《Mechanics of Solid Polymers》1.4-1.5

1.4 聚合物的历史

        由于所有生物组织都是聚合物（例如皮肤组织、软骨、肌腱等），因此聚合物的历史就像这些材料的历史一样悠久。估计这些材料的年龄已经有数百万年了 [4]。这段时间里的自然进化导致了具有真正令人惊叹的力学特性的非常特殊的生物聚合物，即使今天也很难用合成聚合物来匹配或替代（表 1）。

表1 聚合物发展的历史简况

        天然聚合物不仅存在于生物组织中，也存在于棉花、淀粉和纤维素中。例如，大约500年前就已经知道巴西橡胶树（Hevea brasiliensis）产生一种粘性物质。这种材料，也被称为天然橡胶，被玛雅文明认为是一种制作工具和游戏的有用材料。直到1839年，查尔斯·古迪尔发现了硫化作用，天然橡胶才成为一种重要的工程材料。硫化天然橡胶具有非常好的弹性和回复性能，至今仍然是工业应用中最有用和重要的橡胶之一。例如，汽车轮胎通常含有大量的天然橡胶。第一个人造聚合物是由亚历山大·帕克斯于1862年开发的。他开发了一种有机材料，称为帕克斯因，可以在加热时重新塑形，在冷却时保持坚挺。然而，由于成本过高，这种材料并不受欢迎。第一个完全合成的聚合物是巴克莱塑料（Bakelite），由利奥·巴克莱于1907年发明。这种材料相比许多当代材料具有显著优势，因为它具有良好的电绝缘性能，并且可以成型为复杂的形状。有趣的是，直到1925年，大分子微观结构才被理解。在此之前，已经提出了不同的理论来解释巴克莱塑料的有趣行为，但是微观结构是未知的。在这一发现之后，意识到正是大分子结构创造了聚合物独特的行为后，接下来的10年间开发出了许多常见的传统工程聚合物。例如，PVC、PS、PE、尼龙和PTFE都是在20世纪20年代后期和30年代期间发现的。从那以后，聚合物的使用持续增长，不同工程聚合物的数量也继续增加。一些新材料专注于提高性能。例如，聚乙烯亚胺（PEI）和聚醚醚酮（PEEK）是具有高热稳定性、强度和刚度的聚合物。

        1976年，一个有趣的里程碑被突破，当时聚合物的产量首次超过了钢的产量。从那以后，聚合物的使用和技术一直在增长。例如，第一个导电聚合物是在20世纪70年代后期发现的。导电聚合物很重要，因为它们有可能被用来制造轻量级电池、太阳能电池等。在过去的几年里，合成聚合物开始被用于生物医学应用。人工皮肤和骨骼、药物递送装置以及用于移植植入物的支架。
        此外，最近还有一项重大的工作是改善聚合物材料的可持续性，使它们更符合生物环境。例如，有一种热塑性弹性体，在交联过程中不需要侵蚀性化学物质。另一个最近的重大发展是发现了导电聚合物。通过结合聚合物的传统优势：低成本和易于制造；与导电性能，可以制造有机发光二极管（LED）、激光器和许多其他独特的产品。如今，大多数生产的聚合物都是传统的工程聚合物（表1.2）。产量最高的聚合物是聚丙烯（PP）。产量第二高的聚合物是高密度聚乙烯（HDPE）。然而，如果将不同类型的PE（即HDPE、LLDPE和LDPE）结合起来，它们就占总产量的一半左右。如今，聚合物无处不在，是我们日常生活中最重要的材料之一。

表1.2 2003年北美地区不同聚合物的产量

1.5 聚合物制造和加工

        许多不同的制造方法可以用来制造人造聚合物材料和产品。原材料的大分子结构是通过化学方法将单体通过加成聚合或缩聚聚合结合在一起而形成的。在加成聚合中，具有双键或三键的分子被连接成大分子。不饱和单体与其他单体连接在一起，形成分子链。这种聚合方式通常用于制造聚乙烯、丙烯和聚氯乙烯。反应是在催化剂的存在下进行的，催化剂也可以影响材料的结构和组织。

        缩聚聚合是基于一种不同的机制，单体通过缩聚反应结合在一起。化学反应通常通过醇、胺或羧酸官能团来实现。在这个过程的每一步中，通常会生成一个简单的化合物，如水。这种过程用于氨基酸链接形成蛋白质。这也是Kevlar形成的方式。

        对聚合物原材料进行加工，以制造最终产品是一个重要的领域，已经得到了广泛的研究[8-15]。一些较常见的加工操作包括：吹塑、挤出、纤维纺丝、纱线缠绕、膜吹塑、注塑、拉挤、反应注塑、旋转涂布和转移压模。有关这些加工操作的更多信息可以在针对特定主题的众多教科书中找到。