高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万，所含原子数目一般在几万以上，而且这些原子是通过共价键连接起来的。高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫线型高分子(如聚乙烯的分子)。如果高分子化合物中的原子连接成网状时，这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构，所以也叫体型高分子。
生活中的高分子材料很多，如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。下面就以塑料和纤维素举例说明。
一、生活中常见的高分子材料——塑料
塑料是一种合成高分子材料，又可称为高分子或巨分子，也是一般所俗称的塑料或树脂，可以自由改变形体样式。是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、剂、色料等添加剂组成的，它的主要成分是合成树脂。
塑料主要有以下特性：①大多数塑料质轻，化学性稳定,不会锈蚀；②耐冲击性好；③具有较好的透明性和耐磨耗性；④绝缘性好，导热性低；⑤一般成型性、着色性好，加工成本低；⑥大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；⑦尺寸稳定性差，容易变形；⑧多数塑料耐低温性差，低温下变脆；⑨容易老化；⑩某些塑料易溶于溶剂。塑料的优点1、大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。2、塑料制造成本低。3、耐用、防水、质轻。4、容易被塑制成不同形状。5、是良好的绝缘体。6、塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。塑料的缺点1、回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。2、塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。3、塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。
塑料的结构基本有两种类型：第一种是线型结构，具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物；第二种是体型结构，具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。线型结构（包括支链结构）高聚物由于有独立的分子存在，故有弹性、可塑性，在溶剂中能溶解，加热能熔融，硬度和脆性较小的特点。体型结构高聚物由于没有独立的大分子存在，故没有弹性和可塑性，不能溶解和熔融，只能溶胀，硬度和脆性较大。塑料则两种结构的高分子都有，由线型高分子制成的是热塑性塑料，由体型高分子制成的是热固性塑料。塑料的应用：透明塑料制成整体薄板车顶。薄板车顶的新概念基于透明灵活的聚碳酸酯或硅树脂材料，可以被永久性地塑造成单个的聚碳酸酯薄板，也可作为可折叠铰链和封条。拜耳材料科技研发的原型总共配备了四个灵活的薄板部件，形成了四扇“顶窗”，每扇窗都可单独打开和关闭。导轨用于连接薄板部件，形成一个牢固、透明的聚碳酸酯车顶外壳。一个同样透明的管子沿车顶结构中央纵向放置，在“顶窗”打开后用来调节折叠薄板。这样可以形成三维立体结构，组件比平坦的薄板更加牢固。同时也大大降低了单个组件的数量。
二、生活中常见的高分子材料——纤维素
纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上。纤维素是自然界中存在量最大的一类有机化合物。它是植物骨架和细胞的主要成分。在棉花、亚麻和一般的木材中，含量都很高。
纤维素的结构：纤维素是一种复杂的多糖，分子中含有约几千个单糖单元，即几千个（C6H10O5）；相对分子质量从几十万至百万；属于天然有机高分子化合物；纤维素结构与淀粉不同，故性质有差异。
高分子化学灌浆材料作为新的工程技术，可将浆液注入需要工程需要修补的位置，浆液发生化学反应后，转变为高度聚合物，从而起到加固作用，使整个工程融为一体，避免发生渗水、漏水等不良现象。灌浆材料自身具有显著特点，能够起到很好的堵漏效果，因此应用领域十分广泛，比如隧道开凿、大坝加固以及混凝土缺陷修复等工程。高分子灌浆材料的应用，提高了各种工程的建筑质量，可有效避免质量事故的发生。本文通过高分子化学灌浆材料具有的特征，对防渗堵漏工程采用的化学灌浆材料和工艺进行了简单介绍，并举例说明此技术的防渗堵漏效果。
一、简述高分子化学灌浆材料的特点
化学灌浆材料按照用途、目的，主要有两种，类型，一种是补强固结灌浆材料，比如甲基丙烯酸酯类和环氧树脂类都属于补强固结型的灌浆材料；另一种是防渗堵漏灌浆材料，比如木质素类和丙烯酰胺类都属于防渗堵漏类型的灌浆材料。化学灌浆材料具有比较明显的特点，如较好的可灌性、粘度地，防水性能显著，充填严密，渗透能力较强，灌浆材料固结之后具有很强的硬度，能自由调节固化时间，确保灌浆能够顺利完成。
二、混凝土防渗堵漏工程常用的化学灌浆材料及工艺流程
1、混凝土防渗堵漏工程的常用化学灌浆材料
1.1中化-798灌浆材料
目前，环氧-糠醛-丙酮体系在混凝土建筑中得到了广泛应用，主要目的便是加固、补强。稀释剂用量的不断增加，在一定程度上降低了灌浆材料的固结性能，从而对灌浆质量带来较大影响。在中化-798灌浆材料的组成基础上，辅的加上YDS复合增强剂以及改性剂D，可以使羧基化合物被活化，从而和环氧树脂发生固化反应。
1.2聚氨酯类灌浆材料
聚氨酯灌浆材料具有防渗堵漏、加固的作用，其突出特点是能够与水在任何条件下进行反应、固化，其固结体有多种形态，如延伸性强的橡胶体、硬性好的塑胶体等。聚氨酯灌浆材料的优势很明显，比如材料活性比较大，固结体强度大以及弹性好等，因此被广泛应用在各个领域。按照溶剂不同，可将其分为两类：一类是油溶性聚氨酯，由于其固结体抗压强度科达到10MPa，渗透系数十分高，因此常被用在防渗堵漏或者地基加固工程中。另一类是水溶性聚氨酯，其渗透力强，包水量大，可用于堵涌水、地表防护等。
1.3丙烯酰胺灌浆材料
即丙凝，此灌浆材料浆液粘度不大，在凝胶前粘度处于恒值；具有很强的渗透性，能融入0.1mm以内的裂缝中；具有很好的可变性及弹性；凝胶体的抗渗能力很强，渗透系数达到10-10cm/s，抗压强度比较低，对材料配方的要求比较小；可以按照工程需求，对其凝结时间进行自由控制，适用于含水工程当中，发挥防渗堵漏的作用。
1.4单宁类灌浆材料
单宁类灌浆材料的主剂是凝缩烤剂，溶剂为水。单宁类灌浆材料的舌渗透性较高，可根据实际情况调整固化时间，凝胶体制作方便、无毒，且性质较稳定。固结强度最高可达18.5MPa，不仅可以起到防渗堵漏的效果，还能够补强、加固。
2、混凝土防渗堵漏工程的工艺流程
防渗堵漏工程采用高分子化学灌浆材料的工艺流程较多，比如现场缺陷调查、凿缝、清理缝隙、布孔埋管、封缝、灌浆以及封闭浆孔。
①调查现场情况。化学灌浆开始之前，工作人员要对现场情况进行仔细调查，对地质条件、裂缝原因、渗漏情况等要有足够的了解，在获得足够资料的情况下，再开始施工。将裂缝附近的渗漏水清理干净，干燥之后对裂缝的具体资料进行测量，便于施工等尺或。采用钢尺或者其他工具对裂缝宽度进行仔细测量，用钢丝或者放大镜对裂缝深度进行精确测量。当裂缝处于混凝土结构的重要位置时，要钻孔取样，在室内试验之后确定裂缝的走向、深度。如果地质条件比较复杂，则需要钻孔电视、超声波以及钻孔摄像等技术获取所需资料。②开凿裂缝。清理裂缝周边的砂浆，然后将裂缝处理为U型槽，深度值要根据实际情况而定，一般在4～9cm之间；根据漏水混凝土数量的实际情况确定宽度，通常情况下在4cm左右。③清理缝隙。清除干净槽内的残留物，使槽内环境保持干燥，尽量避免残留杂物或者有水。④布孔、埋管。布置注浆孔于裂缝的两边，将长度适中的注浆管预埋在布置注浆孔的位置，布置注浆孔时，其数量多少要符合裂缝越宽、间距越大的原则，每条缝至少有2个注浆孔。⑤封闭裂缝。注浆管填埋好以后，再用水泥水玻璃混合浆液浸入缝隙，保证其没有空隙，最后用混凝土砂浆把裂缝顶部抹平，确保其不会漏水。⑥浇灌浆液。正式操作之前，要将灌浆材料的性能调整到最佳状态，然后用注浆泵将其灌到裂缝内部。⑦封闭注浆孔。灌浆完成后，切除多余的注浆管，修正其表面。
等防渗堵漏工程结束之后，要对施工质量进行全面检查。比如表观检查法，在工程完成后，对灌浆位置进行查看，确定其补灌混凝土结构符合要求，从而确定补灌质量。也可采用盖帽灌溉法，注浆管埋好18h后，在注浆管头上盖上胶管套并固定住，观察两边是否存在漏水现象，就可以准确判断封缝的质量。
三、高分子化学灌浆材料在混凝土防渗堵漏工程的应用
1、高分子化学灌浆材料在某地铁防渗堵漏工程中的应用
2012年，某地铁管理处对7.4km的洞体渗漏情况进行了仔细调查，其中42处存在渗漏情况，漏水严重的位置达到15处。受到地铁隧道严重渗漏水情况的影响，地铁运行环境不断恶化，钢轨锈蚀严重，轨道和地面的绝缘值降低，导致信号传送逐渐失效，对行车安全带来很大的威胁。因此，某地铁管理处和有关专家对此情况进行了分析研究，选择氰凝和丙凝作为主要灌浆材料，对裂缝位置进行了有效处理，从而保证了地铁列车的安全运行。具体施工工艺为：用真空泵吸除渗漏水，以降低裂缝部位的水压值，然后将裂缝开凿为U型槽，按照操作流程预埋注浆管，最后用水泥砂浆抹平U型槽。由于地铁是地下工程，灌浆时要注意通风。
2、高分子化学灌浆材料在某大坝坝基中应用
低渗透介质灌浆理论在实践中取得了很大进展，中化-798灌浆材料可以充分渗透泥化夹层。某大坝坝基进行灌浆操作时，选择了中化-798，它可以渗透K值在10-6～10-8cm/s之间的软弱夹层，固结之后，软弱夹层的硬度有很大提高，十分坚硬，压缩强度最大为33.4MPa，而变形模量最高可以达到120GPa，在保证灌浆质量的同时还能够节省工程投资。
四、结束语
高分子化学灌浆材料不仅方便、简单，还能够起到很好的防渗堵漏、补强、加固的作用。在防渗堵漏工程中采用的防渗堵漏材料虽然有很好的水溶性，但其强度较差；补强固结材料虽然有很大的强度，但水溶性又难以满足要求，因此根据工程需要，采用多种材料，可发挥其各自的优势，为工程质量服务。
参考文献：
