合成材料及其发展.doc

合成材料及其发展一、纳米复合材料纳米复合材料是指至少有一种组分材料的分散相尺度小于102纳米量级的复合材料，它的性能优于相同组分的常规复合材料，尤其是在物理力学性能方面。与常规的高分子-无机材料的复合材料相比，纳米复合材料具有独特的纳米尺度效应，具有大的比表面积和强的界面互相作用，使高分子与无机材料的界面之间存在着强的化学结合力，达到理想的粘接性能，可消除高分子基体与无机材料基体的热膨胀系数不匹配的问题，可以充分发挥无机材料的优异的力学性能和高度的耐热性。尼龙6是一种应用很广的工程塑料，它的分子结构和结晶作用使它具有优良的物理和机械性能，然而由于尼龙6分子内存在极性基团，使它的吸水率相对地比较高，热变形温度相对地比较低，强度和模量也不够理想，在一定程度上限制了它被更广泛的应用。由尼龙6和粘土构成的纳米复合材料具有优良的力学性能，具备了高强度、高模量、高热变形温度，还有耐湿性和耐溶剂侵蚀性，因此在相同性能和用途时（如制作结构材料），其重量可比普通的用玻璃纤维制成增强剂的复合材料减轻25。广泛用于制造汽车发动机的配件。在尼龙6和黏土构成的纳米复合材料中，黏土以层状结构分散于尼龙6基体中，对气体具有良好的抗渗透性能，可使气体的透过率降低50以上，具有很好的阻隔作用，是一种良好的阻隔材料。二、质量最轻的材料泡沫塑料泡沫塑料是由大量气体微孔分散在固体塑料中形成的一类高分子材料，具有质量轻、隔热、吸音、减震等特性，用途很广。最早开发的泡沫塑料是20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料，内部芯层发泡，外部皮层不发泡，特点是外硬内韧、强度高、消耗原料少，广泛地代替木材，用于建筑和家具工业以及包装材料。现在，几乎各种塑料都可以制成泡沫塑料。塑料面包制造泡沫塑料的方法称为发泡方法。在一定程度上，发泡方法受到烤制面包和蒸馒头的启发，面包、蛋糕、馒头中都有数不清的小气孔，它们是怎样形成的呢？原来，做面包和蒸馒头的关键一步是要让面粉发酵，通常使用发酵粉（内含小苏打，即碳酸氢钠）或酵母菌，碳酸氢钠在受热时会发生分解，产生大量的二氧化碳气体，二氧化碳气体均匀分散在面包、蛋糕和馒头中，使它们变得疏松多孔。显然，碳酸氢钠起着发泡剂的作用。现在，塑料的发泡方法共有三种：机械法、物理法和化学法。但无论采用什么方法发泡，其基本过程都是：在液态或熔融态塑料中引入气体，产生微孔。使微孔增长到一定的体积。通过物理或化学方法固定微孔结构。机械发泡法是借助强烈搅拌，把大量空气或其他气体引入液态塑料中，工业上主要用此法生产脲醛树脂泡沫塑料，它可用做影剧布景中的人造雪花。物理发泡法常将低沸点的烃类或卤代烃溶解在塑料中，当塑料受热而软化时，溶解在塑料中的烃类或卤代烃液体就会挥发，同时膨胀发泡。例如制造聚苯乙烯泡沫塑料，可在苯乙烯聚合成聚本乙烯时，事先把戊烷溶解在苯乙烯单体中，聚合时就会发泡。也可以在加热和加压下用戊烷处理聚苯乙烯塑料，制得可发泡性聚苯乙烯塑料，然后使它在热水或水蒸气中预发泡，再放到模具中通入水蒸气，使预发泡后的聚苯乙烯塑料二次膨胀，并互相熔结在一起，冷却后即得到与模具形状相同的制品。挤出成型的物理发泡法可用于聚苯乙烯塑料，使其熔融，再加入卤代烃混合均匀，当物料离开机头时即膨胀发泡。物理发泡法还有中空微球法，是将熔化温度很高的空心玻璃微珠与塑料熔融体相混合，然后在玻璃微珠不会破碎的条件下塑料成型，可制得特殊的闭孔型泡沫塑料。化学发泡法可分两类：采用化学发泡剂，它们在受热时分解放出气体。常用的发泡剂有偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、N，N-二亚硝基五亚甲基四胺、碳酸氢钠。