功能高分子材料研究的哲学思考精.docx

功能高分子材料研究的哲学思考精.docx

《功能高分子材料研究的哲学思考精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《功能高分子材料研究的哲学思考精.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

功能高分子材料研究的哲学思考精

功能高分子材料研究的哲学思考

摘要本文以辩证唯物主义认识论关于认识运动是发展的基本规律，对功能高分子材料研究领域的难点及热点问题进行了分析，对科学创新的认识根源开展了分析和探讨。

最后根据功能高分子材料科学范畴、理论、规律和逻辑，提出了对其研究的方法论。

关键词功能高分子材料；创造性思维；哲学思考

自古以来制造新材料一直很受重视。

材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史，因此历史学家往往根据当时有代表性的材料将人类社会划分为石器时代、青铜器时代和铁器时代等等。

经过数千年的不断发展，在21世纪的今天，我们己经进入新材料时代。

材料是科学与工业技术发展的基础。

一种新材料的出现，能为社会物质文明带来巨大变化，给新技术的发展带来划时代的突破。

功能高分子材料作为一门科学尽管只有几十年的历史，但在新材料的发展过程中尤其引人注目。

进入20世纪80年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，国际上展开激烈的竞争，各国都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术等领域占有一席之地。

材料的重要性巳被人们充分地认识，能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱。

功能高分子材料因其在宇航、建筑、机器人、仿生和医药领域具有重要地位，而日益成为材料行业优先开发的材料之一。

1功能高分子的定义及分类

现代材料种类繁多，按材料组成主要物质成分特征分，主要有金属材料、陶瓷材料、高分子材料、复合材料、液晶材料等，按材料的用途分，有结构材料和功能材料。

功能高分子材料属功能材料范畴，指由分子量很大的长链分子组成的具有和能完成某种特殊功能的高分子及其复合材料。

换言之，功能高分子材料是指表现出力学、电、磁、光、生物、化学等特性的材料[2]。

按结构特征可分为以下几类：

（1）主链型功能基团为高分子链单元，因此主链本身就具备功能作用。

如聚乙炔分子链中的双键结构，使整个分子链构成大π键，呈现导电功能。

（2）侧链型功能基团位于高分子链的侧基上，通过接枝在分子主链上而获得功能作用。

如磺酸基接在苯乙烯主链上，使其具有较强的吸水功能和离子交换功能。

（3）分散型在功能高分子材料中分散或固定无机分子，增加敏感功能性，即功能高分子复合材料。

（4）接合型功能高分子材料与金属或半导体接合的层状复合物，利用其界面效应可以将信息转变成电动势。

2新型功能高分子材料

2.1导电高分子材料

导电高分子材料科学是近年来发展较快的领域，自1977年第一个导电高分子聚乙炔（PAC）发现以来，对导电聚合物的合成、结构、导电机理、性能、应用等方面有许多新认识。

现已发展成为一门相对独立的学科。

从导电机理的角度看，导电高分子大致可分为两大类：

第一类是复合型导电高分子材料，它是指在普通的聚合物中加入各种导电性填料而制成的。

这些导电性填料可以是银、镍、铝等金属的微细粉末，导电性碳黑，石墨及各种导电金属盐等。

此类导电高分子材料在国内外已得以广泛的应用，如抗静电、电磁波屏蔽、微波吸收、电子元件中的电极等；第二类是结构型导电高分子材料，即依靠高分子本身产生的导电载流子导电，这类导电高分子材料一般经“掺杂”（P型掺杂或N型掺杂）后具有高的导电性能，多为共轭型高聚物。

目前研究较多的导电高分子有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚对苯撑、聚苯基乙炔等[3]。

2.2生物医用高分子材料

生物医用高分子材料指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的高分子材料，研究领域涉及材料学、医学、生命科学[4]。

虽已有40多年的研究历史!