人类从一开始即与高分子有密切关系， 自然 界的动植物包括人体本身，就是以高分子为主要成分而构成的，这些高分子早已被用作原料来制造生产工具和生活资料。人类的主要食物如淀粉、蛋白质等，也都是高分子。只是到了 工业 上大量合成高分子并得到重要应用以后，这些人工合成的化合物，才取得高分子化合物这个名称。但提到合成高分子材料（聚合物）的应用与发展，人们在想到它们极大地方便我们的生活的同时，很多人会想到“白色污染”，甚至将水污染、大气污染等各种环境问题的产生怪罪于高分子，这说明他们对高分子并不十分了解。当今社会高分子的功用无处不在，而人们认识高分子时，往往忽略了它带给人类生活的巨大变化和种种利益，不了解它为人类文明做出的贡献是巨大的。
一、高分子化学的内涵
1．何为高分子化学
顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的 科学 ，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定 规律 重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。
2．高相对分子质量与高强度
相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。
3．高分子科学的主要内容
既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连
接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。
二、高分子材料化学的应用
材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识 经济 社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。
第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。
第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。
第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。
三、高分子化学与高科技的结合
当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息 发展 的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足 计算 机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械 工业 等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。
随着生产和 科学 技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。
第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹性功能材料，如热塑性弹性体等。
第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。
第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以预计，在今后很长的 历史 时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。
四、高分子化学的可持续发展
研究高分子合成材料的环境同化，增加循环使用和再生使用，减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染，也是21世纪中高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成，探索用前面提到的化学或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子来处理污水和毒物，研究合成高分子与生态的相互作用，达到高分子材料与生态环境的和谐等。显然这些都是属于21世纪应当开展的绿色化学过程和材料的研究范畴。
顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。
2．高相对分子质量与高强度
相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。
3．高分子科学的主要内容
既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连
接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。
二、高分子材料化学的应用
材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。
第二，纤维：人们开发出聚酯、尼龙、腈纶、维尼纶等高分子化合物，通过不同的加工，生产出了各种纤维制品，极大地满足着人类的需要。
第三，橡胶：天然橡胶的种类和品质都受到很大的限制，于是科学家们不断开发出了各种人造橡胶，如丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶等。
第四，精细化工：比如使得我们的世界变得丰富多彩的各种涂料产品，如家具漆、内外墙乳胶漆、汽车漆、飞机漆等。女孩子用的指甲油，使牙齿变白的增白剂也都是涂料。还有万能胶、建筑用胶、医用胶、结构胶等黏合剂，以及各种吸水树脂等都是高分子产品。
三、高分子化学与高科技的结合
当今社会，人们将能源、信息和材料并列为新科技革命的三大支柱，而材料又是能源和信息发展的物质基础。自从合成有机高分子材料的那一天起，人们始终在不断地研究、开发性能更优异、应用更广泛的新型材料，来满足计算机、光导纤维、激光、生物工程、海洋工程、空间工程和机械工业等尖端技术发展的需要。高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。
随着生产和科学技术的发展，许多具有特殊功能的高分子材料也不断涌现出来，如分离材料、光电材料、磁性材料、生物医用材料、光敏材料、非线性光学材料等等。功能高分子材料是高分子材料中最活跃的领域，下面简单介绍特种高分子材料：功能高分子是指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做出相应反应的高分子材料；高性能高分子则是对外力有特别强的抵抗能力的高分子材料。它们都属于特种高分子材料的范畴；特种高分子材料是指带有特殊物理、力学、化学性质和功能的高分子材料，其性能和特征都大大超出了原有通用高分子材料（化学纤维、塑料、橡胶、油漆涂料、粘合剂）的范畴。
第一，力学功能材料：强化功能材料，如超高强材料、高结晶材料等；)弹材料，如热塑性弹性体等。
第二，化学功能材料：分离功能材料，如分离膜、离子交换树脂、高分子络合物等；反应功能材料，如高分子催化剂、高分子试剂；生物功能材料，如固定化酶、生物反应器等。
第三，生物化学功能材料：人工脏器用材料，如人工肾、人工心肺等；高分子药物，如药物活性高分子、缓释性高分子药物、高分子农药等；生物分解材料，如可降解性高分子材料等。
可以预计，在今后很长的历史时期中，特种与功能高分子材料研究将代表了高分子材料发展的主要方向。
四、高分子化学的可持续发展
研究高分子合成材料的环境同化，增加循环使用和再生使用，减少对环境的污染乃至用高分子合成材料治理环境污染，也是21世纪中高分子材料能否得到长足发展的关键问题之一。比如利用植物或微生物进行有实用价值的高分子的合成，在环境友好的水或二氧化碳等化学介质中进行化学合成，探索用前面提到的化学或物理合成的方法合成新概念上的可生物降解高分子，以及用合成高分子来处理污水和毒物，研究合成高分子与生态的相互作用，达到高分子材料与生态环境的和谐等。显然这些都是属于21世纪应当开展的绿色化学过程和材料的研究范畴。
参考文献：
[1]冯新德.展望21世纪的高分子化学与工业[J].科学中国人,1997,(11)
文章编号：1005－6629(2008)05－0050－04中图分类号：TQ170文献标识码：E
20世纪20年代~50年代，德国学者W.Osywald从分类学的角度提出了以机械方式诱发化学反应的学科―机械力化学（mechanochemisty）。1962年奥地利学者K.Peters在第一届欧洲粉碎会议上首次发表了题为《机械力化学反应》的论文，把机械力化学定义为：“物质受机械力的作用而发生化学变化或者物理化学变化的现象”。如今，机械力化学被认为是关于施加于固体、液体和气体物质上的各种形式的机械能―如压缩、剪切、冲击、摩擦、拉伸、弯曲等引起的物质物理化学性质变化等一系列的化学现象。如研磨HgCl2时观察到少量Cl2逸出，粉碎碳酸盐时有二氧化碳气体产生，石膏细磨时脱水，石英受冲击后无定形化等，这些都是典型的机械力化学反应。
1 机械力化学效应
机械力化学效应是通过对物质施加机械力而引起物质发生结构及物理化学性质变化的过程。在机械力的不断作用下，起始阶段主要是物质颗粒尺寸的减小和比表面积的增大，但是达到一定程度后，由于小颗粒的聚集而出现粉磨平衡，但并不意味着粉磨过程中粉体的性质不变，事实上它会发生诸多的机械力化学效应。
1．1 晶体结构的变化
在超细粉碎过程中，随着机械力的持续作用，矿物的晶体结构和性质会发生多种变化，如颗粒表面层离子的极化变形与重排，使粉体表面结构产生晶格缺陷、晶格畸变、晶型转变、结晶程度降低甚至无定形化等。例如
γ-Fe2O3α-Fe2O3
石英 硅石
晶型转变是压力和剪切力共同作用的结果。它使物质不断吸收和积累能量，提供了晶型转变所需的热力学条件，产生晶格形变和缺陷，使之向产物结构转变。
1．2 物质物理化学性质的变化
机械力作用引起物质颗粒细化、产生裂纹、比表面积增加等。这些变化最终会引起物质的分散度、溶解度、溶解速率、密度、吸附性、导电性、催化性、烧结性、离子交换能力和置换能力、表面自由能等理化性质的改变。如粘土矿物经过超细磨后，可产生具有非饱和剩余电荷的活性点，导致高岭土的离子交换容量、吸附量、膨胀指数、溶解度、反应能力等都发生了变化。
1．3 机械力化学反应
机械力的作用可引起物质化学键的断裂，生成不饱和基团、自由离子和电子，产生新的表面，造成晶格缺陷，使物质内能增高，处于一种不稳定的化学活性状态，并使许多在常压、室温条件下不能发生的反应成为可能。根据原料的状态可以将反应体系划分为固-固、固-液、固-气三大类。
