年轻的材料——高分子材料

时间:2009-09-06 编辑:zhouchunying 手机版

在世界范围内, 高分子材料的制品属於最年轻的材料.它不仅遍及各个工业领域, 而且已进入所有的家庭, 其产量已有超过金属材料的趋势, 將是 21 世纪最活跃的材料支柱.高分子材料在我们身边随处可见。在我们的认识中,高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。今天,我想就高分子材料为主线,研究一下各种高分子材料所具有的特性和优缺点。

从我们以前学过的化学知识中可以知道,高分子材料其实是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物.除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等.碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构.碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物.有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合成出來.這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能.高分子中可以把某些有机物结构(又称为功能团)替换, 以改变高分子的特性.高分子具有巨大的分子量, 达到至少1 万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人們將其称为高分子、大分子或高聚物.高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶(未加工之前称为树脂).

1.橡胶

橡胶是一类线型柔性高分子聚合物,橡胶是一种有弹性的碳氢化合物异戊二聚合,未经加工时以乳剂的形态存在。橡胶乳剂可以从一些植物的树液中取得,也可以是人造的。也是很普遍的高分子材料之一。其分子链间次价力小,分子链柔性好,在外力作用下可产生较大形变,除去外力后能迅速恢复原状。橡胶属于完全无定型聚合物,它的玻璃化转变温度(T g)低, 分子量往往很大,大于几十万。由于橡胶的分子链可以交联,交联后的橡胶受外力作用发生变形时,具有迅速复原的能力,并具有良好的物理力学性能和化学稳定性。所以橡胶是橡胶工业的基本原料,广泛用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他各种橡胶制品。

橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶。

从橡胶的结构来看的话我们不难发现从线性结构来分析未硫化橡胶的普遍结构。由于分子量很大,无外力作用下,呈细团状。当外力作用,撤除外力,细团的纠缠度发生变化,分子链发生反弹,产生强烈的复原倾向,这便是橡胶高弹性的由来。

用型橡胶的综合性能较好,应用广泛。主要有:①天然橡胶。从三叶橡胶树的乳胶制得,弹性好,强度高,综合性能好。②异戊橡胶。全名为顺-1,4-聚异戊二橡胶,由异戊二制得的高顺式合成橡胶,因其结构和性能与天然橡胶近似,故又称合成天然橡胶。③丁苯橡胶。简称SBR,其综合性能和化学稳定性好。④顺丁橡胶。与其他通用型橡胶比,硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨性和弹性特别优异,动负荷下发热少,耐老化性能好,易与天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等并用。

 随后我们介绍一下特种橡胶。特种型橡胶指具有某些特殊性能的橡胶。主要有:①氯丁橡胶。简称CR,由氯丁二聚合制得。具有良好的综合性能,耐油、耐燃、耐氧化和耐臭氧。但其密度较大,常温下易结晶变硬,贮存性不好,耐寒性差。②丁腈橡胶。简称NBR,由丁二和丙腈共聚制得。耐油、耐老化性能好 ,可在120℃的空气中或在150℃的油中长期使用。此外,还具有耐水性、气密性及优良的粘结性能。③硅橡胶。主链由硅氧原子交替组成,在硅原子上带有有机基团。耐高低温,耐臭氧,电绝缘性好。④氟橡胶。分子结构中含有氟原子的合成橡胶。通常以共聚物中含氟单元的氟原子数目来表示 ,如氟橡胶23,是偏二氟乙同三氟氯乙的共聚物。氟橡胶耐高温、耐油、耐化学腐蚀。⑤聚硫橡胶。由二卤代烷与碱金属或碱土金属的多硫化物缩聚而成。有优异的耐油和耐溶剂性,但强度不高,耐老化性、加工性不好,有臭味,多与丁腈橡胶并用。此外,还有聚氨酯橡胶、氯醇橡胶、丙酸酯橡胶等。

2.塑料

我们都知道生活中由于塑料的轻便和便宜,随处可以用到塑料。下面就介绍一下塑料的各种特性和用途。

塑料为合成的高分子化合物,可以自由改变形体样式。塑料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、润滑剂、色料等添加剂组成的,它的主要成分是合成树脂。

广义的塑料定义指具有塑性行为的材料,所谓塑性是指受外力作用时,发生形变,外力取消后,仍能保持受力时的状态。塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间,受力能发生一定形变。软塑料接近橡胶,硬塑料接近纤维。狭义的塑料定义是指以树脂(或在加工过程中用单体直接聚合)为主要成分,以增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中能流动成型的材料。