但蓬勃发展始于20世纪70年代，随着高分子化学工业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起博器以及骨生长诱导剂等。

近10年来，由于生物医学工程#材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及其制品正以其特有的生物相容性、无毒性等优异性能而获得越来越多的医学临床应用。

生物医用高分子材料主要有天然生物材料和合成高分子材料。

2.2.1天然生物材料

天然生物材料是指从自然界现有的动、植物体中提取的天然活性高分子，如从各种甲壳类、昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维，从海藻植物中提取的海藻酸盐，从桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜，以及由牛屈肌腱重新组构而成的骨胶原纤维等。

这些纤维都具有很高的生物功能和很好的生物适应性，在保护伤口、加速创面愈合方面具有强大的优势，已引起国内外医务界广泛的关注。

甲壳质主要存在于甲壳类、昆虫类的外壳和霉菌类细胞壁中，是甲壳素和壳聚糖的统称（壳聚糖是甲索壳脱酰后的产物），兼有高等动物中的胶原质和高等植物中纤维素两者的生物功能，不溶于水、稀酸、稀碱及一般的有机溶剂，可溶于浓无机酸和一些特殊的有机溶剂。

由于甲壳素具有极强的生物活性及生物亲和性，脱酰后的甲壳质（即壳聚糖）具有相容性、粘合性、降解性及良好的成纤、成膜能力，已被广泛地应用于医药、纺织、化工、食品、生物技术等众多领域。

据日本、美国的多项专利介绍[5]，由壳聚糖纤维制得的手术缝合线既能满足手术操作时对强度和柔软性的要求，同时还具有消炎止痛、促进伤口愈合、能被人体吸收的功效，是最为理想的手术缝合线；壳聚糖纤维制造的人造皮肤，通过血清蛋白质对甲壳素微细纡维进行处理，可提高对创面浸出的血清蛋白质的吸附性，有利于创口愈合，在各类人造皮肤中其综合疗效最佳。

2.2.2合成高分子材料

合成高分子材料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因而可以植入人体，部分或全部取代有关器官。

因此，在现代医学领域得到了最为广泛的应用，成为现代医学的重要支柱材料[6]。

与天然生物材料相比，合成高分子材料具有优异的生物相容性，不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用，在人体环境中的老化不明显。

通过选用不同成分聚合物和添加剂，改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性，从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料。

目前，使用于人体植入产品的高分子合成材料包括聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚甲醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、硅橡胶和硅凝胶等。

应用场合涉及组织粘合、手术缝线、眼科材料（人工玻璃体、人工角膜和人工晶状体等）、软组织植入物（人工心脏、人工肾、人工肝等）和人工管形器（人工器官、食道）等。

2.3生物可降解高分子材料

随着大量高分子材料在各个领域的使用，废弃高分子材料对环境的污染有着日益加剧的趋势。

塑料是应用最广泛的高分子材料，按体积计算已居世界首位，由于其难以降解，随着用量的与日俱增，废塑料所造成的白色污染已成为世界性的公害[7]。

目前，处理高分子材料的一些老套方法如焚烧、掩埋、熔融共混挤出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性，给环境带来严重的负荷，因此开发环境可接受的降解性高分子材料是解决环境污染的重要途径。

生物降解高分子是指通过自然界或添加的微生物的化学作用，将高分子物质分解成小分子化合物，再进入自然的循环过程，这种方法简洁有效，而且对环境的保护有积极的作用[8]。

同时，随着高新技术的发展，生物降解高分子材料也满足了医学和农业及其他方面的需求，成为近年来研究的热点。

目前，应用最广，发展最快，研究最热的当推医用生物降解高分子材料，例如作为药物载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚乳酸、乳酸-己内酯共聚物、乙交酯-丙交酯共聚物和己内酯-聚醚共聚物等脂肪族聚酯类高分子，此外还有海藻酸盐、甲壳素、纤维素衍生物等天然高聚物。

用生物降解高分子材料制成胃肠道吻合套，可以改革现行手术的缝合或铆合过程，从而防止现行手术中经常发生的出血、针孔泄漏、吻合口狭窄和粘连等手术问题，还可大大缩短手术时间。

我国是农业大国，每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜、育秧钵及化肥包装袋等的用量很大。

可生物降解高分子材料可在适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料，或与有机废物混合堆积，其降解产物不但有利于植物生长，还可改良土壤环境。