许多热塑性塑料均可用此法制泡沫塑料，例如聚氯乙烯泡沫鞋就是把聚氯乙烯树脂、增塑剂、发泡剂和其他添加剂制成的原料，放入注射成型机中，发泡剂在机筒中分解，原料就在模具中发泡成型。泡沫人造革则是将发泡剂混入聚氯乙烯糊料中，再涂刮或压延在织物上，连续通过隧道式加热炉，使物料熔融，发泡剂分解发泡，冷却后，即得泡沫人造革。硬质聚氯乙烯低发泡的板材、管材或异型材则用挤出法成型。发泡剂在机筒中分解，物料离开机头时，压力降到到常压，溶入塑料的气体即膨胀发泡。利用聚合过程中的副产物气体进行发泡。典型的例子是制造聚氨酯泡沫塑料。当异氰酸酯和聚酯或聚醚进行缩聚反应制造聚氨酯时，部分异氰酸酯会与水、羟基或羧基反应，生成二氧化碳气体，只要气体的放出速度和缩聚反应速度调节得当，即可制得泡孔十分均匀的高发泡制品。分类与应用泡沫塑料的种类很多，其中的微孔之间互相连通的称为开孔型泡沫塑料，微孔之间互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料。泡沫塑料又有硬质和软质之分，按照美国试验和材料学会颁布的标准：在1829下，在时间5秒内，泡沫塑料绕直径为2.5厘米的圆棒一周，如果不断裂，属于软质泡沫塑料；如果断裂，则属于硬质泡沫塑料。泡沫塑料还分为低发泡和高发泡两类：通常将发泡倍率（发泡后比发泡前体积增大的倍数）小于5者为低发泡产品，大于5者为高发泡产品。由于泡沫塑料中存在着许多微孔，而这些微孔中都是质量很小的气体，因此泡沫塑料的一大特点，也是一大优点是异常轻巧。软质泡沫塑料的优点是柔软，再加上塑料的耐磨性和耐水性，于是用泡沫塑料制成的拖鞋、凉鞋，鞋底就具有轻巧、柔软、耐磨、舒适以及晴雨皆宜的优点。泡沫塑料鞋多半是用加了多种添加剂（如增塑剂、发泡剂、稳定剂、润滑剂、着色剂）的软聚氯乙烯做的，用的是注射发泡成型方法。泡沫人造革（大多用聚氯乙烯做原料）的花纹和手感与真皮十分相似，所以它可以用来代替皮革和帆布制造手提包、背包、旅行包、公文包、皮箱等。它还适合做沙发、汽车及火车客车座椅的椅面。过去，沙发和软椅的弹性材料都要用钢制的弹簧，上面还要铺棕毛层、棉花层等，而现在大多是用泡沫人造革做的，它很柔软，回弹性好，而且成本大大低于弹簧。聚氨酯泡沫塑料可以做成软质、半硬质和硬质的，这主要由反应后生成的聚氨酯大分子的结构来决定的。例如，反应后生成线状结构的大分子，大分子之间无交联，没有或很少有支链，这就是一种弹性的聚氨酯软泡沫塑料。如果原料中有含三个或三个以上活性基团的单位，反应后就得到网状结构的聚氨酯，大分子间交联点较密，就成了聚氨酯硬泡沫塑料。如果交联程度在硬泡沫塑料和软泡沫塑料之间，就是半硬质聚氨酯泡沫塑料。聚氨酯硬质泡沫塑料的特点是强度好、刚性高、抗压、抗湿、绝热、电绝缘性能优良，并能透过雷达射线，适宜做雷达罩，以及船舶、车辆、冷藏库的隔热材料。它也可用做各种包装材料，具有抗震、耐压、耐碰撞的作用。聚苯乙烯泡沫塑料的产量仅次于聚氨酯泡沫塑料。聚苯乙烯本身是一种性质脆的塑料，在室温下很硬，但是经过发泡以后，聚苯乙烯泡沫塑料改变了原来的性质，变得既轻又柔软，还具有良好的刚性和抗压性，是造船、建筑和冷藏工业中理想的隔热材料。又因为它防水、防潮，抗震性能好，又可按各种被包装的物品的外形制成才各种形状的泡沫块。因此，聚苯乙烯泡沫塑料大量用做家用电器（电视机、录像机、电冰箱、收录机、洗衣机）、仪器仪表、各种易碎物品的包装材料。聚苯乙烯泡沫塑料还可用于金属铸造，以代替木模法。木模法是将木模埋在砂中造型，为了造型以后将木模取出，砂箱必须做成上下两只，为了从砂中将木模拔出，砂型中还必须留有拔模斜度，因此工艺较复杂。