第八章 合成材料.doc

前面我们学过无机非金属材料和金属材料，在材料家族中还有一大类非常重要的，这就是高分子材料。高分子材料按材料的来源分，可分为天然高分子材料和合成高分子材料。例如棉花、羊毛、天然橡胶等都属于天然高分子材料，而日常生活中接触到的塑料、合成纤维、粘合剂、涂料等都是合成高分子材料，简称合成材料。随着社会的发展和科技的进步，合成材料的使用大大超过了天然高分子材料。从人们的衣、食、住、行到现代工业、农业、国防和科学技术；从交通运输、医疗卫生到环境、能源等领域，都离不开合成材料。特别是近年来为适应某些特殊领域的需要而发展起来的新型有机高分子材料的出现，大大扩展了合成材料的应用范围。甚至可以说，人类正进入一个合成材料的时代。在本章中，我们将对合成材料作一简单介绍。有机高分子化合物简介一、有机高分子化合物我们知道，烃、醇、醛、羧酸、酯、葡萄糖、蔗糖等有机化合物的相对分子质量都比较低，如蔗糖的相对分子质量是342，硬脂酸甘油酯的相对分子质量是890，它们的相对分子质量很少上千，通常称它们为低分子化合物，或简称小分子。相反，淀粉的相对分子质量从几万到几十万，蛋白质的相对分子质量从几万到几百万或更高，核蛋白的相对分子质量则高达几千万。通常把它们称为高分子化合物，简称高分子。淀粉、纤维素、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等物质都属于高分子化合物。由于高分子化合物大部分是由小分子通过聚合反应制得的，所以也常被称为聚合物或高聚物。高分子虽然相对分子质量很大，但在通常情况下，结构并不复杂。它们是由简单的结构单元重复连接而成的。例如，聚乙烯分子是由成千上万个乙烯分子聚合而成的我们把CH2CH2叫聚乙烯的结构单元，结构单元也叫链节。n表示每个高分子里链节的重复 次数，叫聚合度。n值越大，相对分子质量越大。能合成高分子化合物的小分子物质叫单体。例如，乙烯就是聚乙烯的单体。从单个分子来说，高分子有一定的聚合度，也就是说，n是某一个整数，所以它的相对分子质量是确定的。但对一块高分子材料来说，它是由许多聚合度相同或不相同的高分子聚集起来的。因此，我们从实验中测得的某种高分子的相对分子质量只能是平均值。高分子的这种特性跟小分子是不同的。二、有机高分子化合物的结构特点有机高分子的结构与小分子有很大的不同。单个高分子是由一个个链节连接起来的，成千上万的链节常常连成一条长链。高分子最普通、最重要的结构是长链状的，这就是人们发现的高分子的线型结构（下图）。例如，聚乙烯、聚氯乙烯的长链就是由CC键连接的，淀粉和纤维素的长链则是由CC键和CO键相连接的。可以想象，当这种多条高分子链聚集在一起时，相互间的缠绕使得许多分子间接触的地方以分子间作用力而紧密结合，这就使高分子材料的强度大大增加，相对分子质量越大，相互作用的分子间力就越强。线型结构的高分子，可以不带支链，也可以带支链（下图）。高分子链上如果还有能起反应的官能团，当它跟 别的单体或别的物质发生反应时，高分子链之间将形 成化学键，产生一些交联（上图），形成网状结构，这就是高分子的体型（网状）结构，硫化橡胶就是这样的例子。三、有机高分子化合物的基本性质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，因而它们具有与小分子物质不同的一些性质。1溶解性【实验1】取有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）粉末0.5g放入试管中，加入10 mL三氯甲烷。观察溶解的情况。【实验2】从废轮胎上刮下一些橡胶粉末，取0.5g放入试管中，加入10mL汽油。观察粉末能否溶解。从实验可以看出，线型结构的有机高分子（如有机玻璃）能溶解在适当的溶剂里，但溶解过程比小分子缓慢；而体型结构的有机高分子（如橡胶）则不容易溶解，只是有一定程度的胀大。2热塑性和热固性【实验3】在一支试管中放入聚乙烯塑料碎片约3g，用酒精灯缓缓加热，观察塑料碎片软化和熔化的情况。等熔化后立即停止加热以防分解。