现在开发使用的可生物降解农用地膜可在田里自动降解，变成动、植物可吸收的营养物质，这样不但减轻了环境的污染，还有益于植物的生长，达到循环利用的目的。

除此之外，开发的主要产品还有育苗钵、肥料袋和堆肥袋等[9]。

2.4先进复合高分子材料

当今材料技术的发展趋势一是从均质材料向复合材料发展，二是由结构材料往功能材料、多功能材料并重的方向发展，这种发展趋势造就了先进复合材料的迅速崛起与快速发展。

先进复合高分子材料是指以一种材料为基体（如树脂、陶瓷、金属等），加入另一种称之为增强（或增韧）材料的高聚物（如纤维等）复合成的高功能整体结构物[10]。

这种将多相物复合在一起，充分发挥各相性能优势的结构特征赋予了高分子复合材料广阔的应用空间。

目前高分子复合材料的发展和应用已进入世界科技和工业经济的各个领域，重点集中在航空航天、基础设施、沿海油气田和汽车的应用，与此同时，医用复合材料日益增长，成为近年来不可忽视的快速发展领域。

2.5智能高分子材料

智能高分子材料是指能够感知环境变化，通过自我判断和结论，实现指令和执行的新材料。

它在模仿生命系统中同时具有感知和驱动双重功能的材料，即不仅能够感知外界环境或内部状态所发生的变化，而且能够通过材料自身的或外界的某种反馈机制，实时地将材料的一种或多种性质改变，做出所期望的具有某种响应的材料，又称机敏材料。

其中环境刺激因素很多，如温度、PH值、离子、电场、磁场、溶剂、反应物、光或紫外光、应力和识别等，对这些刺激产生有效响应的智能聚合物自身性质会随之发生变化。

由于它具有反馈功能，与仿生和信息密切相关，其先进的设计思想被誉为材料科学史上的一大飞跃，已引起世界各国政府和多种学科科学家的高度重视。

下面介绍几种智能高分子材料：

2.5.1智能型凝胶

凝胶或称水凝胶为亲水性但不溶于水的聚合物，它在水中可溶胀至一平衡体积仍能保持其形状。

简单地说，凝胶就是由溶剂和高分子网络所组成的复合体系，与生物组织类似。

智能型高分子凝胶发展的基础为P．J．F1ory的凝胶溶胀理论，交联结构使之不溶解而保持一定的形状；渗透压的存在使之溶胀而达到平衡体积。

参加溶胀的推动力同分子链与溶剂分子之间的相互作用、网络内分子链之间的相互作用以及凝胶内外离子浓度差所产生的渗透压有关。

从体系的选择上看，国外大多采用合成聚合物或均聚物、接枝或嵌段共聚物、共混物、

IPN、高分子微球等作为PH值、温度、电场、光及葡萄糖浓度的响应体系。

高分子凝胶的溶胀可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料；循环提供的动力可用来设计“化学发动机”；网孔的可控性适于智能药物释放体系[11]。

2.5.2电流变流体材料

电流变流体材料是由具有较高介电常数的分散颗粒与具有较低介电常数的绝缘液体油形成的一类悬浮液。

它的电流变性能由加到流体系统的外部电压来控制。

电流变流体材料主要用于制作各种力学零件，只需改变电压就可实现机械传动与控制，如无级变速器，控制阀

门、刹车器、离合器；制作振动隔离系统，如发动机座、冲击阻尼器、避振减振装置。

用于研究胶体系统的传热和传质现象，开发双管热交换器和再生热交换器。

2.5.3智能药物释放体系

传统的低分子药物是以口服或注射等方式全身给药的，刚投入时，体内药物的浓度急剧增高，由于代谢作用浓度很快降低，所以必须大剂量反复的投药。

这样常常会引起许多副作用。

如果把低分子药物与高分子化合物结合起来，就可以将高毒的药物制成低毒的甚至无毒的制剂，可以使药物在指定的部位持续而稳定的发挥作用，或者减少药物的用量和给药次数，控制药物的吸收速度和排泄速度，维持体内所需要的浓度。

所以有关智能药物释放体系的研究非常活跃，特别是高分子抗癌药物的开发日渐增多。

如磁性微球制剂是国内外正在研究的一种新剂型。

这种制剂是将药物和磁性物质共同包埋于载体中，在外界磁场的作用下到达并固定在病变部位，使所含药物得以定位释放，集中在病变部位发挥作用，从而达到高效、速效和低毒的治疗效果，而磁性微球可定期安全地排出体外[11]。

