以自然科學觀思考高分子實驗問題*

管福成，郭 靜，張 森，張 鴻，宮玉梅，劉元法，于 躍，趙 秒，拖曉航，王 艷

(大連工業大學紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034)

自然科學觀是對自然科學辯證法的研究，是不斷地概括和運用自然科學的最新成果，發展和更新人們關于自然界辯證發展的總圖景和對自然界的總觀點，包括了物質觀、運動觀、時空觀、信息觀、系統觀等。自然科學觀的產生和發展離不開自然科學的發展，它需要從自然科學中汲取營養來豐富和完善自身，成為科學的、具有發展性的理論[1]。自然科學觀確立后，在所有的自然學科中總能展示出它的神奇魔力，不斷促使自然科學的革新發展[2]。幸運的奧斯特發現電流的磁效應后，人們根據自然科學觀判斷出電和磁之間存在某種統一性，意識到電和磁之間互不相關也許是錯的。這之后，在安培、法拉第、麥克斯韋等人的共同努力下，建立起完整的電磁學理論，推動了第二次工業革命。高分子科學是一門交叉性學科，應以自然科學觀來思考問題，處理好科學間的交叉融合，才能更好的推動其發展。

1 高分子材料微結構的“統一性”和“多樣性”

自然科學觀中的物質統一性和多樣性(或共相和殊相)辯證關系是對世界本質的根本理解[3]。高分子材料一般分為橡膠、纖維和塑料，其多種多樣，性能各異。高分子材料種類雖然眾多，但均是由許多簡單的結構單元通過共價鍵重復鍵接而成，這是高分子鏈組裝機理的“共相”。聚丙烯的重復單元是-CH2-CH2-、聚酰胺的重復單元是-HN(CH2)CO-、聚氯乙烯的重復單元是-CH2-CHCl-，重復單元的不同正是高分子鏈組裝機理的“殊相”，遵循世界物質多樣性原理。重復單元的鍵接方式雖然是多樣性的，但鍵接方式仍具有規律：如聚氯乙烯是以頭尾鍵接為主，頭頭和尾尾鍵接為輔；聚丙烯重復單元一般是頭尾鍵接，僅含有少量尾尾或頭頭鍵接等反常結構。鍵接方式影響高分子鏈立體構型，立體構型不同，加工成型工藝和成品性能差別很大。例如等規立構聚丙烯能結晶，具有優良的力學性能，是重要的塑料和纖維材料，而無規立構聚丙烯不能結晶，室溫下是蠟狀半固體物。自然科學觀指出：世界是物質的，世界的物質性是可以變化的。這使我們堅信，通過研制新型的催化劑，革新聚合方法，提高催化效率，可以實現高效率、高定向的聚合反應。1954意大利化學家G.Natta以頭對尾方式聚合，保證了重復單元空間結構高度一致，生成了易結晶的等規聚丙烯，而不是結晶不好的無規聚丙烯或間規聚丙烯，催化效率提高了幾百倍，這是以自然科學觀思考高分子問題的成功。

2 高分子微結構調控的量變與質變的關系

自然科學觀認為，現實世界中的一切事物都具有質和量兩種規定性。量作為與質相對應的一個范疇，它與事物的存在不是直接同一的。這不是說量與事物無關或可有可無，而是說相對質的任何變化都會影響事物的存在而言，在一定的范圍內，量的變化并不影響某物之為某物。正如聚丙烯蠟，分子量500～5000雖有大幅的變化，但仍屬于量變中的部分質變，即階段性部分質變，幾乎無任何力學性能，只能用作分散劑或潤滑。在事物的連續性(量變)中就孕育著非連續性(質變)，所以質變的發生絕不是偶然的，而是必然的，是量變的必然結果。“輕薄如紙，堅硬如鋼”的超高分子量聚乙烯，分子量一般為70～120萬，機械性能已優于普通的工程塑料，是目前制造防彈衣的主要材料。超高分子聚乙烯的出現是事物根本性質的質變，是突破度的顯著的變化，是一種質態向另一種質態的飛躍。

