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第12章 高分子材料(2)

(3)制作电致变色显示器由于导电塑料在导电时经历了从绝缘体到导体之间不同程度的变化,导致吸收光谱的变化,从而使塑料的颜色也随之改变。据导电塑料的这一特性,可用来制作电致变色显示器。

六、可降解塑料

塑料这种高分子化合物的出现虽然比较晚,但凭借着它优良的性能,很快成为了20世纪材料家族中的一支新兴的力量。随着塑料的科技水平的提高,它已经渗透到人类生产和生活的各个方面,使世界变得更加五彩缤纷。

塑料制品在日常生活中的作用是非常巨大的,这一点也是我们大家有目共睹的,但是塑料制品的回收问题却是一个难点,由于塑料制品非常的难降解,使生活中的多了一项——白色污染。

在日常的生活当中,如果将塑料制品丢弃或掩埋在土壤中,塑料在土壤中存在的时间可长达100年而不分解,会严重妨碍农作物的生长,据测算,在每亩土地中只要残留4kg的塑料垃圾,就会使玉米减产15%左右,小麦减产13%左右,蔬菜减产15%~60%。要是将塑料垃圾焚烧,则会产生大量的有毒气体,严重污染大气。

也正是因为如此,“白色污染”一词逐渐成为废旧塑料污染环境的代名词,为了解这一难题,塑料垃圾的无害化处理已成为当今世界的热门话题;而可降解塑料的出现,是人类在战胜“白色污染”的过程中取得的重大突破。

所谓的可降解塑料是指与普通的塑料具有相同的使用功效,但是当它的功能完成以后,其化学结构可发生重大变化,能自动分解成无害的小分子而与自然环境同化的一种新型塑料;进而减轻了塑料对环境的污染。根据分解方式的不同,可降解塑料主要分为两大类:一是通过微生物的作用使高分子链断裂而降解的生物降解塑料。二是通过阳光的作用使高分子链断裂而降解的光降解塑料。

从20世纪90年代以后,我国一些地区已开始在垃圾袋、商品包装袋、化肥袋、食品袋、卫生用品包装袋等包装上使用可降解塑料。《国家环境保护九五计划和2010年远景目标》中已要求使可降解塑料地膜的使用率达到30%,这将使农田的塑料污染得到逐步控制;相信随着科技的发展,塑料的性能会更加的向环保化的方向发展。

七、光贮存塑料

在科学的发展历程中,半导体材料的出现引起了电装置的革命。计算机的磁盘能够记录信息,是因为通过电信号可以使磁盘上磁性半导体材料的磁性发生变化,因而具有了这样的功能。法国国家研究院的科学家克劳斯找到了一种造价非常的低廉但是性能非常优越的塑料材料——光贮存塑料,它可以用激光来贮存信息,这样可以使计算机的运算速度提高千万倍,同时大大的增加了贮存的密度。例如,用这种塑料制成的激光卡片,大小和信用卡相似,却能贮存800页打字纸的信息容量。用这种塑料制成的光盘比以往使用的任何晶体材料光盘都好,且成本低,一个塑料光盘的成本不到一美元,而晶体材料光盘的成本却在10~100美元之间。但是,虽然光贮存塑料的优越性是可见的,但是其性能还不是很稳定,时间一长会逐渐退化,还有待于改善。

橡胶

橡胶是材料中的一种,是一种链状高分子化合物。通常情况下呈弯曲状态,由于橡胶高分子链是柔性链,所以在遇外力的时候可伸展成为直线型。因此,橡胶具有高弹性,它的这种性能是其他高分子化合物所没有的。橡胶通常可分为两大类:即天然橡胶和合成橡胶。