如果使用聚苯乙烯泡沫塑料代替木模，则可以不从砂箱中取出，将与铸件形状一样的聚苯乙烯泡沫塑料埋入砂箱中，再把铁水浇铸到砂箱中，铁水的高温可将聚苯乙烯泡沫塑料分解得无影无踪，于是，铁水就会充满聚苯乙烯泡沫塑料留下的空位，冷却后就成为铸件，使铸造工艺简化。如果将可发性的聚苯乙烯珠粒放入挤出机进行挤出吹塑，可以制造各种色彩鲜艳的聚苯乙烯泡沫纸，适合于做工艺品，以及橱窗或展览会用的装饰图案纸。泡沫塑料的比重小，又是疏水的，闭孔型的泡沫塑料有很大的浮力，可做浮标、浮筒、游泳圈、救生圈、救生筏。如果在作战时，还可以用泡沫塑料搭建浮桥，让军队迅速通过。有一种可以在水下发泡的聚氨酯泡沫塑料，它在被打捞的海底沉船内部发泡后，产生的泡沫和泡沫塑料足以将沉船托起，浮出水面。飞机制造业中需要用泡沫塑料做座椅和保温隔层。如果用尼龙泡沫塑料的复合材料做飞机油箱的衬里，即使飞机的油箱被子弹击穿，这种复合材料也会自动闭孔而不使航空汽油漏出来。中空微球塑料的微球是一种空心的玻璃珠，直径为20250微米，壁厚23微米，比重0.260.5，这种塑料具有耐腐蚀、绝热、隔音、不会燃烧等特点，可用做潜水艇的外壳，承受海底的高压。在地下工程和矿井中，泡沫塑料还被用来消除水灾和火灾。有一种可供现场喷射的聚氨酯泡沫塑料，它发泡后产生的泡沫可以迅速地将坑坑道封闭、隔绝空气、堵塞水流，用于灭火和消除水患。泡沫塑料的一大特性是隔热性能良好。过去，军用水壶都是用金属铝制造的，铝的导热性能良好，如果在温度很低的地区，铝质军用水壶中的水就会结冰。现在，有一种塑料水壶，是一种两层塑料中间夹一层泡沫塑料的保暖水壶，塑料的传热性能本来就很差，泡沫塑料尤其能隔热，所以在这种水壶中灌进热水，即使气温低到30，经过几小时后，水壶中的水非但不会结冰，而且还可能是一壶温水呢。在尖端技术中，经常需要能耐低温和超低温的材料。例如气体的液化、贮存、输送技术，火箭中用液氧和液氢做燃料，以及超导技术、超低温医学和生物学都需要泡沫塑料做耐超低温的隔热材料。泡沫塑料在建筑材料工业上的应用也是很引人注目的。木材是一种重要的建筑材料，几千年来，盖房子都离不开木材，但是这种自然资源毕竟有限，而且森林还起着调节气候、净化空气、防风固沙、保持水土的作用，不应该过度采伐。化学家开始想到用塑料代替木材。这种产品是低发泡泡沫塑料。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、低压聚乙烯、聚酯都可制成低发泡塑料，它的外观可与木材相似，比重也相近，也可以和木材一样，进行锯、刨、钉等加工工艺，或用胶粘剂粘接，做成制品以后也可以涂漆。弹性模量是结构材料的主要性能指标之一，木材具有较高的弹性模量，因此可做结构材料。低发泡塑料的比重虽然接近木材，但弹性模量不如木材高，为此，可以用玻璃纤维或石墨纤维对低发泡塑料进行增强，制成纤维增强低发泡塑料，使它的弹性模量提高，成为强度高的材料。低发泡塑料除了可以代替木材用做建筑材料外，还可以制造家具，做各种车辆和船舶的内装修材料、隔热材料，以及钟表外壳、仪表外壳等等。采用大型注射成型机有可能一次注射成各种家具、厨房用具，不需要像木制家具在加工时经过锯、刨、粘接等多道工序。合成木材与天然木材相比，还有许多其他优点，如表面光洁、吸水率低、不易变形、不怕虫蛀、容易成型，纤维增强的低发泡塑料的强度甚至可以超过天然木材。泡沫塑料在建筑物的保暖和防寒方面可以发挥很大作用。由于泡沫塑料里面有很多气体和微孔，使它具有优良的隔热、隔间性能。除了广泛用于建造冷库之外，在一般建筑物中，也可以将聚苯乙烯泡沫塑料或其他泡沫塑料的砌块用胶粘剂一块一块地粘接起来作为墙体，这样不但保暖性好，而且施工速度快。另外，建筑物中的泡沫塑料复合墙板、泡沫塑料复合墙纸也起到防寒保暖作用。三、玻璃工业中的异乡人有机玻璃话说玻璃说起玻璃，它具有相当悠久的历史。