第二節 高分子材料在國民經濟中的地位和作用

一、材料的重要性^{［4，13，19］}

材料是人類用于制造各種產品的物質，是人類賴以生存和發展的物質基礎。關于材料的重要性，許多專著和文獻已經做了很詳細的闡述，至少可以歸納為以下三個方面。

1.材料是人類社會進步的里程碑 　人類使用材料的歷史共經歷了八個時代（表1-3）。從圖1-5中可以看到，材料的使用

圖1-5 人類、材料和技術的演變史^［18］

與一個歷史時期內人類人口的增長、生產力和科學技術發展水平密切相關。每一種重要材料的發現和廣泛使用，都會把人類支配和改造自然的能力提高到一個新水平，給社會生產力和人類生活水平帶來巨大的變化，把人類的物質文明和精神文明向前推進一步。

因此，材料科學對社會發展與進步的作用歷來受到高度重視。一個國家材料的品種和數量被公認是直接衡量一個國家的科學技術、經濟發展水平和人民生活水平的重要標志之一。

表1-3 人類使用材料的歷史

2.傳統材料是國民經濟的基礎 自古以來，人類就與材料密切相關，無論飲食、起居、衣著都離不開各種自然界存在的材料。19世紀中葉現代煉鋼技術出現以后，金屬材料的重要性急劇增加；20世紀中葉，合成高分子材料、無機非金屬材料及先進復合材料迅速發展，并形成了金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料多角共存的局面。目前，這四大材料中許多品種已經成為傳統材料。

著名材料科學家師昌緒院士指出，凡是傳統材料，往往與國民經濟支柱產業密不可分。例如，鋼鐵曾是衡量一個國家實力的重要標志。雖然人類已進入信息時代，但今天在一些工業發達國家，仍然將它視為支柱產業。因為鋼具有不可代替的優良性能，其價格又比較低廉。合成纖維、樹脂、塑料、橡膠在國民經濟中占有非常重要的位置，而且用量逐年增加，這些都屬于傳統產業。此外，機械制造、造船、機車等莫不是以鋼鐵及其他傳統材料為基礎的，所以傳統材料是國民經濟的基礎，不能稍有忽視。

3.新材料是社會現代化的先導 現代社會的進步，在很大程度上都依賴于新材料的發現與發展。科學家的理論藍圖只有憑借合適的材料才能實現，因此新材料是先進技術的先導。自20世紀90年代以來，人們在這方面作出了空前的重要進展。所以將這一歷史時期稱為“新材料時代”。新材料的研究、開發與應用反映著一個國家科學技術與工業水平，對人類社會的文明與經濟的發展，起著不可估量的作用。正如師昌緒院士所言，“沒有半導體和其他功能材料，就不會有今天的信息社會，沒有高溫和超高溫材料及高比強度、高比剛度材料，就不會有今天的航天航空技術，從而全球經濟的一體化、人類社會的繁榮往往就會發生很大困難”。因此20世紀70年代，材料、電子信息和能源被譽為當代文明的三大支柱。80年代以高技術群為代表的新技術革命，又把新材料、信息技術和生物技術并列為新技術革命的重要標志。

二、高分子材料在國民經濟和科學技術中的地位和作用^［3，13］

自從20世紀30年代現代高分子概念正式確立后，高分子材料以其獨特的優勢迅速工業化并發展起來，并廣泛應用于人類的衣食住行和各產業領域。人們認識到，高分子材料作為四大材料之一，除了具有上述材料的重要性外，至少還具有以下三個方面的特點。

