以自然科学观思考高分子实验问题*

管福成，郭 静，张 森，张 鸿，宫玉梅，刘元法，于 跃，赵 秒，拖晓航，王 艳

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

自然科学观是对自然科学辩证法的研究，是不断地概括和运用自然科学的最新成果，发展和更新人们关于自然界辩证发展的总图景和对自然界的总观点，包括了物质观、运动观、时空观、信息观、系统观等。自然科学观的产生和发展离不开自然科学的发展，它需要从自然科学中汲取营养来丰富和完善自身，成为科学的、具有发展性的理论[1]。自然科学观确立后，在所有的自然学科中总能展示出它的神奇魔力，不断促使自然科学的革新发展[2]。幸运的奥斯特发现电流的磁效应后，人们根据自然科学观判断出电和磁之间存在某种统一性，意识到电和磁之间互不相关也许是错的。这之后，在安培、法拉第、麦克斯韦等人的共同努力下，建立起完整的电磁学理论，推动了第二次工业革命。高分子科学是一门交叉性学科，应以自然科学观来思考问题，处理好科学间的交叉融合，才能更好的推动其发展。

1 高分子材料微结构的“统一性”和“多样性”

自然科学观中的物质统一性和多样性(或共相和殊相)辩证关系是对世界本质的根本理解[3]。高分子材料一般分为橡胶、纤维和塑料，其多种多样，性能各异。高分子材料种类虽然众多，但均是由许多简单的结构单元通过共价键重复键接而成，这是高分子链组装机理的“共相”。聚丙烯的重复单元是-CH2-CH2-、聚酰胺的重复单元是-HN(CH2)CO-、聚氯乙烯的重复单元是-CH2-CHCl-，重复单元的不同正是高分子链组装机理的“殊相”，遵循世界物质多样性原理。重复单元的键接方式虽然是多样性的，但键接方式仍具有规律：如聚氯乙烯是以头尾键接为主，头头和尾尾键接为辅；聚丙烯重复单元一般是头尾键接，仅含有少量尾尾或头头键接等反常结构。键接方式影响高分子链立体构型，立体构型不同，加工成型工艺和成品性能差别很大。例如等规立构聚丙烯能结晶，具有优良的力学性能，是重要的塑料和纤维材料，而无规立构聚丙烯不能结晶，室温下是蜡状半固体物。自然科学观指出：世界是物质的，世界的物质性是可以变化的。这使我们坚信，通过研制新型的催化剂，革新聚合方法，提高催化效率，可以实现高效率、高定向的聚合反应。1954意大利化学家G.Natta以头对尾方式聚合，保证了重复单元空间结构高度一致，生成了易结晶的等规聚丙烯，而不是结晶不好的无规聚丙烯或间规聚丙烯，催化效率提高了几百倍，这是以自然科学观思考高分子问题的成功。

2 高分子微结构调控的量变与质变的关系

自然科学观认为，现实世界中的一切事物都具有质和量两种规定性。量作为与质相对应的一个范畴，它与事物的存在不是直接同一的。这不是说量与事物无关或可有可无，而是说相对质的任何变化都会影响事物的存在而言，在一定的范围内，量的变化并不影响某物之为某物。正如聚丙烯蜡，分子量500～5000虽有大幅的变化，但仍属于量变中的部分质变，即阶段性部分质变，几乎无任何力学性能，只能用作分散剂或润滑。在事物的连续性(量变)中就孕育着非连续性(质变)，所以质变的发生绝不是偶然的，而是必然的，是量变的必然结果。“轻薄如纸，坚硬如钢”的超高分子量聚乙烯，分子量一般为70～120万，机械性能已优于普通的工程塑料，是目前制造防弹衣的主要材料。超高分子聚乙烯的出现是事物根本性质的质变，是突破度的显著的变化，是一种质态向另一种质态的飞跃。