等冷却固化后再加热，观察现象。 我们可以观察到聚乙烯塑料受热到一定温度范围时，开始软化，直到熔化成流动的液体。熔化的聚乙烯塑料冷却后又变固体，加热后又熔化。这种现象就是线型高分子的热塑性。根据这一性质制成的高分子材料具有良好的可塑性，能制成薄膜、拉成丝或压制成所需要的各种形状，用于工业、农业及日常生活等。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，例如酚醛塑料等。3强度 高分子材料的强度一般都比较大，如果分别把10kg高分子材料与金属材料各制成100m长的绳子，在高处悬吊重物，所吊重物的最大质量可见下表。4电绝缘性高分子化合物链里的原子是以共价键结合的，一般不易导电，所以高分子材料通常是很好的电绝缘材料，可广泛应用于电气工业上。例如，制成电器设备零件、电线和电缆的护套等。此外，有的高分子材料还具有耐化学腐蚀、耐热、耐磨、耐油、不透水等性能，可用于某些有特殊需求的领域。但是，高分子材料也有不耐高温、易燃烧、易老化、废弃后不易分解等缺点。因此如何通过改善高分子化合物的结构，改进它们的聚合和加工工艺，以及使用的环境和条件等，以进一步提高高分子材料的性能，减少高分子材料对环境的污染，这些都是高分子材料研究的重要课题。合成材料人工合成高分子材料的出现是材料发展史上的一次重大突破。从此，人类摆脱了只能依靠天然材料的历史，在改造大自然的进程中又大大前进了一步。由于合成材料的原料丰富易得，制造加工简单，性能千变万化，所以，合成材料一经出现，便得到了广泛的应用。合成材料品种很多，塑料、合成纤维、合成橡胶就是我们通常所说的三大合成材料。近年发展起来的粘合剂、涂料等也属于合成材料的范畴。一、塑料人们天天和塑料打交道，究竟什么是塑料呢？塑料的主要成分是合成树脂，它的组成中除了合成树脂以外，还有根据需要加入的具有某些特定用途的添加剂，如能提高塑性的增塑剂，防止塑料老化的防老化剂等。 有些合成树脂具有热塑性，用它制成的塑料就是热塑性塑料，这种塑料可以反复加工，多次使用；相反地，像体型的酚醛树脂，具有热固性，用它制成的塑料就是热固性塑料，这种塑料一旦加工成型，就不会受热熔化。 我们日常生活中用得最多的食品袋、包装袋大部分是由聚乙烯、聚氯乙烯制成的。在表2中列出了其他常见塑料的性能和用途。随着生产的日益现代化和科学技术的迅速发展，人们根据需要制成了许多特殊用途的塑料，如工程塑料、增强塑料、改性塑料等。工程塑料作为工程材料和代替金属使用的塑料，它具有优异的机械性能、电绝缘性能、耐化学腐蚀和耐高温、耐低温等性能。工程塑料的成本比较高，但它对国民经济的发展有重要的意义，近年来增长速度很快，形成了特种工程塑料、增强工程塑料、工程塑料合金等许多新的品种，成为塑料家族中重要的一员。可以相信，在不久的将来，工程塑料在宇宙航空、原子能工业和其他尖端技术领域必将发挥越来越重要的作用。二、合成纤维棉花、羊毛、木材和草类的纤维都是天然纤维。用木材、草类的纤维经化学加工制成的粘胶纤维属于人造纤维。利用石油、天然气、煤和农副产品作原料制成单体，再经聚合反应制成的是合成纤维。合成纤维和人造纤维又统称化学纤维。合成纤维是20世纪30年代开始生产的，具有比天然纤维和人造纤维更优越的性能。在合成纤维中，涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、维纶和氯纶被称为“六大纶”。它们都具有强度高、弹性好、耐磨、耐化学腐蚀、不发霉、不怕虫蛀、不缩水等优点，而且每一种还具有各自独特的性能。它们除了供人类穿着外，在生产和国防上也有很多用途。例如，锦纶可制衣料织品、降落伞绳、轮胎帘子线、缆绳和渔网等。随着新兴科学技术的发展，近年来还出现了许多具有某些特殊性能的特种合成纤维，如芳纶纤维、碳纤维、耐辐射纤维、光导纤维和防火纤维等等。三、合成橡胶橡胶是制造飞机、军舰、汽车、拖拉机、收割机、水利排灌机械、医疗器械等所必需的材料。