1.4 高分子材料发展历史及未来
1.4.1 高分子材料的三个发展阶段
1.4.1.1 高分子材料发展第一阶段：材料的出现先于科学概念的建立
（1）天然橡胶（natural rubber，NR）的利用、开发与改性
在中美洲与南美洲，11世纪左右当地人用天然橡胶做游戏与生活用品，如容器与雨具等。18世纪法国人发现南美洲亚马孙河有野生橡胶树。橡胶用当地印第安语翻译即“树的眼泪”。割开橡胶树皮即流出乳液，即天然橡胶。19世纪中叶，英国人取橡胶树的种子在锡兰（斯里兰卡）种植成功，并逐渐扩大到马来西亚与印尼等地。
1832年，英国建立了世界上第一个橡胶工厂，生产防水胶布。其采用的是溶解法，将橡胶溶于有机溶剂中，然后涂到布上。当时，橡胶制品受温度影响大，遇冷变硬，加热则发黏。
19世纪40年代美国人发现橡胶与硫黄一起加热可以消除上述变硬发黏的缺点，并可以大大增加橡胶的弹性和强度。通过硫化改性，有力地推动了橡胶工业的发展，因为硫化胶（vulcanized rubber）的性能比生胶优异得多，从而开辟了橡胶制品的广泛应用。
（2）天然纤维素（natural cellulose）的改性
19世纪，德国人开始用硝酸溶解棉纤维，结果可以纺丝或成膜，但其易燃烧，最后制成了无烟炸药。加入樟脑后，可以加工成“赛璐珞”（celluloid），可制作照相底片或电影胶片，还可以制成汽车车身的喷漆，但也易燃。
英国人用氢氧化钠处理棉纤维得到丝光纤维，再用二硫化碳溶解后纺丝，制成黏胶纤维。还可以用木浆做帘子线、玻璃纸及人造丝等。但80年代后期由于二硫化碳的污染问题，使厂家不得不另找他法。
德国人用醋酸酐进行纤维素（cellulose）酯化，获得醋酸纤维素（cellulose acetate，CA），不易燃烧。用于照相底片与电影胶片，也可用于飞机机身涂料或者重新纺丝制成人造丝织物。
（3）最早的合成高分子材料
在20世纪初，美国人用苯酚（phenol）与甲醛（formaldehyde）反应得到可用作电绝缘器材的酚醛树脂（phenol formaldehyde resin，PF），这是最早的合成高分子。尽管建立了一些高分子的制备工业，但当时对天然高分子与合成高分子的结构并不清楚，因此，对聚合反应历程也还不清楚。
1.4.1.2 高分子材料发展第二阶段：科学建立，促进新材料开发
20世纪初，科学家们确认了淀粉的分子式，知道其水解后得到葡萄糖，但其分子之间如何连接并不清楚，当时认为淀粉是葡萄糖或它的环状二聚体的缔合体。天然橡胶裂解得异戊二烯（isoprene），但不知它们之间如何连接以及它的末端结构，认为是二聚环状结构的缔合体。
德国物理化学家斯陶丁格（Hermann Staudinger）经过近10年的研究认为：高分子物质是由具有相同化学结构的单体经过化学反应（聚合）将化学键连接在一起的大分子化合物，高分子或聚合物一词即源于此。1928年当斯陶丁格在德国物理和胶体化学年会上宣布这一观点时，却遭到多数同行反对而未被承认。经过两年的实验验证，1930年斯陶丁格再次在德国物理和胶体化学年会上阐明他的高分子概念观点时，他成功了。之后历经10余载的争论，科学的高分子概念才得以确立。他进一步阐明了高分子的稀溶液黏度与分子量的定量关系，并在1932年出版了一部关于高分子有机物的论著，《The high-molecular organic compounds，rubber and cellulose》，被公认为是高分子化学（macromolecular chemistry）作为一门新兴学科建立的标志。斯陶丁格于1953年获得诺贝尔化学奖（Nobel Prize in Chemistry）。
对大分子概念的一个有力证实是1935年美国杜邦公司发明己二胺与己二酸缩聚而成的高分子聚酰胺，即尼龙66，并于1938年实现工业化生产。尼龙66被用作尼龙袜的材料，以及二战后期美军使用的降落伞材料。进入40年代以后，乙烯类单体的自由基引发聚合发展很快，实现工业化的包括聚氯乙烯、聚苯乙烯（polystyrene，PS）和有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate）等。进入50年代，从石油裂解而得的α-烯烃主要包括乙烯与丙烯。德国人齐格勒与意大利人纳塔分别发明用金属络合催化剂制备得到聚乙烯与聚丙烯，前者1952年工业化，后者1957年工业化。这是高分子化学的历史性发展，因为它们以石油为原料，产量大、价格低廉，可以建立年产10万吨的大厂。他们俩也因此获得诺贝尔化学奖。
进入60年代，由于要飞往月球而开始耐高温高分子的研究。耐高温的定义是材料能够在氮气中、500℃环境中使用一个月；在空气中，300℃环境下使用一个月。耐高温材料主要分为两大类：芳香聚酰胺，例如对苯二胺（p-phenylenediamine）与间苯二酰氯（isophthalyl chloride）缩聚得到的高分子Nomex（聚间苯二甲酰间苯二胺）是太空服的原料，对苯二胺与对苯二酰氯（terephthalyl chloride）缩聚得到的高分子Kevlar（聚对苯二甲酰对苯二胺）是耐高温的高分子液晶材料，用于超音速飞机的复合材料中；杂环高分子，例如聚芳酰亚胺、作为高温黏合剂的聚苯并咪唑（polybenzimidazole，PBI），为现在的宇航飞行所需的材料打下了基础。