再如，嵌段共聚物是由多种性质不同的链段交替键接而成的聚合物。不同的链段可为嵌段共聚物带来不同的性质，但同时，自然科学观中量变与质变的原理启发我们：不同的链段比例也可调和和优化嵌段共聚物的功能性，即链段的组装设计是聚合反应极为重要的环节。正如研究发现，当两亲性嵌段共聚物聚丙烯酸-聚甲基丙烯酰氧乙基二茂铁甲酯(PAA-b-PMAEFc) 中的亲水链段和疏水链段质量比变化时，组装后的凝聚态结构亦随之发生变化，并进一步影响其功能性[4]。在亲疏水质量比从PAA41-b-PMAEFc11的7:10降至PAA41-b-PMAEFc16的5:10过程中，嵌段共聚物在水溶液中组装成囊泡结构，可用于疏水性药物的包裹、运输和控制释放；而当亲疏水质量比为1:4的PAA41-b-PMAEFc32在水溶液组装时，结构呈现出完全不同的纳米棒结构，可用于亲水性药物的包裹、运输和控制释放。

生物基聚合物的多样性也是自然科学观中量变与质变原理的物质体现。海藻酸是由β-D-甘露糖醛酸(M)和ɑ-L-古罗糖醛酸(G)经过1，4键合形成的一种阴离子型电荷密度较高的无规线性共聚物。从不同海藻中提取的海藻酸，其G/M的比值不同，所形成的凝胶性能也会不同。高G型海藻酸盐冻胶强度较高，得到高凝冻强度的脆性凝胶，具有优良的热稳定性；高M型海藻酸盐的冻胶强度属于中等致低水平，所得到的凝胶软而有柔性，并具有很好的冷冻融化稳定性和抗脱水收缩性[5]。不同取代度的硝化纤维素应用于不同的场合，高氮(12.5%～13.6%)硝化纤维素用作火药，低氮(10.0%～12.5%)硝化纤维素可用作塑料、片基薄膜和涂料[6]。

3 高分子合成工艺与产物的辩证关系

自然科学观认为，事物不只是服从一个规律，而往往同时服从着许多规律。如高分子合成反应中，单体量、温度、压力、反应时间、溶液体系、引发剂等诸多因素都影响最终的产物。以丙烯酰胺的反相微乳液聚合为例[7]，实验结论是：(1)单体浓度浓度越高，聚合产物的相对分子质量越大，(2)引发剂的浓度越低，聚合产物的相对分子质量越高，(3)乳化剂的用量降低，有利于提高聚合产物的相对分子质量，(4)反应温度升高，会使聚合产物的相对分子质量降低，(5)在偏酸的体系条件下，对提高聚合产物的相对分子质量有积极的作用。这意味着，对于高分子合成反应的控制，需要综合考虑多个因素对聚合产物的影响。

自然科学观指出：任何事物都表现为多要素构成的系统，系统具有动态性[8]。以酚醛树脂聚合为例，在酚醛树脂的聚合过程中，随着反应温度的不断升高，先后制备出水溶性线形液体树脂、可溶性支链形黏稠状树脂和不溶不熔性体形固态树脂[9]。自然科学观中系统的动态性原则，对于高分子智能化研究也有着重要的指导意义。如聚异丙基丙烯酰胺凝胶低于临界溶解温度时会溶胀，而高于该温度时异丙基基团的疏水收缩会引起凝胶体积迅速收缩[10]。二茂铁基团与β-环糊精包合型自愈合凝胶可以响应氧化-还原刺激而实现人为干预，当在断面滴加氧化剂后，二茂铁基团被氧化，亲水性增强，与β-环糊精的包合作用大大减弱，不能够完成自愈合，若继续滴加还原剂后，被氧化的二茂铁基团又被还原，凝胶又可以恢复自愈合功能[11]。基于此，高分子合成工艺的控制，不能只注意它现在的样子，还必须注意系统内各个要素、结构会怎么变化，系统与外界交换的物质、能量及所处环境怎样变化等等，在系统纷繁复杂的组成部分的要素中间找到最利于产物结构和性能的工艺条件。

4 结 语

科学间的交叉融合时，自然科学观的思维方式必将得到充分的体现。“他山之石,可以攻玉”，自然科学观可以为研究自然科学提供有益的启示。将自然科学观应用到高分子实验的研究领域，将有助于我们深刻分析问题的本质，明确主要矛盾，解放思想，实事求是地解决高分子科学问题。