古埃及人很早就掌握了制造玻璃的技术，人们曾经从公元前1000多年的埃及墓葬中发现过玻璃器皿。罗马人则制造出比埃及人更好的玻璃。到了炼金术时期，炼金术士开始用玻璃制作仪器来做化学实验。玻璃仪器透明、耐高温、耐酸和耐大多数化学药品的腐蚀，容易加工成各种形状，用起来得心应手，比使用其他材料好得多，直到今天，它仍是重要的不可缺少的化学仪器。制玻璃最基本的原料是石英（砂子）、石灰石、碳酸钠或碳酸钾，玻璃内部的基本结构单元是硅氧四面体。虽然，目前的玻璃品种已发展了许多，例如石英玻璃、泡沫玻璃、变色玻璃、吸热玻璃、光学玻璃、微晶玻璃、易熔玻璃、导电玻璃、仪器玻璃等，但它们都是无机化合物，尽管都具有自己独特的优点，但是，却存在着一个共同的缺点一摔就破。玻璃世界的异乡人有机玻璃就是在这样的条件下闯进来的，它是高分子透明材料。顾名思义，有机玻璃和无机玻璃属于不同类的化合物，是一类有机高分子化合物。高分子透明材料的特点是透光度高，相对密度小（比无机玻璃轻得多），绝缘性能良好，具有一定的强度和韧性（不像无机玻璃那样容易破碎），加工成型工艺比较简单，可以制成各种透明的板、管、棒材，以及各种物罩、器皿、光学镜片、透明模型等。它的缺点是使用温度低，表面硬度小，不耐磨损，在受到较大的应力或在某种有机溶剂作用时会产生微裂纹，这种微裂纹在光线照耀下闪烁着银光，故称银纹。严重的银纹会影响材料的透明度。另外，高分子透明材料在长期使用中，由于受到紫外线和湿热环境的影响，会发生降解反应，使表面发黄。有机玻璃是通俗名称，这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，化学式是：1927年德国罗姆哈斯公司的化学家在两块玻璃板之间将丙烯酸酯加热聚合时，生成了粘性橡胶状夹层，可用做防破碎的安全玻璃。当他们用同样的方法浇铸和使甲基丙烯酸甲酯聚合时，得到了透明度很好与其他性能也良好的有机玻璃板，即聚甲基丙烯酸甲酯，它是最重要的丙烯酸酯聚合物产品。1931年以后，罗姆哈斯公司设厂投产，而且在1936年首先在飞机工业上应用，取代了赛璐珞塑料（是由硝酸纤维素制成的一种透明塑料）板，用做飞机座舱罩等。有机玻璃的生产方法有三种工艺：浇铸本体聚合法（此法应用最广）。将甲基丙烯酸甲酯单体和引发剂（如过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈等）以及增塑剂（如苯二甲酸二丁酯等）混合均匀后，先加热预聚，制得的浆液浇铸在一定厚度的无机玻璃模型内，在风速一定的循环空气烘房内，于40左右聚合至胶体状态，再于95110下进行高温聚合，最后降低至室温，脱模后即得有机玻璃产品。乳液聚合法。甲基丙烯酸甲酯单体在水中进行乳液聚合，采用非离子型乳化剂，引发剂为水溶性的过硫酸钾或过硫酸铵，聚合物可用注射成型和挤出成型加工。此法经济，工艺简单。悬浮聚合法。甲基丙烯酸甲酯单体被分散在水介质中，在搅拌下加热聚合，制得直径为0.11.0毫米的珠状体聚合物，再用注射成型和挤出成型加工。此法可降低成本，节省大量平板无机玻璃做模型。如果在生产有机玻璃时加入各种染色剂，就可聚合成彩色有机玻璃；如果加入荧光剂（如硫化锌），可聚合成荧光有机玻璃；如果加入珍珠粉（如碱式碳酸铅），则可制得珠光有机玻璃。优异性能及应用有机玻璃的特性是：高度透明性。它是目前最优的高分子透明材料，透光率达到92，比无机玻璃还高。太阳灯上的灯管是用石英做的，这是因为石英能完全透过紫外线，普通无机玻璃只能透过0.6，但有机玻璃却能透过73。机械强度高。有机玻璃的式量大约为200万，存在柔软的大分子链段。因此，有机玻璃的强度比较高，它的抗拉强度可达600750千克/厘米2，冲击强度可达1213千克/厘米2，比无机玻璃高718倍。