一、天然橡胶

当印第安人用刀割开野生橡胶树的树干能流出一种白色乳液的时候,天然橡胶就被发现了。把这种乳液涂在布、鞋子和瓶子等物件上,能制成防水布、防水鞋和防水容器;这也算得上是第一代橡胶制品,虽然制造粗糙,但是在当时已经是非常的实用了。由于这种“白色乳液”在空气中会很快变硬而不适用于用于更多的场合。因此,它的使用范围受到了很大的限制和影响。当时间进入到1776年,英国化学家黑立桑和马凯尔用松节油和乙醇的混合液溶解已凝固的胶乳,得到一种粘稠的浆液,把这种浆液涂在布上,溶剂挥发以后,得到一种质量比印第安人的制品好得多的防水布。

橡胶工业也由于黑立桑和马凯尔解决了已凝固的胶乳的加工问题开始蓬勃的发展起来了。而橡胶真正得到广泛应用却在古意德发现橡胶硫化以后。在橡胶未硫化之前,生产出来的产品存在着较大的缺陷,比如它们遇热就会变软,容易发粘;遇冷却又会变硬,弹性变差,同时还有一股非常难闻的气味。

说起硫化橡胶还有一段小故事,这个小故事不仅说的是硫化橡胶的发现,更值得我们学习的是,在日常的生活中我们应该勤观察、勤思考。1844年,美国工程师古意德从焦炭炼钢中得到启示:钢的性能比铁好,只是因为在铁中添加了其他元素。于是他就想:如果在橡胶的加工过程中添加其他物质,会不会也使橡胶的性能得到改善呢?经过长期的实验和尝试,终于发现把硫磺加到热橡胶中,发生剧烈反应后的生成物受热后不发粘并具有良好的弹性,这种技术就是橡胶硫化。硫化作用实际上是对橡胶分子进行一种化学改性,利用硫磺做交联剂,把线型的天然橡胶分子变成三维网状结构的大分子,使橡胶制品变得不粘不脆、坚韧而有弹性。

二、合成橡胶

随着人类的进步和科技的发展以及合成工业的蓬勃发展,橡胶产品得到了广泛的应用,其需要的数量也在逐年的增加。由于橡胶树的种植需要占用大面积的土地,并且橡胶树的生长又具有一定的区域性,使得天然橡胶的产量已经远远不能满足人类发展的需求。于是化学家开始研究如何能用化学的方法来合成橡胶。

对于一件人工合成的物质,其首先要考虑天然物质的物质结构,橡胶的合成也是如此。19世纪20年代,英国化学家和物理学家法拉第首先对天然橡胶进行了分析,确定了橡胶的化学式是C5H8。1860年,英国化学家威廉斯从天然橡胶的热裂解产物中分离出C5H8,它是异戊二烯,是一种不饱和烃。异戊二烯的性质不稳定,在空气中易被氧化,变成白色的弹性体。1879年,法国化学家布恰特先用热裂解法制得异戊二烯,又把异戊二烯重新合成为弹性体。尽管这种弹性体的结构、性能与天然橡胶存在着一些差别,但毕竟在探索从低分子单体合成橡胶的可能性上取得了成功。

随着时间的推移,到了1900年,德国化学家孔达科夫用2,3-二甲基-1,3-丁二烯为原料聚合成了皮革状弹性体,解决了德国缺少天然橡胶的问题。之后,科学家们陆续用其他原料合成了各种不同类型的橡胶。

性能和天然橡胶差不多的常用橡胶叫作通用合成橡胶,主要有以下几类:(1)顺丁橡胶:顺丁橡胶是由1,3-丁二烯为原料聚合成的,具有弹性好、耐低温、耐热和粘结性差的特点,可制轮胎、运输带、胶管等。

(2)丁苯橡胶:丁苯橡胶是由1,3-丁二烯和苯乙烯为原料聚合成的,具有热稳定性、电绝缘性和抗老化性能,可制轮胎、电绝缘材料等。

(3)氯丁橡胶:氯丁橡胶由2-氯-1,3-丁二烯为原料聚合成的,具有耐日光、耐磨、耐老化、耐酸、耐碱、耐热耐油性好的特点,可制电线包皮、运输带、化工设备的防腐衬里、粘胶剂等。