【塑料与其它材料比较有如下的特性】

  〈1〉 耐化学侵蚀

  〈2〉 具光泽,部份透明或半透明

  〈3〉 大部分为良好绝缘体

  〈4〉 重量轻且坚固

  〈5〉 加工容易可大量生产,价格便宜

  〈6〉 用途广泛、效用多、容易着色、部分耐高温

塑料也区分为泛用性塑料及工程塑料,主要是用途的广泛性来界定,如PE、PP价格便宜,可用在多种不同型态的机器上生产。工程塑料则价格较昂贵,但原料稳性及物理物性均好很多,一般而言,其同时具有刚性与韧性两种特性。

大部分塑料的抗腐蚀能力强,不与酸、碱反应。塑料制造成本低。耐用、防水、质轻容易被塑制成不同形状。是良好的绝缘体。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。

而其也有很多不足之处,比如回收利用废弃塑料时,分类十分困难,而且经济上不合算。塑料容易燃烧,燃烧时产生有毒气体。塑料是由石油炼制的产品制成的,石油资源是有限的。

根据各种塑料不同的理化特性,可以把塑料分为热固性塑料和热塑料性塑料两种类型。

塑料的成型加工是指由合成树脂制造厂制造的聚合物制成最终塑料制品的过程。加工方法(通常称为塑料的一次加工)包括压塑(模压成型)、挤塑(挤出成型)、注塑(注射成型)、吹塑(中空成型)、压延等。

  中国塑料工业经过长期的奋斗和面向全球的开放,已形成门类较齐全的工业体系,成为与钢材、水泥、木材并驾齐驱的基础材料产业,作为一种新型材料,其使用领域已远远超越上述三种材料进入21世纪以来,中国塑料工业取得了令世人瞩目的成就,实现了历史性的跨越。作为轻工行业支柱产业之一的塑料行业,近几年增长速度一直保持在10%以上,在保持较快发展速度的同时,经济效益也有新的提高。塑料制品行业规模以上企业产值总额在轻工19个主要行业中位居第三,实现产品销售率97.8%,高于轻工行业平均水平。从合成树脂、塑料机械和塑料制品生产来看,都显示了中国塑料工业强劲的发展势头。

 塑料技术的发展日新月异,针对全新应用的新材料开发,针对已有材料市场的性能完善,以及针对特殊应用的性能提高可谓新材料开发与应用创新的几个重要方向。

 1 新型高热传导率生物塑料, 这种生物塑料除导热性能好外,还具有质量轻、易成型、对环境污染小等优点,可用于生产轻薄型的电脑、手机等电子产品的外框。

2 可变色塑料薄膜,这种薄膜把天然光学效果和人造光学效果结合在一起,实际上是让物体精确改变颜色的一种新途径。

3 塑料血液,英国设菲尔德大学的研究人员开发出一种人造“塑料血”,外形就像浓稠的糨糊,只要将其溶于水后就可以给病人输血,可作为急救过程中的血液替代品。

4 新型防弹塑料,这种新型材料受到子弹冲击后,虽然暂时也会变形,但很快就会恢复原状并可继续使用。此外,这种新材料可以将子弹的冲击力平均分配,从而减少对人体的伤害。

5 可降低汽车噪音的塑料,该种材料主要应用于车身和轮舱衬垫,产生一个屏障层,能吸收汽车车厢内的声音并且减少噪音,减少幅度为25%~30%。

随着人类对于科技的不断探索和材料研究事业的不断发展,我相信,会有越来越多的新型的塑料产品问世,到时候,就可以更加好的造福人类了。

3.纤维

纤维(Fiber): 聚合物经一定的机械加工(牵引、拉伸、定型等)后形成细而柔软的细丝,形成纤维。纤维具有弹性模量大,受力时形变小,强度高等特点,有很高的结晶能力,分子量小,一般为几万。

纤维大体分天然纤维、人造纤维和合成纤维

天然纤维指自然界生长或形成的纤维,包括植物纤维 (天然纤维素纤维)、动物纤维 (天然蛋白质纤维)和矿物纤维。

人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物——纤维素或蛋白质作原料(如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等纤维或牛奶、大豆、花生等蛋白质),经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。如人造棉、人造丝等。

合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同,是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品,加工提炼出来的有机物质,再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。如涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等。

纤维是天然或人工合成的细丝状物质.在现代生活中,纤维的应用无处不在,而且其中蕴含的高科技还不少呢。导弹需要防高温,江堤需要防垮塌,水泥需要防开裂,血管和神经需要修补,这些都离不开纤维这个小身材的“神奇小子”。

  穿得舒服, 御寒防晒,是我们对衣服的最初要求,如今这个要求已很容易达到。海藻碳纤维做成衣服后,穿着时能长期使人体分子摩擦产生热反应,促进身体血液循环,因此能蓄热保温,而防紫外线辐射的纤维制成衣服便可减少我们夏日撑伞的麻烦。