有机玻璃的分子链本来是无规则排列的，若将它加热到玻璃化温度之上，并从两个方向或多个方向拉伸到一定程度，使结构中各个分子链沿拉伸方向排列成有序状态，就制成了取向聚甲基丙烯酸甲酯（或称拉伸的丙烯酸酯塑料）。其冲击强度和抗银纹性都可提高1.5倍，显著地改善了韧性，用钉子穿透时不产生裂纹，被子弹击穿后不会破成碎片，可做防弹玻璃。因此，现今的军用飞机都用拉伸过的取向聚甲基丙烯酸甲酯做座舱盖。重量轻。有机玻璃的比重为1.18，同样大小的材料，其重量只有无机玻璃的一半、金属铝（属于轻金属）的43。易于加工。有机玻璃不但能用车床进行切削，钻床进行钻孔，而且能用丙酮、氯仿等溶剂粘接成各种器具，也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型方法制成大至飞机座舱盖，小到假牙、牙托等形形式式的制品。有机玻璃具有以上优点，使它的用途也极为广泛。除了在飞机上用做座舱盖、风挡、舷窗外，也用于吉普车风挡，大型建筑和住宅的天窗（可以防破碎），电视的屏幕，仪器和设备的防护罩，电讯仪表的外壳。光学镜片还可用于望远镜和照相机。有机玻璃的日用品也是琳琅满目的，如用珠光有机玻璃制成的纽扣，还有各种玩具、灯具也都因为有了彩色有机玻璃的装饰作用，使它们增添了特色。有机玻璃在医学上还有一个绝妙的用处，就是制造人工角膜。如果人眼的透明角膜长满了不透明物质，光线就不能进入眼内，这就是全角膜白斑病引起的失明，这种病无法用药物治疗。医学家设想用人工角膜代替长满白斑的角膜。所谓人工角膜，就是用一种透明的物质做成一个直径只几毫米的镜柱，然后在人眼的角膜上钻一个小孔，把镜柱固定在角膜上，光线通过镜柱进入眼内，人眼就能重见光明。早在1771年，就有眼科医生用光学玻璃做成镜柱，植入角膜，但并未成功。后来用水晶代替光学玻璃，也只用了半年就失效了。在第二次世界大战中，有些飞行员的飞机失事，飞机上用有机玻璃做的座舱盖炸碎时，他们的眼睛里嵌入了有机玻璃碎片，虽然许多年以后，这些碎片并未被取出，但也并未进一步引起人眼发生炎症或其他不良反应。这个偶然的发现说明有机玻璃和人体组织有良好的相容性，同时它又启示了眼科医生，采用有机玻璃制造人工角膜，它的透光性好，化学性质稳定，对人体无毒，容易加工成所需形状，能与人眼长期相容。现在，这种人工角膜已经普遍用于临床。四、钢铁的竞争者工程塑料金属是工农业生产、科学技术和人类生活不可缺少的材料，其中钢铁更是一个国家发达与否的标志。制造一辆一需要100多吨钢铁，一辆汽车需要510吨钢铁，一辆履还式拖拉机需要1020吨钢铁。尽管钢铁和各种金属材料的产量年年在增长，但仍然不能充分满足各方面的需求。摆在人们面前的任务则是不能单纯靠增产钢铁和金属材料来解决，最好的办法是大量发展钢铁和金属的代用品。于是，工程塑料就应运而得了。塑料代钢铁工程塑料指可作为结构材料的塑料，主要产品有聚酰胺（即尼龙）、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、ABS树脂、聚酯、聚氨酯、聚砜、聚苯硫醚等。工程塑料的主要特性是：密度小，一般为钢铁的1/4，铜的1/91/5，铝的1/2，这对全面减轻车辆和飞行器的重量具有特殊意义；比强度高；化学稳定性好，对酸、碱以及一般有机溶剂都有良好的耐腐蚀性；电绝缘性优良；耐磨，具有自润滑性，可以降低摩擦力；耐热必和尺寸稳定性高；抗冲击、抗疲劳性能优良。用工程塑料代替钢铁和其他金属的潜力是很大的。例如颁在城市里的纵横交错的自来水管和煤气管，乃至上万米长的输油和输气管道，各种机床乃至机器设备的零件，小到如门把手等一类五金产品，只要有一部分能被塑料代替，其节约的效果也会相当显著。