1．3．1 固-固反应体系
固-固反应体系可以分为以下几种类型
（1）金属与金属氧化物、氯化物之间的固态化学反应。
Me+Me'O(Cl、S)MeO(Cl、S)+ Me'
已研究过的反应体系有：Ag2O/Al，Cr2O3/Zn，ZnS/Al，NiCl2/Mg等。
（2）金属与C、Si、B之间的化学反应，生成高温化合物相。
Me+XMeX
（3）金属与陶瓷之间的化学反应。
Me+X1X2MeX1+MeX2
如Ti+Si3N4TiN+TiSi2
（4）金属氧化物之间的化合反应。
MeO+Me'O MeMe'O
如Fe2O3+MeOMeFe2O3（Me=Zn、Ni、Cu、Mg等）
（5）纯金属间的放热化学反应。如Al/Ni、Al/Ti等反应体系。
（6）化合物之间的固态化学反应。如
ZrCl4+2CaOZrO2+2CaCl2
1．3．2 固-液反应体系
如NiS+H2O=NiO+H2S
固-液反应系统主要是金属与有机溶剂之间的化学反应。液相反应剂一般是含碳或含氮有机物，如庚烷、苯胺等，通过反应可以生成金属碳化物或氮化物粒子。
1．3．3 固-气反应体系
如3SiO2+4N22α-Si3N4+3O2
固-气反应仅适合于活性高、氮化或碳化反应焓很高的体系。一般可选择氮气、分解氨、氨气作为氮源。
2 机械力化学的作用机理
机械力化学反应历程可由图1表示
从图中可看到：无机械力作用时，反应只以很小的速度进行，引入机械作用后，反应迅速增强并随后达到稳态，停止机械作用后，反应速度迅速下降。影响机械力化学反应历程的因素很多，各种因素间的相互作用，加之研究手段不全面，关于机械力化学的机理尚没有一个统一的界定，目前主要有以下几种理论。
（1）等离子体模型。Thiessen等认为，机械力作用导致晶格松弛与结构裂解，激发出高能电子和等离子区。一般的热化学反应温度在高于1000℃时，电子能量也不会超过4eV，即使光化学的紫外电子的能量也不会超过6eV。而机械力作用下，高激发状态诱发的等离子体产生的电子能量可超过10eV，因此机械力化学有可能进行通常情况下热化学所不能进行的反应，使固体物质的热化学反应温度降低，反应速度加快。
（2）固态合成反应模型。席生岐等从扩散理论出发，分析了高能球磨过程中的扩散特点，提出了固态合成反应模型并进行分析计算，结果表明：高能球磨过程中固态反应能否进行，取决于体系在球磨过程中能量升高的程度，而反应完成与否受体系中的扩散过程控制，即受制于晶粒细化程度和粉末碰撞温度。一方面由于颗粒在超细磨过程中，被强烈塑性变形，产生应力和应变，颗粒内产生晶格缺陷和晶形转变、非晶化，能显著降低元素的扩散激活能, 使得组元间在室温下可显著进行原子或离子扩散，颗粒不断冷焊、断裂、组织细化，形成了无数的扩散-反应偶；另一方面，因颗粒表面化学键断裂而产生不饱和键、自由离子和电子等原因，导致晶体内能增高，物质内部迅速发展的裂纹使其顶端温度和压力增高，最终导致物质反应的平衡常数和反应速度常数显著增大。应力、应变、缺陷和大量纳米晶界、相界的产生使系统储能很高，提高了粉末活性，从而有可能引起纳米尺寸下的固相反应，有时甚至可以诱发多相化学反应。
（3）热点理论。机械力作用在固体颗粒上造成的弹性应力是机械力化学效应的重要因素，弹性应力能引起原子水平的应力集中，一般由此而改变原子间的结合常数，从而改变它们本来的振动频率，也改变了原子间距和价键角度，结果改变了化学结合能，使反应能力增大。弹性应力还可引发驰豫，由此形成激化的振动状态可导致化学反应的发生，这种能量在应力点以“热点”的形式出现。虽然宏观温度一般不会超过60℃，但局部碰撞点的温度要远高于60℃，这样的温度将引起纳米尺寸的化学反应，在碰撞点处产生极高的碰撞力，高达3.30GPa~6.18GPa，如此高的碰撞力有助于晶体缺陷和畸变的扩散以及原子的重排，所以局部碰撞点的升温可能是导致机械力化学反应的一个促进因素。
3机械力化学效应的应用
3．1矿物活化与改性
矿物机械活化是指机械作用使矿物局部形成晶格畸变，发生位错，使晶格点阵中粒子排列部分失去周期性，形成晶格缺陷，导致晶格内能增高，表面改性、反应活性增强，以便于矿物浮选富集和提取，从而改善浸出过程。如细磨使铜、铅与锌的分选效率显著提高；氟磷灰石 Ca5F(PO4)3 经机械活化后，氟杂质与混入的SiO2发生机械力化学反应，约有80%的氟以 SiF4 的形式挥发掉，在柠檬酸溶液中的溶解率达到85%，这种脱氟的磷矿石可用作优质的化学肥料。球磨CuFeS2和CuO混合物可形成CuSO4，只要经过水洗，就可以将矿物中的纯铜分离出来。
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机械力化学改性则采用搅拌、冲击、研磨等机械作用使改性剂在被改性的颗粒表面均匀分布包覆，并使颗粒与改性剂之间发生化学作用，以增加它们之间的结合力，从而改变矿物粉体颗粒的表面状态，达到改性的目的。吴辉等以气流磨所产生的超音速气流作为机械力，对硅酸盐矿物硅灰石与硬脂酸进行超细粉碎表面改性。当硅灰石粉碎时,晶体裂开并发生如下变化
2Ca3[Si3O9] Ca3[Si3O9]++Ca3[Si3O9]-
而硬脂酸在粉碎过程中则发生如下变化
CH3(CH2)16COOHCH3(CH2)16COO-
+H+
由于硅灰石与硬脂酸的粉碎、断键是在同一时间同一粉碎腔内进行的，故可能发生如下反应
Ca3[Si3O9]++CH3(CH2)16COO-CH3(CH2)16COOCa3[Si3O9]
经改性后的硅灰石由亲水性变为疏水性，把它添加到高分子材料中，增加矿物与有机高分子材料的相容性，提高矿物粉料在高分子材料中的分散程度，改善工艺加工条件和制品的性能。
3．2 合成纳米材料
机械力化学法制备纳米材料可采用常用的化学原料，具有工艺简单、成本低、易于工业化等特点，是一种具有广阔应用前景的纳米材料制备方法。
如钛酸钡陶瓷具有良好的介电性能，是电子陶瓷领域应用最为广泛的材料之一。传统的钛酸钡合成方法是用BaO或BaCO3和TiO2经高温灼烧（≥900℃）而成， 粒度大、不均匀，难以制备纳米粉体材料。吴其胜等采用高能球磨BaO，锐钛矿型TiO2混合粉体（在氮气保护下），机械力化学法合成了纳米晶BaTiO3，反应式为
BaO+TiO2BaTiO3
反应过程分三个阶段进行：粉磨初期为无定形形成期（0h~15h），混合物颗粒粒度减小，晶格畸变，转变为无定形，并可能形成BaTiO3晶核；粉磨中期为固相反应期（15h~30h）， BaO与TiO2在机械力作用下产生固相反应生成BaTiO3，同时BaTiO3晶粒长大；粉磨后期为动态平衡期（30h以后），此时，固相反应基本结束，晶粒成长与粉磨引起的晶粒减小处于动态平衡，由此得到颗粒尺寸为10nm~30nm的BaTiO3。
采用球磨金属氯化物和Na、Mg等还原剂的方法可制备纯金属纳米材料和合金纳米材料，已制得的体系有Fe、Ni、Co、Cu和Fe-Cu合金。
近几年来，把金属与陶瓷(如纳米氧化物、碳化物等)通过机械力复合在一起，已获得具有特殊性质的新型纳米复合材料。Nicholas 等采用机械力化学原理制备Al2O3基TiC、TiN等纳米复合材料，反应式分别如下
1.5TiO2+2Al+1.5C1.5TiC+Al2O3
1.5TiO2+2Al+0.75N21.5TiN+Al2O3
制得的复合粉末经1000℃退火1h、热压成型制备纳米复合材料，其硬度达19GPa~30GPa，Al2O3晶粒尺寸为30nm~50nm，钛相为25nm~50nm。
3．3 合成高分子材料
机械力化学在有机高分子合成中的应用主要有3个方面：高分子聚合、高分子缩合及无机材料表面接枝高分子聚合物。
（1）高分子聚合。机械力化学在高分子聚合中可代替引发剂引发聚合反应。一般的高分子聚合中往往要加入引发剂，作用是在外因作用下首先发生分解或氧化还原产生自由基或正负离子，引发单体聚合。Oprea等用实验证实不用任何引发剂或催化剂，就可以用振动磨将丙烯腈单体制得聚丙烯腈高聚物。主要原因是在机械力及单体的腐蚀作用下，设备表面的金属产生活化作用并产生金属细末，参与聚合物的合成；另一方面金属活化过程中产生激发电子，使得已被振动磨部分活化的聚丙烯腈生成自由基和负离子，可引发其他丙烯腈高分子的聚合。
（2）高分子缩合。高聚物在机械力作用下，键可发生断裂，生成大分子自由基，这时若遇合适的小分子，可发生高分子缩聚。Christofor Simionescu等用超声波使聚对苯二甲酸乙二酯和乙二胺通过机械力化学缩聚形成聚酯-聚酰胺碎片，然后与三价V3+作用，形成以三价钒为中心的复合物。
（3）高聚物接枝。现代新技术的发展对高分子材料提出了更高的要求，如耐高温、导热导电、防辐射、具有铁磁性等，解决这一问题的方法之一就是在高分子中引入无机物。把无机材料和高聚物一起研磨，通过机械力化学作用，高分子聚合物可发生裂解、环化、离子化、异构化等化学变化，无机材料表面产生晶格畸变和缺陷，表面自由能增大，引起化合键断裂和重组，可以在新鲜断裂表面出现不饱和键和带正电和负电的结构单元，这样聚合物链键断裂产生的游离基或正负离子遇到无机材料经机械力活化产生的新鲜表面，就可能形成接枝高聚物。
无机材料的高聚物接枝改性方法有两种：一种是将无机材料与聚苯乙烯、聚丙烯等高聚物一起研磨；一种是将无机材料与单体研磨共聚，如在苯乙烯单体中研磨碳酸钙。这两种方法都能得到疏水性极好的无机粉体，在涂料与塑料工业中得到广泛应用，效果良好。
3．4有毒废物降解
采用机械力化学方法处理有毒废物，有可能开发出在常温、常压下处理剧毒物的新方法，使有毒废弃物能就地得到及时有效处理，避免其长期堆放污染环境。如难处理的有机氯合物，如PVC、多氯联苯、DDT等。机械力化学法不仅可破坏它们的结构，还可诱发它们和CaO或其他合适的反应剂之间的化学反应，形成无毒的无机氯化物。许多塑料制品经机械力化学处理后，发生机械力化学分解，聚合度可下降80%。通过高能量机械力的作用还可破坏蛋白质的高分子结构，从而使它能从废液中较快地沉降下来，便于焚烧处理。用机械力化学法处理含镉废水可使镉的还原速率加快数倍。
4 展望
机械力化学理论的提出已有数十年时间了，但由于实验条件的不可比性，使得难以归纳总结上升到更高的理论层次；另外，人们的工作多限于针对某一现象或某一应用课题的研究，却少有关于各种机械力化学现象背后普遍规律的探讨；机械力化学法通常需要长时间的机械处理，能量消耗大，研磨介质的磨损，还会造成对物料的污染。因此，设计新的高效机械活化设备，以最小的能耗获得最大活化效果也是值得研究的课题。可以预见，随着研究的深入，机械力化学将具有广阔的工业应用前景。