1.高分子材料比傳統材料發展迅速 雖然高分子材料工業直到20世紀30年代高分子學科建立后才步入真正的發展階段，然而由于高分子材料原料豐富、制造方便、加工容易、品種繁多、形態多樣、性能優異以及在生產和應用領域所需的投資低，經濟效益顯著，因此其發展速度和空間遠遠超過其他傳統材料。特別是到20世紀80年代，工業發達國家鋼鐵生產已衰退，而高分子材料的產量仍然突飛猛進。全世界塑料的產量從1904年的1萬噸猛增至2012年的2.88億噸。全世界合成橡膠的產量1960年為202.1萬噸，而2012年則增至15180萬噸，為天然橡膠的1.4倍。全世界合成纖維的產量由1960年的70.2萬噸快速飆升至2012年的4799萬噸，為天然纖維的1.7倍。目前，塑料、合成纖維和合成橡膠三大高分子材料，已經成為通用材料。

當前，雖然有人將傳統工業與“夕陽工業”聯系在一起，但高分子材料作為一種傳統材料，與國民經濟密切相關，其未來的前景依然為大多數專家看好。著名化學纖維專家郁銘芳院士認為，由于天然纖維的發展受到客觀條件的限制，因此化學纖維的發展同解決各國人民的穿衣問題和提高人民生活水平關系十分密切。另外，化學纖維具有其他材料不能替代的特征。因此在21世紀，化學纖維及其工業將更加興旺發達。進入21世紀以來的事實，已經完全證實了專家們的預言。

我國高分子材料工業雖然起步較晚，但發展很快。我國合成纖維的產量從1978年的16.9萬噸猛增至2013年的3599.5萬噸，占世界合成纖維總產量的68%，已經連續16年居世界第一；合成樹脂產量從1978年的67.9萬噸猛增至2013年的5306.5萬噸，居世界第一；合成橡膠的產量從1978年的10.2萬噸猛增至2013年的300萬噸，居世界第一。隨著高分子科學和龐大的高分子材料工業的發展，我國高分子材料的生產和消費保持著強勁的增長勢頭，高分子材料在材料領域中的地位日益突出，所占份額越來越大。

2.合成高分子材料在很多應用領域能有效取代傳統材料 目前，高分子材料的用途也已滲透到生活的每一個角落，主要分布在下列領域：

①電氣行業。用作堅韌、耐久的絕緣材料。

②建筑材料。用作管道、門窗、護墻板、天花板、隔板等。

③包裝行業。與紙并列為兩大包裝材料。

④汽車行業。除輪胎材料非橡膠莫屬外，儀表盤、方向盤、內襯、座椅等都已采用聚合物制造。

⑤家具行業。越來越多的座椅、抽屜、隔板都采用聚合物。

⑥農業。地膜和棚膜已成為不可或缺的基本材料。

⑦攝影業。無論是膠片還是包裝已全部為高分子材料所占領。

此外，高分子材料還占據了涂料和黏合劑中的絕大部分份額。

千變萬化的品種與可設計和剪裁的性能，使高分子材料變得越來越重要。合成高分子材料在上述許多領域中已經和正在取代傳統材料，如金屬、木材和皮革，以及一些天然高分子材料，如棉、絲、麻和天然橡膠。由于塑料的密度較低（約為鋁的1/2、鋼的1/5），同樣重量的塑料可以生產出比金屬體積大幾倍的產品，因此在機電、儀表、電子電器、汽車以及建筑行業中正大量用塑料代替金屬。例如在建筑行業，目前全塑的住宅已經問世，塑料的產量已超過木材和水泥等結構材料的總產量。橡膠工業的發展雖然進展較緩，但合成橡膠的產量卻遠遠超過天然橡膠。目前美國天然橡膠的消耗量僅占總用膠量的1/4，世界天然橡膠只占總用膠量的1/3。合成纖維在民用纖維用量中已占50％左右，在工業用纖維中幾乎取代了天然纖維。合成高分子材料已成為現代社會生活中衣、食、住、行、用各個方面所不可缺少的材料。廣泛采用合成高分子材料不僅節省了許多傳統材料，而且帶來了明顯的技術經濟效果，推動了傳統產業的現代化。隨著世界經濟的發展，合成高分子材料取代其他傳統材料的趨勢還在繼續。