工厂中的噪声令人烦躁，例如磨床开动时的噪声就很大，它的噪声主要是由于调整盍的滚动轴承中的钢球和金属保持架之间的摩擦和碰撞产生的。如果磨床采用工程塑料做保持架，则塑料具有优良的吸震和消声作用，它与其他物体摩擦和碰撞时，可将大部分能量吸收，而不会发出噪声。纺织厂织布机的巨大噪声是打击织梭和传动机械摩擦造成的。如果利用尼龙浇铸成的齿轮代替金属齿轮，在传动装置互相摩擦时，也会起减震和消声作用。许多工厂都需要将产品磨细，要使用大大小小的球磨机，机器中用大量的钢球将物料磨细，钢球和球磨机的壳体之间的摩擦和碰撞，产生的噪声，比磨床大很多倍。如果用工程塑料的板材代替球磨机壳体的钢板，塑料与我风 球之间的摩擦和碰撞声将会大大地降低。几种工程塑料聚碳酸酯是一种透明度可以达到8590的工程塑料，它也和有机玻璃一样，用来制造超音速飞机的风挡和座舱罩。聚碳酸酯做的薄膜大量用于电子工业，用来制造各式电容器。这些电容器具有体积小，绝缘性好的优点，而且制造工艺十分简单。只要在一定厚度的两层聚碳酸酯薄膜之间夹上两片铝箔，引出接头，然后紧紧地卷在一起，送进烘箱加热到把铝稍包封在电容器中，制得的电容器晶莹透明、美观耐用，性能优良。聚甲醛也是一种重要的工程塑料，它的抗张强度高于黄铜和锌，聚甲醛经过拉伸处理后，一根直径为3毫米的细丝可承受1104牛的拉力，因此其抗张强度都可与钢材比美。聚甲醛还具有摩擦系数小、耐磨性好的特点，可以在不用润滑油的情况下进行自润滑，还能耐有机溶剂腐蚀，吸水性也很小。聚甲醛可以用注射、挤出、吹塑等成型方法加工，也可进行机械加工，焊接和电镀等二次加工。聚甲醛主要用在电子、汽车、建材、轻工等部门，作为密封圈、卷轴、齿轮、轴承、滑块、阀门、键盘、开关、拉链和把手等零件。聚苯醚具有优良的综合性能，最大的特点是在长期负荷下，具有优良的尺寸稳定性和突出的电绝缘性，使用温度范围广，可在127121长期使用。还具有耐水、耐水蒸气性能，并具有较好的耐磨性和抗冲击强度。聚苯醚主要用于代替不锈钢制造外科医疗器械，在机电工业中用做齿轮、鼓风机叶片、管道、阀门、螺钉和其他紧固件及连接件，还用作电子和电气工业中的零部件，如线圈骨架、印刷电路板等。改性聚苯醚广泛用来代替青铜和黄铜，制作各类机械零件。聚砜具有优良的力学性能，硬度高，耐磨性好，并具有较高的玻璃化转变温度，可在150200温度范围内长期使用，对酸、碱、盐稳定。聚砜用于制作电性能优良的电子器件和印刷电路基材，还可用于汽车中的特殊零件的制造和需耐温180的自动传动装置。无意间发现的“塑料王”塑料可以代替钢铁，但是，它能不能代替不锈钢呢？这是摆在高分子化学家面前的又一个艰巨的任务，他们不但要合成出不锈钢的代用品，而且还要求代用品比不锈钢更好。因为不锈钢并非真正不锈，它在许多腐蚀性很强的介质中，同样会被腐蚀。不锈钢是在钢铁中加入一定量的铬、镍、铝、钛等金属炼成的，它的表面上生成了一层惰性的铬、镍等金属氧化物的薄膜，保护了钢不被腐蚀。这样，不锈钢对氧化性酸（如浓硝酸、浓硫酸）的耐腐蚀性能都很强，但对于非氧化性的酸（如盐酸），或者盐水和海水，不锈钢经这些酸和盐的长期作用，也会被腐蚀。实验事故中的新发现在比较稳定的和耐腐蚀的化合物中，含氟的化合物可以算是性能优良的，因此，高分子化学家开始研究含氟高分子。1938年，在美国俄亥俄州大学获得博士学位的化学家普鲁姆凯特开始研究四氟乙烯的聚合反应，以便制取聚四氟乙烯。四氟乙烯的沸点很低，不能在常温下保存，普鲁姆凯特便把四氟乙烯贮存在钢瓶里，再把钢瓶放在冷藏箱中，箱内四周还放有干冰（固体二氧化碳）。有一次，普鲁姆凯特和他的助手雷博克开始做实验，他们从冷藏箱中取出贮存四氟乙烯的钢瓶，接通钢瓶和反应器之间的管道，以便把四氟乙烯气体输送到反应器中，使它发生普鲁姆凯特预先设想好的聚合反应。