(4)特种合成橡胶:特种合成橡胶是指能在特殊场合(如高温、低温、辐射、高空、特殊介质等)使用的橡胶。

(5)丁腈橡胶:丁腈橡胶由1,3-丁二烯和丙烯腈为原料聚合成的,具有抗老化性、耐油性好和耐高温的特点,可制耐油、耐热的橡胶制品,飞机油箱衬里等。

(6)硅橡胶:在材料的家族中,既耐高温又不怕低温的弹性材料并不多,但硅橡胶就是一种冷热不怕的弹性体,在生产生活中有着非常重要的用途。硅橡胶是由有机硅(如八甲基环四硅氧烷)部分水解、缩聚而成。它的高分子主链是由硅、氧原子相互交替组成(-Si—O—Si—O-),在硅原子上带有有机基团。硅橡胶的最大特点是具有宽广的温度使用范围,能耐300℃高温和-100℃低温。另外还具有其他一系列优异性能,如优良的电绝性、耐臭氧氧化性、无味、无毒、生理论性和耐老化等。所以硅橡胶的应用十分广泛:在电器工业方面主要用于制造电线电缆、电器设备的耐热绝缘,电子设备的包覆、灌注等。在航空工业方面主要用于机舱密封、保护罩、发动机的胶管、火箭燃油门、动力源电缆井盖涂层等。在医疗用品方面,由于人体对硅橡胶的排异性小,因此用硅橡胶制作的人体组织器官可长期且安全地承担起机体功能。硅橡胶可用于人造血管、人造瓣膜、人造心脏等。

(7)氟橡胶:氟橡胶是一种在高分子中含有氟原子的合成橡胶。由于氟橡胶中的碳氟键的键能比一般高聚物理化学键的健能要大得多,因此,氟橡胶具有一些独特的性能,对化学试剂具有高度的抗耐性。不但能耐酸、碱的腐蚀,还能抵御高热无机试剂和有机试剂的进攻。一般高聚物“敬而远之”的有机溶剂,如苯及同系物、氟烃、醇、酯等,对氟橡胶毫无办法;具有高熔融点和高抗热解性。一般高聚物在温度非常高的条件下,往往会发生变性,甚至化为灰烬,而氟橡胶在500℃时仍能保持自己的特性和优点。

氟橡胶在军事工业、航空工业和化学工业上的应用比较广泛。用做飞机、火箭、发动机以及其他机器设备上的密封垫圈、密封带、气体泵和热空气用的薄膜、输送热液用的胶管、火箭里各种复杂的液压和风动系统零件。制造石油工业上各种与溶剂、流体接触的密封件,氟橡胶可保证设备在苛刻条件下长期正常运行。

化学纤维

纤维是材料家族的新秀,具有一定的强度、弹性和吸湿性能、不溶于水的新型材料,是一种分子的长度比直径大很多倍,并且有柔软性的高分子材料。纤维可分为两大类:一类是天然纤维,如棉花、羊毛、蚕丝、麻等;另一类是化学纤维,化学纤维是用天然高分子化合物或人工合成的高分子化合物为原料,经过制备纺丝原液、纺丝和后处理等工序制得的具有组织性能的纤维,如涤纶、尼龙、维纶、腈纶等。根据原料的不同,化学纤维又分为人造纤维和合成纤维两大类。

一、人造纤维

人造纤维的制作成功是科学家受到了蜘蛛吐丝结网和蚕吐丝这个自然过程的启发,与1855年成功的制成的人类历史上的第一块人造丝,这是利用自然界中纤维素作原料,用人工的方法进行化学处理与机械加工制得的纤维。如利用纤维素(木材、棉短绒等)作原料制得的纤维为纤维素纤维,利用蛋白质(牛奶、大豆、花生、玉米等)作原料制得的纤维为蛋白质纤维。