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中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）46-0053-02
随着高分子材料在日常生活和生产中的广泛应用，高分子科学作为一门交叉学科，渗透到各个领域与学科，企业和社会对高分子专业的人才需求越来越大。然而，国内开设高分子专业的高校毕竟有限，远远不能满足社会的需求。为了满足社会和企业对高分子专业人才的需求，许多非高分子专业的相关专业为了提高学生的综合能力，满足社会对高分子专业人才的需求，开设一部分高分子方面的专业课。然而，由于学时有限，非高分子专业在开设高分子方面专业课时，往往将相关的两门或多门高分子专业课糅合在一起，一方面，在不影响其他专业课学时的同时，使该专业的学生学习和掌握了一定的高分子方面的知识；另一方面，提高了学生的综合专业能力，以满足社会和企业的需求。《高分子化学与物理》课程是很多高校的非高分子专业为了满足社会需求所开设的一门综合性高分子课程，它是将高分子专业的《高分子化学》与《高分子物理》进行糅合，主要讲述高分子的基本理论和应用，内容比较抽象，概念繁多，课程的学时数又较少，这使得授课的内容和讲授方式的选择尤为重要。通过近五年的不断改革和实践，笔者积累了一定的教学经验，取得了较满意的教学效果，本论文将近年来在高分子化学与物理教学过程的体会与非高分子专业的教师进行探讨。
一、根据教学对象，安排教学内容
《高分子化学与物理》是针对非高分子专业的本科生开设的一门高分子课程，非高分子专业的本科生对高分子方面的知识完全陌生，要使他们在没有基础的情况下，理解并掌握比较抽象的链段、分子链的柔顺性、均方末端距、高斯链、等效自由连接链和液晶等概念，教学的效果很难想象。因此，如何使教学内容由简入难、由相识到陌生、由具体到形象，这就要求教师根据所讲授对象的特点，选定教学内容。东北石油大学化学化工学院应用化学专业和化学专业均开设了《高分子化学与物理》专业课，学时数均为48学时，只有理论，没有实验，安排的学期均在大学三年级下学期。由于两个专业前期学习的专业课不同，学生的基础知识掌握也不尽相同，虽然两个专业的学生均学习了《有机化学》、《物理化学》等基础课程。然而应用化学专业的学生在学习这门课程之前，还学习了《合成材料助剂》、《精细化学品化学》、《水溶性高分子》等专业课，对高分子的基本概念、合成原理及应用有一定的了解。因此，在同时对这两个专业讲授《高分子化学与物理》时，在课程内容的安排上，会存在不同。笔者通过近几年的教学实践，将两专业的所学《高分子化学与物理》课程进行了较详细的内容区分，化学专业的课程内容安排倾向于高分子的基本概念、自由基聚合机理、高分子的分子结构和高分子的性能等基本理论以及高分子的发展前景，而对于阴离子聚合、配位聚合、高分子结构与性能的构效关系只做一般性的介绍。应用化学专业的课程内容安排则倾向于逐步聚合、链式聚合、共聚合以及聚合物的化学变化，高分子化学结构与性能的关系，聚合反应的动力学，聚合方法等。同时，在教学过程中，课堂讲授与学生自学相结合，对教学内容中的重点和难点进行重点讲解，通过习题的方式将学生难以理解的内容进行系统复习，加深学生对内容的理解。通过对课程系统、有针对性的安排，使具有不同高分子基础的学生在学习《高分子化学与物理》的过程中，感到轻松、易懂，提高教学效果。
二、针对抽象内容，合理使用多媒体
《高分子化学与物理》的主要内容不仅包括《高分子化学》中的自由基聚合、逐步聚合、离子聚合、配位聚合以及共聚等聚合反应的机理、过程以及聚合反应的动力学，而且还包括《高分子物理》中的高分子的分子结构、高分子的运动、高分子的力学性能以及高分子的电学热学等性质，概念较多、公式多、内容抽象，尤其是聚合反应的动力学、聚合反应机理以及高分子的结构与各种性能之间的关系，机理的表述和公式的推导繁杂，板书费时费力，仅仅依赖“黑板+粉笔”的教学模式，很难在较少的学时内将这些抽象的重点内容讲解清楚。多媒体辅助教学具有处理信息量大、质量高、共享性好、交互性强等特点，能够形象、直观、生动地将传统教学手段难以表达的抽象教学内容有条理地表现出来，拓宽课堂教学的知识体系，提高教学质量。如《高分子化学》中的自由基聚合反应机理和聚合反应动力学理论性强，该理论是建立在增长链自由基等活性假定、稳态假设和聚合总速率等于链增长速率三个基本假设的基础上，内容抽象；又如链段、分子链的柔顺性、高斯链以及均方末端距等概念，对非高分子专业的学生，很难在短时间内理解掌握，使用多媒体可将这些抽象枯燥乏味的理论知识直观和形象化，利用多媒体中的动画过程将这些抽象的理论过程生动地展示给学生，使学生在较少的学时内更快地理解所学的内容，加大教学信息量，同时能够充分调动学生学习的积极性。然而，《高分子化学与物理》课程中概念抽象、公式繁多，多媒体课件虽然能将抽象的内容具体化，但是多媒体显示过快，学生很难在短时间内真正对多媒体中显示的概念和公式充分地理解掌握，这样会使学生失去学习的兴趣。因此，针对这门课，不能完全使用多媒体教学，应该将多媒体教学与板书教学相结合，聚合反应动力学公式的推导用板书一步一步进行推导，多媒体可将板书推导过程进行复习或重复演示，这样学生可以在板书推导过程动脑思考跟上老师的思路，同时多媒体使学生对老师板书教学过程没有真正理解掌握的内容进一步复习巩固，从而提高教学质量。
三、讲授与答疑相结合，发挥学生的主动性
《高分子化学与物理》是一门抽象、枯燥的课程。课堂是教学过程的关键环节，在讲授的过程中，如何调动学生学习的主动性使学生将枯燥的理论教学与实际生活相结合呢？在《高分子化学与物理》的讲授过程中，尤其要时刻注意教学的趣味性。如何将高分子材料的力学性能、各种弹性数学模型、高分子的溶解过程以及高分子的电学、热学和光学性质等抽象的理论在较短的时间内让学生真正的理解掌握呢？教学的方式或方法非常重要，教师可以结合日常生活中的例子，通过多媒体动画或实验演示展示给学生，使学生在学习抽象理论的同时，了解这些理论在实际生产和生活的应用。如在讲授弹性数学模型时，可通过弹簧的形变过程形象地展示给学生，也可以利用弹性橡胶在受外力作用时的形变过程将这些模型展示给学生，激发学生的兴趣。当然，仅仅依赖课堂的讲授是远远不够的，由于大学教师上课结束后，与学生交流很少，学生对课堂中的一些重点和难点仍百思不得其解，这些会影响他们学习的兴趣、热情甚至信心。因此，教师应针对课程内容，适当地结合实际，留出一部分答疑时间，与学生交流，了解学生学习过程存在的问题，及时解决学生学习过程的难点，让学生产生学习的兴趣。《高分子化学与物理》规定的讲课课时非常有限，然而课程内容繁多，理论性又强，要想使学生真正掌握这门课程，教师就必须在以课堂教学为主的同时，安排适当的答疑时间，及时解决学生学习过程中存在的问题，激发学生学习的兴趣。东北石油大学的应用化学和化学专业开设《高分子化学与物理》这门课程时，任课教师通过课上讲授和课下答疑相结合的教学模式，使抽象、难懂的理论知识变得易懂，学生学习的主动性大大提高，也大大提高了教学质量。
《高分子化学与物理》是一门概念抽象、理论性强的课程，作为东北石油大学应用化学和化学专业的一门重要的专业基础课，讲授这门课程的教师通过多年不断的探索，采用多媒体与板书相结合、讲授与答疑相结合的教学方法，大大调动了学生学习的兴趣，使非高分专业的学生能在没有高分子专业基础的条件下，能很好地理解和掌握高分子专业知识，提高了教学的质量。同时，讲授该课程的教师从课程教授对象、课程内容、讲课方式以及师生互动等多方面进行了总结，只有认真做好每一个环节，合理地运用多媒体教学手段，不断提高自身的素质和专业知识，才能提高教学质量，成为一名合格的专业教师。
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本节教材在学生学习了淀粉、纤维素、蛋白质等天然有机高分子化合物之后，很自然地过渡到学习合成有机高分子化合物，首先介绍有机高分子化合物的相对分子质量，然后初浅地以聚乙烯、聚氯乙烯为例介绍有机高分子化合物的结构与基本性质，合成高分子化合物在溶剂中的溶解和在不同温度时的性能变化等性质是与合成高分子化合物的科学研究及生产加工密切相关的；最后简单介绍了常见高分子塑料、橡胶、纤维中某些有代表性的品种。
（二）知识框架
（三）新教材的主要特点：
新教材依然保持紧密联系实际和新的化学知识从生活和生产实际切入的风格，也注意了紧密联系学生已学过的知识如烯烃的加成反应、羧酸的酯化反应等，以帮助他们理解高分子化合物的性质、正确书写重要高聚物加聚反应的化学方程式，复习巩固已学的有机化学知识，也为他们选择后续的选修模块“有机化学基础”奠定必要基础。
二．教学目标
（一）知识与技能目标
1.引导学生初步认识有机高分子化合物的结构、性质及其应用，学会书写重要加聚反应的化学方程式，了解合成高分子化合物的主要类别及其在生产、生活、现代科技发展中的广泛应用。
2.引导学生学习和认识由塑料废弃物所造成的白色污染和防治、消除白色污染的途径和方法，培养他们的绿色化学思想和环境意识，提高他们的科学素养。
3.通过多样化的学习活动（自主检索、收集、分类比较、展示等）使学生了解塑料、合成橡胶、合成纤维的主要品种以及它们的原料来源与石油化工、煤化工的密切联系，同时提高他们的学习能力，丰富他们的学习方式。
（二）过程与方法目标
1.让学生通过网络、书籍等途径收集各种各样的材料及图片、实物，课堂上采用互动式教学，激发学生探究有机合成材料的组成、性能的兴趣。。
2、通过“迁移•应用”、“交流•研讨”、“活动•探究”等活动，提高学生分析、联想、类比、迁移以及概括的能力。
（四）情感态度与价值观目的
1、通过“迁移•应用”、“交流•研讨”、“活动•探究”活动，激发学生探索未知知识的兴趣，让他们享受到探究未知世界的乐趣。
2.引导学生学习和认识由塑料废弃物所造成的白色污染和防治、消除白色污染的途径和方法，培养他们的绿色化学思想和环境意识，提高他们的科学素养。
三、教学重点、难点
（一）知识上重点、难点
重要高聚物的加聚反应及其化学方程式
（三）方法上重点、难点
有机高分子化合物的结构与性质的关系的理解
四、教学准备
（十二）学生准备
1.课前让学生通过网络、书籍等途径收集各种各样的材料及图片、实物。
2.收集有关废弃塑料造成的白色污染、危害及其防治方法的资料。
（十三）教师准备
教学媒体、课件；准备“活动•探究”实验用品。
五、教学方法
问题激疑、实验探究、交流讨论、