但没想到实验刚刚开始就发生了故障，雷博克发现并没有四氟乙烯气体通到反应器中，这一点，只要一看钢瓶上的气压表和连接胡反应器上的流量计就知道了。当时，气压表上指示的气体压力是零，流量计上也没有指示有气体流过。那么，钢瓶中的四氟乙烯气体都到哪里去了？他们又仔细检查了阀门，哪现完好无损。最后他们只好把钢瓶拿到磅秤上去称量，结果表明钢瓶中的气体一点也没有少。于是他们把反应器拆开，里面是空的，这说明反应器里根本没有发生任何化学反应。他们又打开钢瓶的阀门，也没有四氟乙烯气体逸出，这时，普鲁姆凯特无意之中摇动了几下钢瓶，里面发出了响声，钢瓶里面好像有什么东西。他们立刻从钢瓶上卸下气压表和阀门，从钢瓶里倒出了很多白色粉末。这时，普鲁姆凯特突然意识到，四氟乙烯气体已经在加压和氧气存在的条件下在钢瓶中发生了聚合反应：在反应中，空气中的氧气起着引发剂（引发聚合反应的化合物）的作用。经过鉴定，普鲁姆凯特确证这种白色粉末就是聚四氟乙烯。1945年，美国杜邦公司在工业规模上生产聚四氟乙烯。惊人的稳定性氟是化学性质最活泼的单质，可是它一旦与碳结合成四氟乙烯以后，就变成了化学性质特别稳定的物质，氟和碳之间形成了很稳定的共价键，不会轻易地被外界的热能、光能以及化学腐蚀破坏。聚四氟乙烯的最大优点是耐化学腐蚀，除熔融的碱金属之外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、浓硝酸、浓盐酸，甚至王水（3份浓盐酸和1份浓硝酸的混合物）中煮沸，其重量和性能也都没有任何变化，它几乎不溶于所有的有机溶剂。聚四氟乙烯不吸潮、不会燃烧，对氧和紫外线稳定，耐候性特别好。它还有良好的电学性能和耐辐射性能。综合这些优点，使聚四氟乙烯获得了“塑料王”的美称。它的耐腐蚀性能远远超过了不锈钢。绝妙的用途用聚四乙烯精馏塔代替不锈钢精馏塔来精馏四氯化硅生产单晶硅，纯度可提高100多倍。其他化工生产中的各种管道、阀门和泵，不但要输送耐腐蚀性的液体、气体，有时温度高达200以上，有时却要低于100，有时还要耐高压。如果用不锈钢，耐腐蚀性能不够好；如果用玻璃和陶瓷，而腐蚀性能虽好，但是容易破碎；如果用橡胶，却不能在高温和低温下使用，只有聚四氟乙烯能适应这些苛刻的条件。聚四氟乙烯还有一个独特的优点，它可以在管道、管件、阀门、泵以及化工生产用的反应釜的内部喷涂一层致密的涂层，同样能够起到防腐蚀的作用，但是聚四氟乙烯的用量却很少。聚四氟乙烯还大量用来制造热交换器。金属热交换器容易结垢堵塞，与金属热交换器相比，聚四氟乙烯具有突出的非粘性，即表面光滑，不会粘附其他物质，因此聚四氟乙烯热交换器解决了结垢堵塞的问题。聚四氟乙烯的非粘性使它在厨房用具方面获得了广泛的应用。用它做成的厨房用具表面光洁，容易洗净。有一种叫做“不粘锅”的炊具，在锅的表面涂上一层聚四氟乙烯涂层，即使不用油，也可以煎鸡蛋，并且食物不粘锅的效果。聚四氟乙烯的非粘性还可用于制造雪橇、滑雪板等运动器材，以减少雪橇与雪地之间的摩擦力，类似的用途正在不断扩大。五、琳琅满目的化学纤维自从人类进入文明时代以后，服装就成为我们不可的生活用品，它不但能够起到保暖作用，而且还是一种美化生活的装饰品。随着人们生活水平的日益提高，大家对哀料和服装的要求越来越高，对纺织工业的发展提出了更高的要求。化学纤维是什么？用来生产纺织品的原料中，以棉、麻、丝、毛（羊毛）的历史最悠久。但是天然资源毕竟有限，棉花的产量约有50千克/公顷，养蚕吐丝也要种桑树，增产羊毛则要发展畜牧业。因此，化学家开始研究，利用价格更便宜、来源更丰富的原料来纺纱织布，它们便是化学纤维。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纺织性能的纤维。