再如，嵌段共聚物是由多種性質不同的鏈段交替鍵接而成的聚合物。不同的鏈段可為嵌段共聚物帶來不同的性質，但同時，自然科學觀中量變與質變的原理啟發我們：不同的鏈段比例也可調和和優化嵌段共聚物的功能性，即鏈段的組裝設計是聚合反應極為重要的環節。正如研究發現，當兩親性嵌段共聚物聚丙烯酸-聚甲基丙烯酰氧乙基二茂鐵甲酯(PAA-b-PMAEFc) 中的親水鏈段和疏水鏈段質量比變化時，組裝后的凝聚態結構亦隨之發生變化，并進一步影響其功能性[4]。在親疏水質量比從PAA41-b-PMAEFc11的7:10降至PAA41-b-PMAEFc16的5:10過程中，嵌段共聚物在水溶液中組裝成囊泡結構，可用于疏水性藥物的包裹、運輸和控制釋放；而當親疏水質量比為1:4的PAA41-b-PMAEFc32在水溶液組裝時，結構呈現出完全不同的納米棒結構，可用于親水性藥物的包裹、運輸和控制釋放。

生物基聚合物的多樣性也是自然科學觀中量變與質變原理的物質體現。海藻酸是由β-D-甘露糖醛酸(M)和ɑ-L-古羅糖醛酸(G)經過1，4鍵合形成的一種陰離子型電荷密度較高的無規線性共聚物。從不同海藻中提取的海藻酸，其G/M的比值不同，所形成的凝膠性能也會不同。高G型海藻酸鹽凍膠強度較高，得到高凝凍強度的脆性凝膠，具有優良的熱穩定性；高M型海藻酸鹽的凍膠強度屬于中等致低水平，所得到的凝膠軟而有柔性，并具有很好的冷凍融化穩定性和抗脫水收縮性[5]。不同取代度的硝化纖維素應用于不同的場合，高氮(12.5%～13.6%)硝化纖維素用作火藥，低氮(10.0%～12.5%)硝化纖維素可用作塑料、片基薄膜和涂料[6]。

3 高分子合成工藝與產物的辯證關系

自然科學觀認為，事物不只是服從一個規律，而往往同時服從著許多規律。如高分子合成反應中，單體量、溫度、壓力、反應時間、溶液體系、引發劑等諸多因素都影響最終的產物。以丙烯酰胺的反相微乳液聚合為例[7]，實驗結論是：(1)單體濃度濃度越高，聚合產物的相對分子質量越大，(2)引發劑的濃度越低，聚合產物的相對分子質量越高，(3)乳化劑的用量降低，有利于提高聚合產物的相對分子質量，(4)反應溫度升高，會使聚合產物的相對分子質量降低，(5)在偏酸的體系條件下，對提高聚合產物的相對分子質量有積極的作用。這意味著，對于高分子合成反應的控制，需要綜合考慮多個因素對聚合產物的影響。

自然科學觀指出：任何事物都表現為多要素構成的系統，系統具有動態性[8]。以酚醛樹脂聚合為例，在酚醛樹脂的聚合過程中，隨著反應溫度的不斷升高，先后制備出水溶性線形液體樹脂、可溶性支鏈形黏稠狀樹脂和不溶不熔性體形固態樹脂[9]。自然科學觀中系統的動態性原則，對于高分子智能化研究也有著重要的指導意義。如聚異丙基丙烯酰胺凝膠低于臨界溶解溫度時會溶脹，而高于該溫度時異丙基基團的疏水收縮會引起凝膠體積迅速收縮[10]。二茂鐵基團與β-環糊精包合型自愈合凝膠可以響應氧化-還原刺激而實現人為干預，當在斷面滴加氧化劑后，二茂鐵基團被氧化，親水性增強，與β-環糊精的包合作用大大減弱，不能夠完成自愈合，若繼續滴加還原劑后，被氧化的二茂鐵基團又被還原，凝膠又可以恢復自愈合功能[11]。基于此，高分子合成工藝的控制，不能只注意它現在的樣子，還必須注意系統內各個要素、結構會怎么變化，系統與外界交換的物質、能量及所處環境怎樣變化等等，在系統紛繁復雜的組成部分的要素中間找到最利于產物結構和性能的工藝條件。

4 結 語

科學間的交叉融合時，自然科學觀的思維方式必將得到充分的體現。“他山之石,可以攻玉”，自然科學觀可以為研究自然科學提供有益的啟示。將自然科學觀應用到高分子實驗的研究領域，將有助于我們深刻分析問題的本質，明確主要矛盾，解放思想，實事求是地解決高分子科學問題。