粒子大小和界面強(qiáng)度，可以同時改善拉伸韌性和沖擊韌性，使改性后的聚乳酸力學(xué)性能達(dá)到或超過現(xiàn)有大部分工程塑料。然而，不管物理共混還是反應(yīng)共混，由于烯烴類彈性體的引入，都一定程度會降低聚乳酸的剛性和強(qiáng)度，發(fā)展強(qiáng)而韌的改性技術(shù)，是目前聚乳酸增韌改性的重要研究方向之一。

至于熱變形溫度的改善，根本原因在于聚乳酸結(jié)晶速率慢，使其加工成型以后，處于非晶狀態(tài)，熱變形溫度在玻璃化溫度60 oC左右，難以滿足大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。如果能提高聚乳酸的結(jié)晶速率，使其成型加工以后，材料中有20%以上的結(jié)晶區(qū)域，難么聚乳酸的熱變形溫度得到明顯改善，甚至可以提高到100 oC以上。雖然有多種途徑可以提高聚乳酸的結(jié)晶速率，但由于工業(yè)化生產(chǎn)的擠出、注塑等成型方式，制品往往從熔體淬冷到室溫，冷卻速率極快，目前還沒能把聚乳酸的結(jié)晶速率提高到如此高的辦法。

6. 總結(jié)：新的起點

在高分子學(xué)科創(chuàng)建一百年后，研究者們重新站在了學(xué)科開創(chuàng)者們曾經(jīng)面對過的素材面前。

然而，一百年前，我們對素材知之甚少，甚至沒有長鏈高分子的概念。

一百年后的今天，我們有了高分子化學(xué)、高分子物理，以及眾多現(xiàn)代化的研究手段。

我們有理由、有信心比一百年做得更好。