化学纤维又分为两大类：人造纤维，以天然高分子化合物（如纤维素）为原料制成的化学纤维，如粘胶纤维、醋酯纤维。合成纤维，以人工合成的高分子化合物为原料制成的化学纤维，如聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维。化学纤维具有强度高、耐磨、密度小、弹性好、不发霉、不怕虫蛀、易洗快干等优点，但其缺点是染色性较差、静电大、耐光和耐候性差、吸水性差。人造纤维想要用人工的方法制造纤维，最好是模仿蜘蛛吐丝结网和蚕吐丝的自然过程，凡是能够吐丝的昆虫的体内都有许多粘稠的液体，然后通过昆虫的小口把这些粘稠的液体吐出来，遇到空气后，粘稠的液体就凝成了细丝。当然，模仿昆虫的小口制成喷丝的机器固然很重要，但是首要的还是能够制出这种粘稠的液体。第一种人造丝是1855年制成的，奥德马尔把硝酸纤维素溶解在乙醚和乙醇的混合溶液里，得到一种粘稠的液体，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。1857年，施韦策尔发现纤维素（如棉花的纤维素）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硫酸中，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。1884年，墨塞尔又发现，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，纤维素磺酸钠便被分解，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，很适合纺丝。由于纤维素横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。粘胶纤维可以采用不适合纺纱的天然纤维（指与适合纺纱的棉、麻不同的天然纤维）为原料来制造，例如木材边角料、芦苇、棉短绒、甘蔗渣、棉花杆、小麦秆等利用率不高的产品，因此它的原料来源丰富、成本低。直到现在，粘胶纤维在合成纤维林立的纺织工业中仍占有一席之地。粘胶纤维除了生产服装之外，还可以在轮胎工业中用作帘子线，因为它具有高强度。卡罗瑟斯与尼龙66人造纤维只能在一定程度上满足人们日益增长的需要，因此，化学家总希望能够像用纯粹人工合成的方法制造酚醛树脂那样，大规模地生产合成纤维，这一理想是由美国化学家卡罗瑟斯实现的。1927年，美国最大的化学公司杜邦公司为了推动高分子化学的基础研究，聘请了大量的化学家和化学工程师，专门成立了研究室，并由卡罗瑟斯担任负责人。1930年，卡罗瑟斯指导他的助手希尔用二元酸和二元醇进行缩合聚合反应，生成酯和水，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。卡罗瑟斯立即意识到，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，因此，有可能用聚酯来纺纱。1937年，卡罗瑟斯用己二胺和己二酸为原料，通过缩合聚反应，制得了聚酰胺。聚酰胺能在熔融状态下拉成细丝，在室温下，这种细丝能拉伸到原来长度的34倍。在拉伸以前，聚酰胺的长链分子是不规则的，但在冷拉伸之后，它的分子链会沿着纤维的轴平等排列，这就大大地增加了聚酰胺纤维的强度和弹性。另外，聚酰胺纤维的软化点也符合纺丝工艺的要求。卡罗瑟斯把这种聚酰胺纤维叫做尼龙66，其中每一个6表示己二胺中有6个碳原子，第二个6表示己二酸中也有6个硕原子。聚酰2胺纤维的中国商品名为锦纶。尼龙66是高分子化学中的一项重大发明，它是世界上第一种合成纤维。杜邦公司为了开发这一产品，投资2700万美元，动员230位化学家和化