第一种人造丝是科学家——奥德马尔把硝酸纤维素溶解在乙醇和乙醇的混合溶液里,得到一种粘稠液体,通过毛细管把这种溶液挤出,溶剂在空气中挥发后,就凝固成光亮柔韧的细丝。

第二种人造丝是铜氨人造丝。在1857年,施韦策尔发现纤维素类物质很容易溶解在铜氨溶液里。1890年,弗雷梅里和乌尔班发现,溶解了纤维素的铜氨溶液遇到酸以后,就会被分解,使已经溶解的纤维素重新凝固出来。他们利用这一性质,通过细孔把溶解了纤维素的铜氨溶液喷射到稀酸中,使纤维素凝固成细丝,并可进一步纺成非常细、质地柔软、强度很高的人造丝。

在1884年,墨塞尔再次发现,用碱浸泡纤维素能得到一种有丝光的碱纤维。1892年,克劳斯和比万将碱纤维跟二硫化碳反应,纤维便溶解在二硫化碳中,形成纤维素磺酸钠溶液,当这种溶液遇到酸时,纤维素磷酸钠便被分解,重新产生出纤维素。但是,这时产生的纤维素不同于原来的粗纤维素,它很细、质地柔软,很适合于纺丝。由于纤维素磺酸钠溶液的粘度很高,因此用这种溶液生产出来的纤维叫做粘胶纤维,可用来生产服装和轮胎工业中的帘子线。

二、合成纤维

虽然人造纤维在许多的方面满足了人类的需求,但是却并不能在任何方面都能发挥其优良的性能,于是化学家就思考着如何用纯粹人工合成的方法大规模地生产合成纤维。合成纤维的确切的定义就是利用煤、石油、天然气及农副产品作原料,经过化学合成与机械加工等制得的纤维。合成纤维品种繁多,按用途和性能又可将合成纤维分为通用合成纤维和特种合成纤维。通用合成纤维主要有以下几种:

1.聚酯纤维

聚酯纤维耐热性好、弹性模数高、耐冲击强度高、保形性好、吸水性低。其原料来自石油、煤焦油。

是在1930年,由美国杜邦公司的卡罗瑟斯和他的助手希尔创作的原理。他们发现用二元酸和二元醇进行缩合聚合反应,生成酯和水,生成的酯又能聚合成长链的聚酯。当时,希尔发现在烧杯中生成一层厚厚的浆糊状物质,当他从烧杯中取出玻璃搅拌器时,搅拌器上挂了很长的细丝,冷却后细丝很快固化。更重要的是他还发现,细丝能像橡胶一样拉伸,细丝还具有弹性。敏锐的观察力使他意识到,拉伸作用能够使高分子化合物变成平行的线束,跟丝和其他天然纤维的结构一样,有可能用来纺纱,这就是聚酯纤维。聚酯纤维是由二元酸和二元醇缩聚制得聚酯树脂,而后将这种树脂进行熔融纺丝和加工处理制成的合成纤维。因为这类纤维的分子是由酯化反应合成的,所以化学名称叫聚酯纤维。目前,这类纤维的主要品种是聚对苯二甲酸乙二酯纤维,是由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和乙二醇缩聚而成。这种纤维的商品名称,国内叫涤纶,而目前市场上通称为“的确良”。

2.聚酰胺纤维

聚酰胺纤维是当今世界上最先进的合成纤维品种之一,其产量在世界合成纤维种类中占据首位。商品名称,在我国叫锦纶;市场上通称为“尼龙”,具有强度高、耐冲击性好、弹性高、耐磨性好、比重小、耐腐蚀、不发霉、不怕虫蛀、耐酸碱、染色性良好。由于聚酰胺纤维具有优异的性能,所以应用非常广泛。维聚酰胺纤维的主要原料来自石油、煤焦油。目前市场上销量最大的聚酰胺-6,它的单体是己内酸胺。

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