根据来源不同，橡胶可以分为天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶是以石油、天然气为原料，以二烯烃和烯烃为单体聚合而成的高分子，在20世纪初开始生产，从40年代起得到了迅速的发展。合成橡胶一般在性能上不如天然橡胶全面，但它具有高弹性、绝缘性、气密性、耐油、耐高温或低温等性能，因而广泛应用于工农业、国防、交通及日常生活中。人们常用的合成橡胶有丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等，它们都是通用橡胶。特种橡胶有耐油性的聚硫橡胶、耐高温和耐严寒的硅橡胶等。合成高分子材料的应用与发展，极大地方便了我们的生活。但是，合成材料废弃物的急剧增加却带来了环境污染问题，一些塑料制品所带来的“白色污染”尤为严重。填埋作业是目前处理城市垃圾的一个主要方法，但混在垃圾中的塑料物品是一种不能被微生物分解的材料，埋在土里经久不烂，长此下去会破坏土壤结构，降低土壤肥效，污染地下水；如果焚烧废弃塑料，尤其是含氯塑料会严重污染环境。废弃塑料对海洋的污染也已经成为国际性问题。向海洋倾倒的塑料垃圾不仅危及海洋生物的生存，而且还因缠绕在海轮的螺旋桨上，酿成多起海难事故。近年来一些国家要求做到废塑料的减量化、再利用、再循环。我国1995年颁布的中华人民共和国固体废物污染环境防治法中，对治理“白色污染”也作出了具体的规定。总之，减少和最终消除“白色污染”，建立既满足当代人的需要，又不威胁子孙后代和不污染环境的绿色文明，实行可持续发展战略，是我们唯一的选择。 阅读 粘合剂和涂料除了塑料、合成纤维、合成橡胶这三大合成材料以外，粘合剂和涂料也是两种重要的合成高分子材料。粘合剂又称胶粘剂，简称胶，日常生活中常用的糨糊、胶水就是最普通的粘合剂。粘合剂根据来源可分为天然粘合剂和合成粘合剂。我国是人类最早发现和使用天然粘合剂的地区之一，很久以前就用动物的皮、筋、骨等熬制成骨胶、皮胶，用于粘结木材等。合成粘合剂粘结力强，性能优异，与焊接、铆接、钉接等传统连接方式相比较，粘接有质量小、强度高、工艺温度低、绝缘和抗腐蚀性能好、连接部位受力均匀等优点，因而得到了广泛的应用。特别是近几十年来，由于宇航、飞机、汽车、电子、机械加工等行业的发展，对粘合剂提出了更高的要求，随之研制出一系列特种粘合剂，如耐高温、超低温、导电、导磁、导热、医用以及可在水中使用的各种粘合剂，等等。涂料是一种有机高分子的混合液或粉末。涂料在物体表面上，能形成附着坚固的涂膜，达到保护、美化或者装饰的目的。常用的油漆就是较早使用的涂料。在材料科学中，涂料占据着重要地位。大量的涂料不仅用于建筑、船舶、车辆、机械以及家电、家具的保护和装饰，美化人们的生活，而且各具特色的特种涂料如耐高温涂料在航空、航天方面还有重要的用途。在火箭的外壳上涂上一层又轻又薄的耐高温涂料，可以阻止因火箭高速飞行而在表面产生的几千摄氏度高温传到火箭内部去，以维持火箭内部的正常运转。我国的涂料工业已初具规模，产量从解放前的不足万吨发展到今天的近百万吨，品种从十几个发展到近千个。可以相信，随着科技的进步，涂料在装饰、防护和尖端技术领域中必将发挥更大的作用。资料 塑料走向“自我毁灭”塑料的优点之一是不会生锈和受腐蚀，但这也是问题之所在：废塑料杯、塑料袋、塑料包装纸和塑料容器遍及全世界城乡和海滨，除非把它们收集起来，否则它们就会年复一年在那里丢人现眼，污染环境。为了对付这个问题，科学家研制出了各种类型的自毁塑料，其方法是在塑料中加入某种化学物质，使其能被光、细菌或其他化学物质溶解乃至消灭。生物自毁塑料：在塑料中加入淀粉，把这种塑料埋进土地后，以淀粉为食的细菌便会把它一点一点破坏掉，最终无害地消失在土壤中。化学自毁塑料：只要在塑料上喷上一种溶剂，就可以使它们溶解。这种塑料可以用作新轿车的保护膜，买好车以后只要在上面喷一层特殊配方的溶剂，与塑料中的化学成分发生反应，从而将其溶解掉，成为无害的物质，并可用水冲洗掉。光学自毁塑料：这种塑料含有一种化学物质，只要一曝光，它就会慢慢地分裂。在法国，这种光学自毁塑料常被铺在田里，以保持土壤热量，用来生产早熟作物，经过一至三年，它们就可以腐烂。