3.新型高分子材料發展空間大 處于高技術時代的高分子材料工業，除了要為工農業生產、人們的衣食住行用等方面不斷提供許多量大面廣的、不可缺少的、日新月異的新產品和新材料外，還要為發展高新技術提供更多更有效的高性能結構材料、高功能材料以及滿足各種特殊用途的專用材料。另一方面，傳統高分子材料存在眾所周知的“白色污染”問題，還有許多值得探索的科學問題。因此，高分子材料及其生產技術面臨著新的機遇與挑戰。

縱觀材料的發展史，貫穿著一條主線，即從簡單到復雜。而有機高分子材料品種豐富多彩，結構上的復雜性更是遠遠超過了金屬材料和無機非金屬材料。因此，新型有機高分子材料的發展空間比其他新型材料更大。

自20世紀80年代人類進入高分子時代起，面對新的機遇與挑戰，高分子科學的研究向高性能化、功能化、精細化、復合化和智能化等方向發展。特別是進入21世紀后，對新型高分子材料的需求越來越大，高分子材料的發展呈現出以下的特點：

（1）材質由均質向復合方向發展。材料的復合化滿足了人類多方面的需求，高分子材料與金屬材料、無機非金屬材料的復合以及不同高分子材料之間的復合步伐進一步加快。

（2）性能由高性能、功能化向多功能和結構功能化方向發展。具有優異的光、電、磁、生物等性能的多功能高分子材料以及兼具高性能與功能的高分子材料，能夠更好地滿足信息、能源、國防以及生命技術領域的要求。

（3）尺寸向越來越小的方向發展。特別是具有特殊優良性能的納米高分子材料，在高性能及功能高分子材料、組織工程材料及光電材料等領域具有廣泛的應用，因此受到世界各國的高度重視。

　（4）層次由被動向主動方向發展。過去的功能高分子材料只能機械地進行輸入/輸出的響應，因此是一種被動性材料。智能高分子材料可以主動地針對一定范圍的各種輸入信號進行判斷，能自動適應環境的變化，并且自行解決問題，因此可以實現高分子材料結構功能化、功能多樣化，從而導致高分子材料科學發展的又一次重大革命。

　（5）合成和加工技術向仿生化發展。人們由生物進化得到啟迪，通過仿生途徑來發展新型高分子材料。例如運用先進的計算機模擬技術，首先建立蜘蛛絲蛋白質各種成分的分子模型，然后運用遺傳學基因合成技術，把遺傳基因植入酵母和細菌，可以仿制蜘蛛絲蛋白質。通過仿生紡絲技術，可能實現用絲蛋白紡制蜘蛛絲。

（6）原料和生產向綠色化發展。材料科學家正在為合成高分子材料尋找新的資源，以擺脫對不可再生資源石油的依賴。其中一個重要的方向，就是利用可再生的生物質，其廣泛使用不僅將擴大高分子材料的原料來源，逐步擺脫對石油的依賴，而且可使制得的產品可生物降解和循環再生，從而可從根本上解決合成高分子材料的“白色污染”問題。同時實現高分子材料的清潔生產，解決對環境造成的污染問題。

以上各方向的研究發展迅速，一旦突破，將對國民經濟和科學技術的發展產生深遠的作用。目前，一些新型高分子材料已在尖端技術、國防建設和國民經濟各個領域得到廣泛的應用。特別是在當代許多高新技術中，例如微電子和光電子信息技術、生物技術、空間技術、海洋工程等方面均很大程度依賴于高分子材料的應用。在航天航空等領域，新型高分子材料已成為非他莫屬的重要材料。

總之，高分子材料在國民經濟和科學技術中具有十分重要的地位，發揮著巨大的作用。高分子材料的廣泛應用和不斷創新是材料科學現代化的一個重要標志。今后，高分子材料還將不斷創新和持續發展，在國民經濟發展過程中將發揮著越來越重要的作用，為人類作出更大的貢獻。