  而纤维更大的作用早已不仅停留在日常穿着了,粘胶基碳纤维帮导弹穿上“防热衣”,可以耐几万度的高温;无机陶瓷纤维耐氧化性好,且化学稳定性高,还有耐腐蚀性和电绝缘性,航空航天、军工领域都用得着;聚酰亚胺纤维可以做高温防火保护服、赛车防燃服、装甲部队的防护服和飞行服;碳纳米管可用作电磁波吸收材料,用于制作隐形材料、电磁屏蔽材料、电磁波辐射污染防护材料和“暗室”(吸波)材料。

  纤维在环保上也是好帮手。聚乳酸作为可完全生物降解性塑料,越来越受到人们重视。可将聚乳酸制成农用薄膜、纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、生活垃圾袋、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。

  纤维在医药方面的应用已非常广泛。甲壳素纤维做成医用纺织品,具有抑菌除臭、消炎止痒、保湿防燥、护理肌肤等功能,因此可以制成各种止血棉、绷带和纱布,废弃后还会自然降解,不污染环境;聚丙酰胺类水凝胶可能控制药物释放;聚乳酸或者脱乙酰甲壳素纤维制成的外科缝合线,在伤口愈合后自动降解并吸收,病人就不用再动手术拆线了。

  在建筑领域,防渗防裂纤维可以增强混凝土的强度和防渗性能,纤维技术与混凝土技术相结合,可研制出能改善混凝土性能,提高土建工程质量的PP纤维,对于大坝、机场、高速公路等工程可起到防裂、抗渗、抗冲击和抗折性能,在国家大剧院、上海市公安局指挥中心屋顶停机坪、上海虹口足球场等大型工程中已露了一手。

  随着生物科技的发展,一些纤维的特性可以派上用场。类似肌肉的纤维可制成“人工肌肉”、“人体器官”。聚丙酰胺具有生物相容性,一直是人体组织良好的替代材料,聚丙酰胺水凝胶能够有规律地收缩和溶胀,这些特性正可以模拟人体肌肉的运动。

  胶原是人体中最多的蛋白质,人体心脏、眼球、血管、皮肤、软骨及骨路中都有它的存在,并为这些人体组织提供强度支撑。合成纳米纤维能在骨折处形成一种类似胶质的凝胶,引导骨骼矿质在胶原纤维周围生成一个类似于天然骨骼的结构排列,修补骨骼于无形之中。

  蜘蛛丝一直是人类想要模仿制造的,天然蜘蛛丝的直径为4微米左右,而它的牵引强度相当于钢的5倍,还具有卓越的防水和伸缩功能。如果制造出一种具有天然蜘蛛丝特点的人造蜘蛛丝,将会具有广泛的用途。它不仅可以成为降落伞和汽车安全带的理想材料,而且可以用作易于被人体吸收的外科手术缝合线。

  纤维的充填能有效地提高塑料的强度和刚度。纤维增强塑料属刚性结构材料。

  纤维增强塑料主要有两个组分。基体是热固性塑料或热塑性塑料,用纤维材料充填。通常基体的强度较低,而纤维填料具有较高的刚性但呈脆性。两者复合得到的增强塑料中,纤维承受很大的载荷应力,基体树脂通过与纤维界面上的剪切应力,支撑了纤维传递了外载荷。

增强塑料以玻璃纤维使用占优势,其品种很多,无碱玻璃(E-glass)为常用普通纤维,碱金属氧化物含量很低,具有优良的化学稳定性和电绝缘性。高强度玻璃纤维(S-glass)含有镁铝硅酸盐等成分,具有比E-glass纤维高10%-50%的强度。由于化学成分和生产工艺的不同,还有高模量、中碱和高碱等各种玻璃纤维。碳纤维具有较大的刚性和优良的耐腐性,常用于增强热固性塑料。

目前,世界上有机高分子材料的研究正在不断地加强和深入.一方面,对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和推广,使它们的性能不断提高,应用范围不断扩大.例如,塑料一般作为绝缘材料被广泛使用,但是近年来,为满足电子工业需求,又研制出具有优良导电性能的导电塑料.导电塑料已用于制造电池等,并可望在工业上获得更广泛的应用.另一方面,与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强,并且取得了一定的进展,如仿生高分子材料、高分子智能材料等.这类高分子材料在宇航、建筑、机器人、仿生和医药领域已显示出潜在的应用前景.总之,有机高分子材料的应用范围正在逐渐扩展,高分子材料必将对人们的生产和生活产生越来越大的影响.

 

参考文献:材料网,《新型有机高分子材料》,复合材料学报,药用功能的高分子材料,《橡胶参考资料》,《塑料加工应用》,《物理化学》,百度百科,《高性能纤维》

 


 

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