六、课时安排
3课时
七、教学过程
第一课时
【引入】人类的生产和生活离不开各种各样的材料，请同学们根据自己收集的资料结合已有的知识对材料进行分类。
【点评】课前让学生通过网络、书籍等途径收集各种各样的材料及图片、实物，课堂上采用互动式教学。
【交流、投影】
无机非金属材料（如：晶体硅、硅酸盐材料等）
无机材料
无机金属材料（包括金属和合金）
材料天然有机高分子材料（如：棉花、羊毛、蚕丝、天然橡胶等）
有机材料合成有机高分子材料（如：塑料、涂料、合成纤维、合成橡胶等）
新型有机高分子材料（如：高分子分离膜等）
【联想、质疑】在日常生活中，你一定接触过许多塑料、合成橡胶、合成纤维制品。你能举例说明吗？它们是什么原料制造的？它们具有哪些优于天然材料的性能？
【点评】通过回忆生活中的常识激发学生探究有机合成材料的组成、性能的兴趣。
【练习】计算葡萄糖和硬脂酸甘油酯的相对分子质量。
【质疑】经计算，它们的相对分子质量分别为180和890。数值已经不小，但是，我们仍称它们为低分子化合物，简称小分子；那么，什么是高分子化合物或高分子呢？
【讲述】如果有机化合物的相对分子质量达到几万到几百万，我们就称它们为有机高分子化合物，简称高分子或聚合物。像以前所学过的淀粉、纤维素、蛋白质等物质都属于有机高分子化合物。有机高分子化合物的结构有哪些特点呢？
【引题、板书】一、有机高分子化合物
1.有机高分子化合物的结构特点
【讲述】有机高分子化合物虽然相对分子质量很大，但是它们的结构并不复杂，通常是由简单的结构单元连接而成的，例如，聚乙烯是由结构单元重复连接而成的，聚氯乙烯是由结构单元重复连接
而成的，其中的n表示结构单元重复的次数。
【投影讲述】高分子中的结构单元连接成长链，这就是通常所说的高分子的线型结构。具有线型结构的高分子，可以不带支链，也可以带支链。高分子链上如果有能起反应的原子或原子团，当这些原子或原子团发生反应时，高分子链之间将形成化学键，产生一定的交联形成网状结构，这就是高分子的体型结构。
【过渡】由于有机高分子化合物的相对分子质量大及其结构的特点，因而使它们具有与小分子不同的一些性质。
【活动、探究】将教材的“观察•思考”涉及的实验改成学生分组实验（2～4人一组）。
1.从废旧轮胎上刮下的一些橡胶粉末约0.5g放入试管中，加入5mL汽油，观察粉末能否溶解。
2.取内径比实验室用导气胶管外径稍大的试管，胶管与试管等长。向试管中加入少量汽油后，将胶管插入试管，再用滴管向胶管内孔中滴满汽油，稍侯，可见胶管伸长。
3.取一小块聚乙烯塑料碎片，用酒精灯加热直至熔化时停止加热，等冷却后再加热，反复几次后点燃，观察变化的全过程。
【交流、讨论、板书】2.有机高分子化合物的主要性质
⑴溶解性：难溶于水，在有机溶剂中也只能溶胀并极缓慢。
⑵热塑性和热固性
⑶电绝缘性
⑷不耐高温易燃烧
【讲述】聚乙烯塑料受热到一定温度范围时，开始变软，直到熔化成流动的液体。冷却后又变为固体。加热后又熔化，这种现象就是线型高分子的热塑性。有些体型高分子一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性，如酚醛树脂。高分子化合物中的原子是以共价键结合的，因此它们一般不导电。
【小结】结构决定性质，性质决定用途，正因为有机高分子化合物有以上的主要性质，决定了高分子材料在国民经济发展和现代科学技术中的重要作用。
作业：探究活动：学生分为若干小组通过去图书馆、上网查阅资料探究以下问题：
1．我们身边有哪些高分子化合物；
2．高分子化合物对工农业生产和生活有哪些重要作用；
3．了解高分子化合物的新发展，例如可导电的高分子材料、可降解塑料等。
并动员学生运用所学知识回答下列问题：
1．为什么聚乙烯塑料凉鞋破裂可以热补，而电木插座不能热修补。
2．装苯的试剂瓶不能用普通的胶塞的原因。
3．家贸市场上出售的香油的胶塞为什么要用玻璃纸包起来，如果不包起来会出现什么后果。
第二课时
【联想、质疑】现在，人们在日常生活中经常与塑料打交道，工农业生产和国防建设也大量使用塑料。那么，究竟什么是塑料？它们是怎样制成的？
【讲述】塑料的主要成分是被称为合成树脂的有机高分子化合物。例如，聚乙烯就是生产聚乙烯塑料的合成树脂。聚乙烯是以石油化工产品乙烯为原料，在适宜的温度、压强和引发剂存在的条件下发生反应而制得的。反应时，乙烯分子中碳碳双键中的一个键断裂，然后相互两两加成而聚成含n个结构单元的相对分子质量达几万以上的聚乙烯树脂。
【板书】二、塑料
【讲述】讲述聚合反应和加聚反应的概念。
【讲述、投影】塑料与合成树脂
⑴塑料是由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、色料、防老剂等添加剂组成的。
⑵树脂是指还没有跟各种添加剂混合的高聚物。
⑶有些塑料基本上是由合成树脂所组成的，不含或少含其它添加剂，如有机玻璃等。
【迁移、应用】氯乙烯、苯乙烯、四氟乙烯在引发剂作用下经过聚合反应所得聚合物都是重要的合成树脂。⑴它们为什么和乙烯一样，也能发生加聚反应？⑵写出化学反应式。
【交流、讨论】组织学生交流讨论聚合反应的书写技巧，尤其苯乙烯的聚合反应，可以适当点拨：将苯基（—C6H5）当作支链，使双键碳原子作为端点碳原子，以便于两两加成聚合。
【阅读】塑料王与工程塑料ABS的用途。
【过渡】聚乙烯是当今世界上产量最大的塑料产品，它有着广泛的应用。
【阅读、讨论】聚乙烯的性质和用途。
【讲述】塑料工业的发展，极大地提高了人们的生活质量，但是这些结构稳定、难以分解的塑料废弃物的急剧增加也带来了严重的环境问题。全世界每年产生数千万吨的废旧塑料，比如聚乙烯、聚苯乙烯等它们聚集在海洋里、地面上、土壤中，造成白色污染。白色污染已成为困扰人类社会的一大公害。减少与消除白色污染既要全社会共同努力，从我做起，少用并及时回收、再生，也要依靠科技，生产可降解的塑料。
【指导阅读】塑料的回收利用与可降解塑料。
作业：探究活动：
1.收集有关废弃塑料造成的白色污染、危害及其防治方法，在各社区进行宣传或提出倡议。
2.课外实验，参照教材第97页动手实践的方法进行废旧塑料裂解得燃气与燃油的实验。
3.收集橡胶制品的图片
第三课时
【引题】今天我们讨论第二大合成材料合成橡胶。
三、合成橡胶
【展示】展示课前同学们收集的橡胶制品的图片。
【交流、研讨】结合你已有的知识和生活常识思考：
1.橡胶的特性是什么？由此决定着它有哪些用途？
2.根据来源和组成不同，常用的橡胶有哪几种？
【讲述】构成橡胶的高分子链在无外力作用时呈卷曲状，而且有柔性，受外力时可伸直，但取消外力后又可恢复原状，因此橡胶是具有高弹性的高分子化合物。根据来源和组成不同，橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶往往具有高弹性、绝缘性以及耐油、耐酸碱、耐高温或低温等特性，因此具有广泛的应用。
【讲述】顺丁橡胶是化学家们最早模拟天然橡胶制得的合成橡胶，它具有较高的耐磨性，广泛用于制造轮胎、耐寒制品及胶鞋、胶布、海绵胶等。利用工具栏讲解顺丁橡胶的合成，并以顺丁橡胶的高分子链的卷曲认识橡胶的高弹性。
【质疑】为什么实验室的橡胶管在空气中易老化？为什么盛酸的试剂瓶要用玻璃塞？
【过渡】常用的橡胶除天然橡胶、顺丁橡胶外还有其它的通用橡胶。
【阅读、讲述】阅读表3-4-1几种常用橡胶的性能和用途，以说明当今合成橡胶的广泛应用，以及“挑战者”航天飞机失事的悲惨事件就是由于橡胶密封圈失灵造成的。
【过渡】接下来讨论第三大合成材料合成纤维。
【交流、研讨】生活中你们知道哪些是纤维制品呢？棉花、羊毛、蚕丝与锦纶、涤纶有何区别？纤维素是如何分类的？
【投影、讲述】1.纤维素分类
纤维素：棉、麻
天然纤维蛋白质：丝、毛
纤维人造纤维：人造棉、人造丝
中图分类号：G424 文献标识码：A
Exploration on Polymer Professional Polymer Chemistry and Physics Teaching
Abstract Polymer science has become many non polymer students required or elective courses， for applied chemistry major， in polymer chemistry and physics course teaching on the one hand should be based on professional need reasonable arrangement of teaching content， on the other hand， we should reform in teaching methods， so as to achieve better teaching effect.
Key words high polymer chemistry and physics； curriculum； teaching reform
高分子科学是工科院校高分子化工、化学和材料等系科学生必修的专业基础课程，随着高分子科学与技术的不断发展，这门学科已渗透于各个领域与学科，形成了一个无法替代的交叉学科。也被列为理科、师范院校化学系学生的必修课或选修课。对于与高分子相关的专业，专业课程一般设置高分子化学与高分子物理，其中高分子化学侧重聚合反应机理的学习，高分子物理重点介绍高聚物的结构与性能间的关系，使学生对高分子科学的两个侧面有较为系统的掌握。而对于非高分子专业，则主要要求学生掌握有关高分子的基本理论知识和应用技能，一般将这两门课揉合在一起，开设高分子化学与物理课程。
高分子化学与物理大连工业大学应用化学专业的专业基础课之一。本校应用化学专业的目标是培养在有机化工、日用化工、高分子精细化工等领域从事科学研究、技术开发及应用等的高素质应用型人才，学生对高分子相关知识的掌握程度将对后续课程的学习产生很大影响。但与高分子专业相比，应用化学专业高分子化学课程学时数相对偏少，课程的学时数为48 学时， 如何在有限的学时内使学生对高分子的基本概念与原理等相关知识有较好的掌握，授课内容的选择及讲授方式是非常重要的。在近十年的教学改革实践中，我们取得了一些经验，取得了比较满意的教学效果，在此与非高分子专业的教师进行探讨与交流。
1 合理安排教学内容