1.4.1.3 高分子材料发展第三阶段：规模化与功能化
近年来，高分子材料工业得到了突飞猛进的发展。高分子材料已经不再是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而是国民经济和国防建设中的基础材料之一。
高分子材料主要包括塑料、橡胶与纤维三大合成材料。早在2001年，三大合成高分子材料（合成树脂、合成纤维、合成橡胶）的世界年产量已高达1.8亿吨左右，其中80%以上为合成树脂及塑料，发展十分迅速。我国是高分子材料生产和消费大国，三大合成材料的产量从1981年的142万吨增加到2011年的8161万吨，增加了50多倍；并分别于2009年、2010年开始成为合成橡胶、合成树脂世界第一生产和消费国。
在塑料中占80%的是通用高分子，包括高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯。工程塑料家族在一些要求更为苛刻的领域起着重要的作用。通用工程塑料中有耐高温100～160℃的尼龙、聚碳酸酯、聚酯及聚苯醚（polyphenyl ether，PPO）等。特种工程塑料中有20世纪90年代发展耐热200～240℃的聚醚砜（polyether sulfone，PES）、聚苯硫醚（polyphenylene sulfide，PPS）、聚醚醚酮（polyether ether ketone，PEEK）及聚酰亚胺（polyimide，PI）等。
另外，对复合材料的研究也开始建立并得到了迅猛的发展，例如开始用玻璃纤维的复合材料发展到用碳纤维的耐高温复合材料。20世纪80年代以来高分子黏合剂与油漆涂料也都向耐高温方向发展，也就是工程高分子从结构向非结构材料方面发展。
功能高分子材料是20世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后涌现出的新材料。功能高分子材料除具有力学性能、绝缘性能和热性能外，还具有物质、能量和信息转换、传递和贮存等特殊功能。主要包括化学功能高分子、光功能高分子、电功能高分子和生物医用功能高分子等。
（1）化学功能高分子材料
包括化学反应功能和吸附分离功能。化学反应功能高分子，包括高分子试剂、高分子催化剂和高分子药物、高分子固相合成试剂和固定化酶试剂等。高分子吸附分离材料，包括各种分离膜、缓释膜和其他半透性膜材料、离子交换树脂、高分子螯合剂、高吸水性高分子、高吸油性高分子等。
（2）光电功能高分子材料
此类高分子材料在半导体器件、光电池、传感器、质子电导膜中起着重要作用，包括光功能、电功能及光电转化高分子材料。光功能高分子材料包括各种光稳定剂、光刻胶、感光材料、非线性光学材料、光导材料、光伏材料和光致变色材料等。电性能高分子材料，包括导电聚合物、超导高分子等。能量转换功能材料，包括压电性高分子、热电性高分子、电致发光和电致变色材料及其他电敏性材料等。
（3）生物医用高分子材料
包括医用高分子材料、药用高分子材料、医药用辅助高分子材料、仿生高分子材料等。
1.4.2 高分子材料展望
目前通用高分子材料的发展方向是扩大生产规模，只有超大规模的生产，降低成本，才能获取更大的经济收益。年产30万吨的聚乙烯装置在经济上几乎只有微利。
目前新型复合材料的发展已经越来越重要，如增强塑料，其中碳纤维比一般的玻璃纤维或聚合物纤维性能更好。
仿生材料，例如人工骨骼，虽然已经获得了广泛应用，但尚无与天然骨骼同样性能的材料。利用变色龙皮肤变色的特征，可以在军事上制备有变色性能的迷彩服。
采用新的聚合方法也可以得到新结构、新性能的高分子材料。例如，近些年发展迅速的原子转移自由基活性聚合（atom transfer radical polymerization，ATRP）技术，可以通过分子设计制得多种具有不同拓扑结构（线形、梳状、网状、星形、树枝状大分子等）的、不同组成和不同功能化的、结构明确的聚合物及有机/无机杂化材料。通过超分子聚合（supramolecular polymerization），即分子单元通过分子间非共价作用（氢键、静电作用、范德华力、疏水效应等）缔合在一起，形成超分子聚合物（supramolecular polymer）。超分子聚合物材料对外部条件的变化具有高度的响应性能，使材料的各种可逆性能变为可能。正是这种可逆性能使超分子材料在分子器件、传感器、药物缓释、细胞识别、膜传递等方面有着重要作用。
高分子材料在生命科学方面的应用化发展也越来越迅速，工程塑料等高性能的高分子材料在尖端领域上的应用越来越广泛。另外高分子材料的环境友好性能在材料的应用过程中也越来越重要，如可降解高分子材料，可综合利用的高分子材料等。