3功能高分子材料研究创新性的辨证分析

开展新型功能高分子材料研究是立足于实验基础之上的一种自然科学研究。

辩证唯物主义认识论认为，认识是人脑对客观事物的能动的反映，这种能动作用表现为两个“飞跃”：

即由感性认识到理性认识的飞跃，由理性认识到实践的飞跃[12]。

因此，有人概括，科学研究就其本质或主要内容而言，就是探索未知的真理。

对于科学研究来说，要实现认识上的两个“飞跃”，关键在于正确运用自然科学方法论这一联系哲学和自然科学的纽带。

这样，才能既体现辩证唯物主义认识论的指导作用，又体现科学研究作为利用己有的自然科学知识和技能去发现和探索未知的领域的特殊性。

具体地说，研究总是从认识具体的物质、现象开始，由感性到理性，从已知到未知，进而通过实践，去运用己掌握的科学知识与发挥己有的实验技能（经验）并最终解决问题，达到预期的目标。

这里的“运用”、“发挥”等都要依据自然科学方法论。

例如，进行观察、实验；记录、处理实验数据；运用比较、分类、分析、综合等逻辑思维方法；运用假说，等等。

3.1功能高分子材料结构、性能和固化体系的辩证统一

形态结构与物理性能是功能高分子材料的两个基本属性，它们之间的联系复杂多样、相互制约。

一方面，结构决定性能。

功能高分子材料的形态结构错综复杂，结构不同，性能也不同，如晶态结构的弹性、拉力、韧性就不如非晶态结构。

而微观结构对性能的影响却是统计学上的综合表现，对其深入定量考察是目前研究的热点。

另一方面，性能又具有相对独立性，性能反映结构，又反作用于结构。

性能的反作用说明性能与结构之间是既相适应、又相矛盾的统一体。

相对保守的结构要支配控制性能，而相对活跃的性能在环境影响下的变异又反过来影响结构，引起结构变化，甚至突破原有结构的束缚。

两者的对立统一是功能高分子材料逐渐失效的原因所在，又是不断优化材料结构与性能的依据。

对功能高分子材料而言，在一定条件下，结构与性能的相互转化可通过改变固化条件来实现。

根据材料的形态结构，选择合理的固化条件可以获得所需的特定性能；同时，根据材料的已知性能，选择适当的固化条件又可以引起材料结构的变化。

在应用中，从结构决定性能、性能反映结构又作用于结构的基本原则出发，既可以根据已知对象的内部结构来推测预见对象的性能，也可以根据已知对象的性能来推测预见对象的结构，从而结合材料的需要，利用固化条件，或改变结构、或改变性能，实现人们充分利用和改造自然的目的。

3.2关于学科创造性逻辑思维的思考

在研究工作过程中，总结和借鉴前人的成功经验往往可收到事半功倍效果。

因此，在确定研究方向、制定研究方案以及实施研究计划的过程中，进行广泛的文献检索工作就显得极为重要。

如果能对相关文献进行深入分析，就可以把一个组成事物的各个方面及其影响因素暂时地分隔开来；详细地研究每个因素的作用规律，再把它们有机地联系和综合起来，进行横向类比、演绎，从而得到各个因素之间相互作用的机理及其内在原因，并寻找理论上的缺陷或不足。

这种继承式的学习与逻辑分析过程，有可能能动地激发自己的好奇心和进取心，进而对现有的知识与经验提出批判，不受传统科学观念和理论的束缚，敢于合理地对陈旧理论进行质疑，向传统科学观念和理论挑战。