高分子化学与物理的主要内容包括高分子的基础概念、逐步聚合、链式聚合、共聚合以及聚合物的化学变化；高分子的分子结构及其与高分子的机械、热、电等性能之间的关系等。概念多，公式多，内容抽象，再加上学时少，学生平时对相关知识了解少，因此教学难度较大。根据专业特点及课程内容的特点，对课程内容进行合理安排，一方面突出重点、难点及成熟理论，另一方面突出与本专业后续课程学习关系密切的知识和理论。例如缩聚反应、自由基聚合反应等从高分子化学课程内容的角度看是两大类聚合反应的代表反应，从专业的知识结构要求看，也是后续课程的理论基础，因此对其聚合机理、聚合反应动力学、聚合方法等重点进行讲授，讲深讲透。而逐步聚合中的氢移位反应、链式聚合中的阴离子聚合，共聚合反应及聚合物的化学变化等内容也是与高分子精细化工关系密切的知识点，在缩聚和自由基聚合知识的基础上进行较为详细的讲授。对阳离子聚合、配位聚合等则只做一般性介绍， 简要论述尚在发展的理论和尚不成熟的相关机理。
同时在教学中注重课堂讲授与学生自学相结合，对教学中的重点、难点问题如链式聚合反应各种单体对聚合机理的选择性、自由基聚合机理和动力学，缩聚反应动力学等进行重点介绍，并通过课堂练习和讨论及课后作业加深学生的理解，而对相对容易的内容如聚合方法则让学生自学，从而达到了在有限的学时内少讲、精讲的目的，增强了教学效果。
2 传统教学手段与多媒体教学相结合
高分子教学中，不仅分子式复杂冗长，而且一些机理的表述和数学公式的推导也很繁杂，板书费时费力。仅靠“黑板＋粉笔”的教学手段授课，教学效率较低。多媒体教学具有传统教学手段不可比拟的优势， 它不但使课堂教学变得生动、活泼、直观、易懂，而且授课信息量加大，有助于学生在有限的学时内学习到更多的知识。但是也存在一定的弊端，如公式推导过程过于机械，学生注意力不容易集中，思路不能完全跟上演示速度等。解决问题的关键在于多媒体技术如何与传统的教学手段相结合，从而实现它应有的价值。我们在高分子化学的课堂授课中，对聚合物的分子结构、反应过程、聚合方法讲述采用多媒体授课的方式，例如聚合物的立体异构，通过分子结构的展示加深学生对抽象的内容的掌握，而介绍悬浮聚合、乳液聚合时，更是以动画的方式加深学生对聚合过程的理解；但是当涉及公式的理论推导时，如聚合动力学、Flory分布式等，则采用板书的方式一步步推导，同时采用启发和相关知识复习回顾的方式调动学生积极性，促进学生主动学习和思考，激发学生的学习兴趣与求知欲望。采用这样的教学方式，一方面使课堂教学形象生动，节省了时间，另一方面也使学生能够跟上教师的思路，有助于学生对教学内容的理解，取得更好的教学效果。
3 理论教学与实验教学相结合
高分子化学是一门以实验为基础的自然科学。为了使学生能够更好地掌握高分子化学课程内容，同时培养学生的动手能力，提高学生的实验技能，有必要开设一定的实验课程，一般传统的高分子化学实验有苯乙烯的悬浮聚合、甲基丙烯酸甲酯的本体聚合、聚乙烯醇缩甲醛胶的制备、改性醋酸乙烯乳胶的制备等。我们在开设这些基础性的高分子化学实验的同时，为了提高学生的学习兴趣，还将传统的聚乙烯醇缩甲醛胶的制备继续延伸，加入涂料的配制、检测及应用等内容组成综合性实验，让学生从最初的原料出发，得到在实际生活中真正用得上的产品。另外根据本专业教师的科研内容及学生的专业方向开设了淀粉接枝丙烯酰胺的制备、应用等设计性实验，要求学生自己查阅资料，对实验方案及技术路线进行设计，既提高了学生的学习兴趣和科研能力，又使学生加深了对专业研究方向的了解和兴趣，从而进一步提高学生对专业基础课程的兴趣。通过实验，学生对高分子各种合成及改性反应的原理和方法进一步加深了理解，与课堂教学相互促进，取得了良好的效果。
4 注意教学的启发性和趣味性
高分子化学是一门相对来说比较抽象，枯燥的课程。美国教育家布鲁纳曾说：“学习的最好刺激，乃是对所学材料的兴趣”。对于这样一门课程，如何提高讲授的趣味性，如何提高学生的学习兴趣，让学生变被动为主动学习，是我们心中永恒的课题。在课程内容的讲授过程中，我们时刻注意教学的趣味性，例如在绪论部分为了使学生对课程内容及重要性有一个深刻的第一印象，上课伊始就通过例举天然橡胶的例子：如果年产1000吨天然橡胶，需要30万亩热带土地，栽种300万株橡胶树，经6～8年的生长时间，并且需要5千名割胶工人的劳动；而年产1000吨合成橡胶，只需要建占地10亩的工厂，由10名工人即可完成，使高分子科学的重要性不言自明。当讲到聚合物的概念和特性时，为加深理解，将单体比作鸽子，而聚合物就好像好多只脚互相拴在一起的一长串鸽子，虽然每只鸽子理论上仍能飞动，但因为相邻鸽子的影响，这一串鸽子和单个鸽子在性质上已经有了很大不同，学生这样一想，不但聚合物的概念易于理解了，而且聚合物的特点，例如只有固态和粘流态，而没有气态，也非常易于理解了。
另一方面，注意将高分子科学发展的一些前沿知识引入课堂，例如在“聚合方法”一章，介绍超临界CO2 作为“绿色介质”的聚合研究进展；在讲授阴离子活性聚合时，介绍“自由基活性聚合”及其研究进展；在讲授“逐步聚合”时， 介绍白色污染和可生物降解高分子的研究进展等；这样讲了后，同学们感到收获较大，而且课堂气氛也得到活跃。通过这些举措我们也体会到：将学生的积极性真正调动起来了，枯燥的专业课同样可以上得有声有色。
5 课后交流，倾听解答学生的疑难问题
现代教学理论认为，学生是学习的主体，应该确保学生在教学中的主体地位，教师在教学观念和教学方式上应该转变到新课程的要求上来。教师和学生不是外在于课程的，而是课程的有机构成部分，是课程的创造者和主体，他们共同参与课程的开发过程，这就是新课程倡导的教学观。
大学的授课，教师上课结束后一般与学生之间少有相互交流的时间，课后学生对于一些关键、难点问题仍百思不得其解时，就会影响他们的学习兴趣、热情甚至信心，这对于相对较难的专业基础课而言更是如此。所以教师如能在课下和他们做进一步的讨论，作用和效果是显而易见的。另一方面，年轻教师与学生的年纪相差不太大，容易使学生产生亲近感，如果教师让学生感觉彼此是朋友，这对于课程学习也是有很好的促进作用。互联网的发展为教师和学生的课下沟通搭建了很好的桥梁。作者所在的学校校园网建设很完备，每个学生宿舍都可以很方便地上网。作者也时常会通过电子邮件，或者网络即时通讯工具，不厌其烦地和他们进行交流，回答他们所提出的问题，当然这其中大多是学习问题，也有一些生活甚至思想问题。借助网络，教师可以真正成为学生的良师益友。
6 结语
教学内容、教学方法的改革是学校教育改革的重要组成部分，高分子化学与物理是一门理论性强、概念抽象难懂且较难掌握的课程，作为本校应用化学专业的重要专业基础课，教师需要不断地探索教学方法，采用多种手段提高教学的交互性和生动性，以调动学生学习的主动性和积极性，这样才能取得令人满意的教学效果。作为参加高分子化学与物理课程教学的教师，应从备课、上课、课后等方面进行总结，只有做好每个环节，应用于合理的教学方法和教学手段，并不断提高自身素质，才能逐渐成长为一名合格的专业教师。
参考文献
[1] 邹汉涛，刘晓洪，黄年华，左丹英，刘洪涛.《高分子化学》教学方法的探讨[J].武汉科技学院学报，2009.22（3）：58-60.
中图分类号：G712 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2017.01.044
“高分子化学”是高分子学科一门重要的专业必修课，是继无机化学、有机化学、分析化学和物理化学之后新开设的一门科学，主要研究高分子化合物的合成原理及其化学反应，该课程的学习为学好后继专业课程奠定了基础。然而，“高分子化学”由于内容抽象、概念多、公式复杂等特点，使得很多学生特别是高职院校的学生在学习该门课程时信心不足。因此，为了培养学生学习该课程的积极性和主动性，增加该课程学习的趣味性，提高该课程学习的质量，很多一线教师开始探索该课程的教学方法。其中，陈静、王小龙、何冰晶等①②③④认为，教学中不能孤立的去讲授该课程，应注重加强高分子化学知识和有机化学知识的有效衔接，取得了很好的教学效果。然而，笔者在教学中发现，对于高职院校的学生来说，无机化学知识在高分子化学学习中同样具有举足轻重的地位。文章Y合作者多年的教学实践和心得，分析了无机化学知识在高分子化学教学中的运用情况，既提高了教学效果，又达到了温故而知新的目的。
1 自由基聚合
自由基聚合反应是连锁聚合反应中最重要、最典型的一种聚合反应，生活中约60%高分子材料，都是按自由基聚合反应合成的，如：PE、PP、PVC、PMMA、ABS、SBS、SBR、丁氰胶、丁苯胶等。自由基聚合反应是单体借助于光、热、辐射、引发剂等的作用，使单体分子活化为活性自由基，再与单体分子连锁聚合形成高聚物的化学反应，聚合过程见图1，也就是说，要想使单体小分子转变成高聚物，活性自由基是贯穿着整个自由基聚合反应的主线，然而，什么是自由基？自由基是怎么产生的？自由基的活性以及自由基的化学反应等问题是教学中的一个难点，学生只有掌握了自由基方面的内容，才能更好的学习接下来自由基聚合机理的问题。因此，教师上课时必须首先讲自由基知识。
自由基，化学上也称为“游离基”，是指化合物的分子在光、热等外界条件下，共价键发生断裂而形成的具有不成对电子的原子或基团。授课时，应结合无机化学知识系统的复习共价键的相关知识。共价键概念最早是由美国化学家路易斯提出的，通常是指两个原子通过共用电子对形成的化学键，而这两种原子的电负性一般相差不大。共价键可以是单键，也可以是双键和三键，根据共价键的极性情况，又可以把共价键分成极性共价键和非极性共价键，极性共价键通常是由不同原子组成的，非极性共价键通常是由同种原子组成的。当学生充分了解了共价键的相关知识后，再进一步讲清楚共价键是如何断裂形成自由基的。共价键在不同的外界条件下发生断裂的方式不同，如图2。通常共价键在光、热等的条件下易发生均裂，形成的两个原子各带有一个未成对电子，叫做自由基；在极性溶剂或者催化剂作用下易发生异裂，产生了带有不同种电荷的离子。至此，学生便了解了自由基是什么，自由基是如何产生的问题。
然而，对于一个小分子来说，共价键通常有很多个，在形成自由基的时候究竟是哪一条键发生断裂呢？即影响共价键断裂的因素是什么？此时，教师又可以展开讲授共价键断裂的因素有哪些。如此讲解，帮助学生揭开了自由基神秘的面纱，从根本上解决了学生的疑虑，对接下来的学习更有信心。
在讲授自由基聚合反应时，必须要讲到它的引发体系，其中引发剂是最常用的引发方式，要重点讲解。常用的引发剂主要有偶氮双腈类、有机过氧类、无机过氧类和氧化―还原类引发剂。对于前三种引发剂，其共价键的断裂通常发生在C-N、O-O键之间，因为相对于C-C、C-H键的键能，C-N、O-O键的键能要低很多，也就是说共价键的键能越小越易断裂，越易形成自由基。然而，含有弱键的引发剂通常要在较高的温度下才能分解成自由基，若是聚合反应要求的温度较低该怎么办呢？此时可以在过氧化物类引发剂里加入还原剂，便成了氧化―还原引发体系，这里面除了有共价键方面的知识外，还涉及到无机化学里面的氧化还原反应的相关知识。如过氧化氢和亚铁离子氧化―还原引发剂引发的方式见图3，过氧化氢是氧化剂，具有氧化性，亚铁离子是还原剂，具有还原性，两者发生了氧化还原反应。