在科技史上，只有敢于冲破旧传统的束缚，敢闯科学“禁区”的人，才可能做出开拓性的成就。

探索源于“疑”，质疑是探索的起点，不断质疑而释疑，就是创新的过程。

一种新的学说代替旧的错误的学说，常常产生于“疑”。

李四光不对“中国贫油论”产生怀疑，哪能为祖国找到大油田？

童第周不对摩尔根的“基因学说”进行新的探索，就不可能在发育生物学上取得重大突破。

科学上的质疑有时要面对风险，哥白尼、布鲁诺、伽利略等科学家敢冒被愚昧偏见扼杀之险，为了科学，不怕坐牢，甚至献出自己的生命。

牛顿、达尔文、居里夫人、李时珍、詹天佑、李四光等科技史上一个个闪光的名字，都是敢于冲破世俗、独辟蹊径、“异想天开”、敢想敢干者。

科学的本质在于创新。

要创新，就必须富有创造性思维能力。

创造性思维表现为：

善于摆脱逻辑思维的束缚，借助直觉洞察研究方向和选择课题；善于打破思维定势，诱发灵感捕捉机遇；善于摈弃已有认识模式，运用想象标新立异；善于转换思路，对问题进行发散思维，特别是逆向思考；善于对事物进行联想和类比，从中启迪思想；善于在极不相同的事物间发现共同点，在极为相似的事物间寻求不同点；善于在事物的多样性中寻求高层次的和谐与统一；善于综合运用各种方法处理问题，等等。

创造性思维是现代科研选题的思维特点。

这种思维和能力，贝弗里奇称为“科学鉴赏力”，有的科学家称为“战略直觉力”，用双螺旋结构的发现者沃森的话来说，“这是一种不合乎逻辑的方式”。

爱因斯坦也说过，提出新问题，从新的角度去看旧的问题，需要创造的想象力。

在科学史上，“看不到要完成的是一个伟大的发现而恰恰又在完成它，处在这种情况的探索者人数之多，简直是不可想象的”。

由此可见，一个伟大的科学创新家之所以伟大，重要的一点就在于他懂得什么是值得研究的问题；当科学正在酝酿着重大突破时，他独具慧眼，能及时选中突破口；或突破口初露端倪，他能迅速识别和捕捉。

4结语

创新是科学的灵魂。

科学的本质就在于不断地发现，不断地创新。

从结绳记事到当代电脑，从钻木取火到核电站，从驯化动物到克隆技术，从对宏观低速物质运动的直观认识到量子力学对微观客体的波函数统计描述，科学一如既往地在不断创新中前进。

一部科学史，就是不断发现新现象，揭示新规律，确立新理论，创造新方法的历史，正如路甬祥所说：

“科学有无止境的前沿，世界没有穷极的真理，创新精神是科学精神的应有之义”。

人类对自然界的认识是个无限发展的过程。

科学研究既然是对未知领域的探索，若没有形象思维来冲破外部约束或内部定势，提出各种假设、猜想、设想和方案，就难以在科学认识上取得新的突破。

通过有意识的、自觉的持续思考去激发和诱导不自觉、下意识的潜流，借助逻辑思维的方法去捕捉非逻辑思维的思想火花。

因此，在研究工作中要留心灵感，敏锐地觉察其与众不同之处，紧紧地抓住，深入研究，直到揭开奥秘。

参考文献

[1]潘才元.功能高分子[M].北京：

北京科学出版社，2006.

[2]卢崇考.高分子功能材料及在传感器中的应用——高分子功能材料种类和功能（连载一）[J].传感器技术.1997,16

（1）:

60-64.

[3]封伟，项昱红，韦玮.π-共轭导电高分子材料的研究进展及存在问题[J].化工新型材料，1998，6：

13-18.

[4]汤顺清，周长忍，邹翰.生物材料的发展现状与展望[J]暨南大学学报（自然科学版），2000，21（5）：

122-125.

[5]日本功能纺织材料新进展[J].徐鹏译.国外纺织技术，2002，202:

1-9.

[6]凤兆玄，戚国荣.医用高分子杭州[J].浙江大学出版社,1989.

[7]王周玉等.可生物降解高分子材料的分类及应用[J].四川工业学院学报，2003，145（3）：

145-147.

[8]倪秀元等．可生物降解的高分子材料[J]．自然杂志，1997，20（6）：

339-341.

[9]吴卫霞等.生物降解高分子材料的研究现状及应用前景[J].油气田环境保护,2005,15

（1）:

40-43.

[10]植村益次.高性能复合材料最新技术[J].北京：

中国建筑工业出版社，1989.

[11]滕进丽.智能高分子材料的进展[J].山东省农业管理干部学院学报，2006，22（5）：

164-171.

[12]吴延涪.自然·科技·辩证法[M].北京：

化学工业出版社，1993.