亚铁离子把自己的一个电子给了过氧化氢，形成了氢氧根离子，本身化合价升高变成了正三价铁离子。然而，在讲授过硫酸盐和亚铁离子引发体系的时候，如图4，该引发体系产生了一个带负电荷的硫酸根自由基，这和大多数学生一贯认为自由基应该是电中性的认识是不吻合的，因此这里要结合以上自由基的知识进行拓展。自由基可以是电中性的，也可以是带电的离子，判断某种物质是不是自由基，关键是看是否存在不成对的电子。
2 离子聚合
1．何为高分子化学
顾名思义，高分子就是相对分子质量很高的分子，它是高分子化合物的简称。高分子化合物，又称聚合物或高聚物，是结构上由重复单元（低分子化合物—单体）连接而成的高相对分子质量化合物。高分子的相对分子质量非常的大，小到几千，大到几百万、上千万的都有。我们有时将相对分子质量较低的高分子化合物叫低聚物。高分子化学作为化学的一个分支，同样也是从事制造和研究分子的科学，但其制造和研究的对象都是大分子，即由若干个原子按一定规律重复地连接成具有成千上万甚至上百万质量的、最大伸直长度可达毫米量级的长链分子，称为高分子、大分子或聚合物。
2．高相对分子质量与高强度
相对分子质量和物质的性质是密切相关的，是决定物质性质的一个重要因素。只有相对分子质量高的化合物才有一定的机械力学性能，才能作为材料使用。例如乙烷、辛烷、廿烷、聚乙烯、超高分子量聚乙烯，都是直链的烷烃化合物，但是分子量变化很大，其机械力学性能因而也有极大的区别。
3．高分子科学的主要内容
既然高分子化学是制造和研究大分子的科学，对大分子的反应和方法的研究，显然是高分子化学最基本的研究内容。高分子科学不仅是研究化学问题，也是一门系统的科学。高分子科学的主要内容有：如何将低分子化合物连接成高分子化合物，即聚合反应的研究。高分子化合物的结构与性质关系。不同性质的高分子，其结构必然是不同的。为了得到不同性质的高分子，就要去合成具有特殊结构的高分子。
二、高分子材料化学的应用
材料是人类社会文明发展阶段的标志，是人类赖以生存和发展的物质基础。它是指经过某种加工，具有一定结构、组分和性能，并可应用于一定用途的物质。上世纪半导体硅、高集成芯片、高分子材料的出现和广泛应用，把人类由工业社会推向信息和知识社会。可以说某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革，材料是人类文明的重要标志。如果说现在人人离不开高分子材料，家家离不开高分子材料，处处离不开高分子材料，是一点也不过分的。高分子化合物的最主要的应用是以高分子材料的形式出现的，高分子材料包括了塑料、纤维、橡胶三大传统合成材料，另外许多精细化工材料也都是高分子材料。
第一，塑料：一类是通用塑料，如容器、管道、家具、薄膜、鞋底与泡沫塑料等等；另一类叫工程塑料，其强度大，如汽车零部件、保险杠、洗衣机内的滚筒、电器的外壳等。
关键词:磁性纳米粒子;脂肪酶;漆酶;淀粉酶;固定化
酶酶是具有生物催化功能的高分子物质，具有高效性、专一性、反应条件温和、无污染等特点［1］，在食品加工、药学和医学等研究领域中有着巨大的应用潜力。然而，大多数酶是蛋白质，其活性易受温度、pH等因素影响，且与底物产物的混合物不利于其回收，难以实现产物的分离纯化和连续化生产［2］。20世纪60年代迅速发展起来的固定化酶技术很好的解决了这些问题，有效提高了酶的利用率，并实现了产业化发展。其中，酶的固定载体和技术研究一直是酶固定化研究的核心问题，重点是寻找新的载体，确保固定后的酶保持其催化活性、催化特性和稳定性，同时，可实现高负载量和复合酶链式反应［3］。近几年，新型载体和技术有:交联酶聚集体［4］、“点击”化学技术［5］、多孔支持物［6］和以纳米粒子为基础的酶的固定化［7］等。纳米粒子作为酶固定化的新型载体，具有良好的生物相容性、比表面积大、颗粒直径小、较小的扩散限制、较高的载酶量及在溶液中稳定存在等优点［8］。粒子尺寸在1～1000nm范围内的球状或囊状结构的粒子常被用于酶的固定化，用于酶固定化的纳米载体材料可分为磁性纳米载体和非磁性纳米载体等［9］。本文综述了磁性纳米粒子的特性、制备方法及其在固定化酶技术研究领域的应用现状，以期为促进磁性纳米粒子固定化酶技术的应用研究提供参考。
1磁性纳米粒子
纳米材料［10，11］的粒径尺寸为纳米级，通常介于1～100nm之间。磁性纳米粒子［12，13］作为当今最受关注的一类纳米材料，其多功能磁性复合微球常被用于药物释放、生物大分子靶向分离等生物医学和分离工程相关领域的研究。
1．1磁性纳米粒子的特性
磁性纳米粒子不仅具备表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应［14，15］4个基本普通纳米粒子效应，同时还具有特殊的磁学性质:超顺磁性、高矫顽力、低居里温度与高磁化率等［16～19］。1．1．1超顺磁性超顺磁性是指磁性纳米颗粒尺寸小于临界尺寸时具有单畴结构，在较高温度下表现为顺磁性特点，但在外磁场作用下其顺磁性磁化率比一般顺磁材料大好几十倍，称为超顺磁性。超顺磁性即在有外加磁场时，材料表现为有磁性，当无外加磁场时，材料无磁性。故超顺磁性的纳米颗粒具有较好的分散性。
1．1．2高矫顽力
强磁物质(如:铁磁体)一般在外加磁场减小为零时，其磁化强度不为零，剩余的磁化强度称为剩磁。矫顽力是指使剩磁减至为零而添加的反向磁场。矫顽力与成分、晶体点阵和取向等因素无关，其主要影响因素为点阵缺陷，即偏离理想晶体结构的程度。
1．1．3低居里温度
带磁的磁性体会在某一温度因热失去磁性，这一温度称为居里温度。居里温度是物质磁性的重要参数，通常正比于交换积分，与间距和原子构型有关。纳米微粒的磁性常因小尺寸效应和表面效应发生变化，故其居里温度通常较低。
1．1．4高磁化率
磁化强度M与磁场强度H之比称为磁化率，常用cm表示，即M=cmH。当cm＞0，为顺磁质，当cm＜0，为抗磁质，其值一般都很小。
1．2磁性纳米粒子种类
磁性纳米粒子一般分为天然磁性纳米粒子和人工合成磁性纳米粒子。人工合成磁性纳米粒子主要有:Fe、Co、Ni等［20］金属纳米粒子;Co3O4、Mn3O4等金属氧化物和各种铁氧化体纳米粒子等［21，22］。铁的氧化物能定期排出体外，对人体健康危害较小，具有良好的生理安全性，因此Fe3O4磁性纳米粒子多被用于生物医药领域［23］。
1．3磁性纳米粒子制备
1．3．1共沉淀法
共沉淀法［24］即向铁盐和亚铁盐混合液中，添加合适的沉淀剂，经加热发生共沉淀，制得超微粒的方法。共沉淀法制备得到的粒子尺寸较小，然而，制备过程中因水解平衡反应复杂，粒子的成核过程和生长过程会受到影响，因此得到的粒子有较宽的尺寸分布。总的来讲，该方法有较低的反应温度、简单的设备要求，且反应过程简单易控制，是制备磁性纳米粒子的主要方法。
1．3．2高温分解法
高温分解法［25］是以高沸点有机物为溶剂，有机金属化合物为原料，经加热分解来制得纳米粒子的方法。利用高温分解法制备的磁性纳米粒子表面光滑，结晶度高，粒径小且粒径可控，粒径分布均匀。但此方法反应条件(高温高压)苛刻，设备要求高，反应体系为有机相，且经过表面处理后的合成粒子才能被转移到水相中。
1．3．3沉淀氧化法
沉淀氧化法即二价铁盐在氧化剂作用下，发生部分氧化制备磁性纳米粒子的一种方法，常见的是以空气作为氧化剂氧化Fe(OH)2，李乾峰等［26］用NaNO3、NaClO3、KMnO4替代传统的空气作为氧化剂氧化Fe(OH)2制备Fe3O4磁性纳米粒子，研究了氧化剂、反应温度、反应液pH等工艺条件对制备的Fe3O4磁性纳米粒子粒径及磁饱和强度的影响，结果表明:Fe3O4磁性粒子粒径主要受氧化剂氧化能力和反应液pH的影响。与空气氧化制备的Fe3O4磁性粒子比较，采用NaNO3和NaClO3为氧化剂制备的Fe3O4磁性粒子均为球形，粒子形态与pH无关，且粒径大小相近时，有较高的比饱和磁化强度。
1．3．4溶胶凝胶法
溶胶凝胶法［27，28］是制备金属氢氧化物及金属氧化物超微粒的方法。被用于溶胶凝胶法中作为前驱物的化合物要具备易蒸馏、重结晶技术纯化、可溶于普通有机溶剂、易水解等特性，金属醇盐作为前驱物被广泛用于溶胶凝胶法制备纳米氧化物材料。该方法具有反应物丰富、颗粒粒径均一、高纯度、粒径小、过程易控制等优点。
1．4磁性纳米粒子表面修饰
磁性纳米粒子不仅具有纳米粒子特性，同时还具有特殊的磁学性能，近年来被广泛应用于生物分析等领域。但是，磁性纳米粒子粒径小、比表面积大、表面能高，为不稳定体系，易发生团聚，所以，需要对磁性纳米粒子表面进行功能化，降低其表面能，改善磁性纳米粒子的分散性及稳定性，同时使磁性纳米粒子的磁响应强度、表面活性和生物相容性等特性得到改善和提高。
1．4．1有机小分子修饰
①表面活性剂。表面活性剂含有长链基团，可以形成空间位阻，一方面可控制粒子的形态和尺寸，另外，可改善粒子的表面性能，从而起到稳定磁性纳米粒子的作用。油酸常被用来修饰Fe3O4，靳艳艳等［29］通过高温热解法得到油酸稳定的磁性纳米粒子，以高碘酸钠为氧化剂，氧化其表面的油酸，制备得到单分散羧基化Fe3O4磁性纳米粒子，其粒径为12nm，且粒径均一，在水中有良好的分散性，XRD和VSM表征结果显示，磁性纳米粒子的磁强度和成分在氧化制备羧基过程中基本不受影响。张晓闻等［30］采用改进的溶剂热法，以柠檬酸钠为稳定剂，制备出羧基功能化的Fe3O4磁性粒子，该粒子具有超顺磁性和高饱和磁化强度，磁响应性良好，可应用于磁性粒子偶联或复合。
②硅烷化偶联剂。硅烷化偶联剂既有与磁性纳米粒子结合的Si－OH，又含有－NH2、－COOH、－SH、－CHO等能与生物分子结合的官能团。常被用于磁性纳米粒子表面修饰的硅烷化偶联剂有3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和3-巯丙基三乙氧基硅烷(MPTES)。付玉丽等［31］采用化学共沉淀法合成Fe3O4磁性粒子，通过APTES化学包裹得到有机硅表面修饰的Fe3O4磁性粒子，APTES-MNPs呈球形，粒径约17nm，APTES-MNPs对刚果红染料的吸附符合Langmuir等温吸附模型，该粒子吸附性能好、易回收。
1．4．2有机高分子修饰
①天然生物大分子。目前，多糖类聚合物和氨基酸类聚合物是用于修饰Fe3O4磁性纳米粒子主要的天然生物大分子，利用天然生物大分子修饰的磁性纳米粒子其生物相容性得到大大的改善，且赋予复合材料新的生物活性。李璇等［32］以乙酰丙酮铁为铁源，聚乙二醇为溶剂，采用高温热解法制备聚乙二醇修饰的超顺磁性氧化铁磁性粒子PEG-SPIONs，后将糖酐Dex水溶液与PEG-SPIONs混合摇床培养得到Dex修饰的Dex/PEG-SPIONs复合粒子，该复合粒子为单晶体结构且分散性较好，具有超顺磁性，同时，Dex作为一种临时的血浆替代品具有很好的生物安全性，故Dex/PEG-SPIONs在生物医学等方面具有极好的应用前景。吴志超等［33］采用高锰酸钾为氧化剂氧化油酸包被的Fe3O4磁性粒子，制得表面包被有壬二酸的新型羧基磁性纳米粒子，该粒子表面羧基含量高且在水中具有良好的分散性，其水解后带负电荷，可与蛋白质表面带正电荷的氨基发生静电相互作用，这一新型的羧基功能化的超顺磁性纳米粒子吸附牛血清蛋白对固定化细胞、蛋白药物靶向载体和固定化酶载体的研究具有重要的指导意义。
②合成高分子。利用不同的化学方法可合成不同需要的高分子修饰物用来修饰磁性粒子。邓啸［34］选用聚多巴胺修饰磁性纳米粒子，首先采用碱共沉淀法合成MNPs，多巴胺单体可在类似海水的碱性(pH8．5)条件下发生自聚合作用，因此，通过调控pH可在MNPs表面形成一层聚多巴胺层，获得聚多巴胺修饰的磁性四氧化三铁纳米粒子(PD-MNPs)，该功能化磁性微球可有效的固定黑曲霉脂肪酶，固定化脂肪酶催化活性及稳定性较游离酶均有明显提高。
1．4．3无机材料
用于Fe3O4磁性纳米粒子表面修饰的无机材料主要是SiO2，制备SiO2修饰的磁性纳米粒子的方法主要有:溶胶凝胶法、气溶胶高温分解法和反相微乳法。张慧勇［35］采用溶胶凝胶法制备Fe3O4/SiO2核壳结构复合纳米粒子，并对不同Fe3O4制备方法(共沉淀法、还原沉淀法和水热法)对应的Fe3O4/SiO2复合纳米粒子进行性能比较。其步骤如下:首先采用柠檬酸钠对纳米粒子进行表面修饰，然后在醇和水的混合体系中，碱性条件下催化正硅酸乙酯水解，磁性纳米颗粒表面被生成物包裹，制得的二氧化硅磁性复合微球具备小粒径核壳结构。结果表明，利用水热法制备Fe3O4粒子的分散效果最佳，包被效果较好，二氧化硅磁性复合微球在室温下表现出良好的稳定性。马丽等［36］采用溶胶凝胶法制备Fe3O4/SiO2复合纳米粒子，用3-APTES对Fe3O4/SiO2复合粒子进行氨基修饰，并用于漆酶的固定化。固定化酶在热稳定性、重复稳定性、pH稳定性方面均优于游离酶，同时，将固定化漆酶用于去除废水中的2，4-二氯酚，反应12h，去除率最高为68.35%，该固定化酶重复使用12次后，对2，4-二氯酚的去除率可保持在52．85%。
2磁性纳米粒子固定化酶技术的应用
通过共聚合表面修饰可将－NH2、－COOH、－OH、－CHO等多种功能基团赋予磁性纳米粒子表面，实现其功能化，因而具有强的磁响应性能、高比表面活性和良好的生物相容性，磁性纳米粒子已被广泛应用于生物化学领域，如天然产物中生物活性物质的分离，有害化合物的降解等。固定化酶技术［37］，即将游离酶束缚或局限在固定载体内，酶的生物活性及其特有的催化反应保持不变，并可实现回收重复利用的一类技术。固定化酶与游离酶相比有稳定性好、不易失活、可重复使用等优点，磁性纳米粒子作为固定化酶使用的固体材料，较其他固体材料具有独特的优势［38，39］:磁性纳米粒子的超顺磁性及强磁响应性能，可实现酶/底物及产物的快速分离，提高酶的使用效率;将酶固定于磁性纳米粒子可提高其稳定性;而且磁性纳米粒子巨大的比表面积可同时偶联多种生物酶，因此将分离技术和生物酶磁偶联用于多酶固定，可促进多酶链式反应的研究应用。
2．1磁性纳米粒子在脂肪酶抑制剂筛选分离研究中的应用
Zhu等［40］采用共沉淀法制得Fe3O4磁性纳米粒子，硅酸四乙酯(TEOS)、(APTMS)作为硅烷偶联剂，－NH2/MNPs磁性粒子经二甲基甲酰胺(DMF)和10%丁二酸酐作用发生羧基功能化，获得－COOH/MNPs磁性复合粒子，此复合粒子可很好的与脂肪酶共价结合，酶活抑制实验表明，脂肪酶固定化酶(LMNPs)稳定性及活性较游离酶有明显提高。利用脂肪酶复合磁性粒子(LMNPs)成功的从莲叶提取液中分离出quercetin-3-O-β-D-arabinopyranosyl-(12)-β-D-galactopyranoside和quercetin-3-O-β-D-glucuronide两种脂肪酶配体。Sahoo［41］采用溶剂热法，聚乙烯亚胺(PEI)、乙醇胺(EA)、(EDBE)为氨基前体，制得PEI-Fe3O4、EA-Fe3O4、EDBE-Fe3O4氨基化磁性粒子，分别与戊二醛交联剂作用，获得GLU-PEI-Fe3O4、GLU-EA-Fe3O4、GLU-EDBE-Fe3O4，磁性粒子表面的戊二醛与脂肪酶发生相互作用，实现脂肪酶的固定化。其中，EDBE-Fe3O4酶活性最高，是同等游离酶活性的83．9%，此外，EDBE-Fe3O4具有较好的热稳定性、储藏稳定性和重复利用性，其反应动力学参数与游离酶一致。这为脂肪酶的固定化提供了技术支持，同时，实现了脂肪酶抑制剂的快速筛选分离，为研发新的治疗肥胖的药物提供母体化合物。
2．2磁性纳米粒子在α-淀粉酶配体筛选分离研究中的应用
交联酶聚集体(CLEAs)［42］是一种无载体固定化酶技术，是一种将基本纯化的、高浓度的蛋白先沉淀后交联形成不溶性的、稳定的固定化酶技术。较其他酶固定方法，该固定化方法不需要结晶、无需高纯度的酶，该方法可用于大多数酶或蛋白交联酶(蛋白)聚集体的制备，操作简便，应用范围广;获得的固定化酶活性高、稳定性好;无载体、单位体积活性大、空间效率高;Tudorache等［43］将氨基功能化的磁性纳米粒子加入酶溶液，将磁性粒子与酶液混合液进行沉淀、交联，制备了磁交联酶聚集体(MCLEAs)。功能化的磁性粒子可减少酶内赖氨酸残基数，提高酶聚集体的稳定性，同时赋予酶聚集体磁性以进行磁分离，提高酶的使用率。Liu等［44］通过合成α-淀粉酶磁交联酶聚集体从山茱萸果实中提取分离出Querciturone，其α-淀粉酶抑制活性IC50达22．5μg/mL。
2．3磁性纳米粒子在漆酶固定化研究中的应用
漆酶是一种对底物专一性要求较低且氧化还原能力较强的含铜多酚氧化酶，可氧化分解大部分有机污染物，如多环芳烃、多氯联苯、芳氨及其衍生物、染料、色素、炸药等［45］。漆酶主要分布在植物、菌类和微生物中。由于漆酶氧化分解有机物所需条件温和、最终反应产物为水、无污染、来源丰富等优点，在环境保护、造纸业、生物传感器等领域得到广泛研究。然而，游离漆酶稳定性差，且重复利用率低，限制了其在工业中的应用。为克服游离漆酶的缺点，实现漆酶的工业化应用，漆酶固定化技术研究尤为重要，磁性纳米粒子作为近年来酶固定化材料之一，成为漆酶固定化研究的热点。欧阳科等［46］通过化学交联法将漆酶固定在磁性石墨烯载体上，对固定化漆酶的酶学特性及其对双酚A(BPA)的降解功能进行了考察。结果表明，经石墨烯固定后漆酶的耐酸性、耐热性和稳定性有显著提高，漆酶固定后其重复利用性得到改善，重复利用10次后，漆酶活性仍为最初活性的82．01%。固定化酶的米氏常数Km为5．38×10－4mol/L，较游离酶的大，说明固定化酶与底物的亲和力比游离酶小，固定化漆酶对双酚A具有良好的分解能力，水中BPA质量浓度为15mg/L时，经过18h反应，BPA的去除率能达到82．14%左右。Xia等［47］分别制备了氨基化四氧化三铁漆酶固定化酶(Fe3O4-NH2-laccase)和氨基－聚乙烯亚胺四氧化三铁漆酶固定化酶(Fe3O4-NH2-PEI-laccase)，并分别考察了它们的酶学活性和反应动力学参数。结果表明，两种固定化酶较游离酶，酶活性、酶稳定性、酶利用率都明显提高，且对酸的适应能力、热稳定性、储藏稳定性等都有提高;Fe3O4-NH2-PEI-Laccase较Fe3O4-NH2-Laccase有较高的吸附容量和酶活性，Fe3O4-NH2-PEI-Laccase可实现漆酶大量的固定化，更有希望实现漆酶的工业化。
2．4磁性纳米粒子在多酶链式反应中的应用
磁性纳米粒子巨大的比表面积可实现多种生物酶的同时偶联，将分离技术和生物酶磁偶联应用于多酶固定，促进多酶链式反应的研究应用。果汁生产中，颜色、澄清度、口感等是衡量果汁是否合格的重要指标。影响这些指标的因素主要有:细胞壁和细胞质中果胶胶态分散体、淀粉、纤维素和半纤维素等多糖。这些大分子的存在是造成果汁浑浊、口感差的主要原因，而淀粉酶、果胶酶和纤维素酶可以将这些生物大分子分解为小分子，能够有效改善果汁外观和品质。Sojitra等［48］通过共沉淀法合成Fe3O4磁性粒子，以3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为氨基源对Fe3O4氨基化修饰，以戊二醛为交联剂，将功能化磁性粒子与酶混合液混合孵育，淀粉酶、果胶酶、纤维素酶分别与磁性粒子结合并固定，制得磁性复合酶纳米生物催化剂。该磁性复合酶纳米生物催化剂在热稳定性、pH稳定性、重复利用性等酶学活性及反应动力学参数Km较游离酶都有明显提高。利用该磁性复合酶纳米生物催化剂分别进行葡萄、苹果和梨果汁浑浊实验，混合反应150min后，浑浊度分别降低为46%、41%和53%，结果表明，这一磁性复合酶纳米生物催化剂可替代传统果汁的生产方法应用于果汁的工业化生产中。
3展望
综上所述，磁性纳米粒子固定化酶技术已在生物医药、食品、环境保护等领域被广泛应用，并取得了一些重要成就，但仍存在一些需要解决的问题，主要有以下几个方面:①目前，关于磁性纳米粒子固定化酶研究主要集中在脂肪酶和蛋白酶上，其他酶类研究甚少，且磁性纳米粒子固定化酶方法具有局限性，只适用于一类酶或几种酶的固定化;②功能化磁性粒子固定化酶通常存在固定化酶含量较高、而固定化酶活性较低的问题，解决这一问题，对于提高酶使用率、降低成本、实现工业化大规模操作至关重要;③目前，国内外学者对磁性粒子固定化酶条件优化研究较多，针对磁性粒子与酶作用机制研究较少，磁性粒子固定化酶作用机制有待进一步研究，为磁性粒子的改性和选择提供了重要依据;④以磁性粒子固定化酶为催化剂进行催化反应的反应机制需深入研究，以实现磁性粒子固定化酶技术的广泛应用。总之，磁性纳米粒子固定化酶是一个正在蓬勃发展的研究领域，发展更为高效的方法制备磁性纳米粒子固定化酶仍是有待深入研究和具有挑战性的研究课题。
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