但它必须在阳光充足的地方使用，才能保证其按预计的速度腐烂。在美国有四分之一的啤酒罐是用一种叫Ecolyte的塑料制的，这也是一种光学自毁塑料，但是为了避免它们过早腐蚀，必须贮存在不受阳光直晒的地方。医用自毁塑料：这是自毁塑料中的佼佼者。手术后用这种塑料线缝合伤口，可以慢慢被体液吸收，患者再不用为拆线烦恼。用这种塑料做的胶囊可以缓慢溶解，控制药物进入血管的速度。自毁塑料的最大弱点是造价高昂，目前科学家正在研究制造价格低廉和用途更广的自毁塑料。家庭小实验取羊毛织物、化纤织物的纤维各一小段，分别放在火焰上烧，观察它们燃烧时的现象和燃烧的产物，有什么区别？羊毛接近火焰时先卷缩，燃烧时有烧毛发的臭味，燃烧后灰烬较多，为带有光泽的硬块，用手指一压就变成粉末。而化学纤维如锦纶接近火焰时迅速卷缩，燃烧比较缓慢，有芹菜的气味，趁热可以拉成丝，灰烬为灰褐色玻璃球状，不容易破碎。利用这个性质可以初步区分羊毛织物和化学纤维织物。新型有机高分子材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类文明的重要里程碑。当今有人将能源、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出现的那一天起，人们始终在不断地研究、开发着性能更优异、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、空间工业和机械工业等尖端技术发展的需要。除了传统的三大合成材料以外，又出现了高分子膜，具有光、电、磁等特殊功能的高分子材料，生物高分子材料，医用高分子材料，隐身材料和液晶高分子材料等许多新型有机高分子材料。这些新型有机高分子材料在我们的日常生活、工农业生产和尖端科学技术领域中起着越来越重要的作用。本节我们简要介绍其中的两种。一、功能高分子材料功能高分于材料是指既有传统高分子材料的机械性能，又有某些特殊功能的高分子材料。如高分子分离膜是用具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜。它的特点是能够让某些物质有选择地通过，而把另外一些物质分离掉。这类分离膜广泛应用于生活污水、工业废水等废液处理以及回收废液中的有用成分，特别是在海水和苦咸水的淡化方面已经实现了工业化。在食品工业中，分离膜可用于浓缩天然果汁、乳制品加工、酿酒等，分离时不需要加热，并可保持食品原有的风味。未来的高分子膜不仅可以用在物质的分离上，而且还能用在各种能量的转换上，如传感膜能够把化学能转换成电能，热电膜能够把热能转换成电能等。这种新的高分子膜为缓解能源和资源的不足，解决环境污染问题带来希望。在医学上，人们一直想用人工器官来代替不能治愈的病变器官，但是，在过去很长一段时间内都没有成功，主要是材料问题解决不了。直到高分子材料大力发展以后，人们的这种愿望才初步得以实现。合成高分子材料一般具有优异的生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。此外，用作人体不同部位的人工器官，还必须具备某些特殊的功能。拿人工心脏来说，不仅要求材料与血液能有很好的相容性，不能引起血液凝固、破坏血小板等，而且还要求材料具有很高的机械性能。这是因为，心跳一般为75次分左右，如果使用10年，人工心脏就得反复挠曲4亿次，这样高的要求，一般材料是很难胜任的，目前大都使用硅聚合物和聚氨酯等高分子材料。随着医用高分子材料的发展，人类目前已经制成从皮肤到骨骼，从眼到喉，从心肺到肝肾等各种人工器官。所有这些再加上新型高分子药物的发展都将为入类的健康和长寿作出不可估量的贡献。二、复合材料随着社会的发展，单一材料已不能满足某些尖端技术领域发展的需要，为此，人们研制出各种新型的复合材料。复合材料是指两种或两种以上材料组合成的一种新型的材料。其中一种材料作为基体，另外一种材料作为增强剂，就好像人体中的肌肉和骨头一样，各有各的用处。这样可以发挥每一种材料的长处，并避免其弱点，既能充分利用资源，又可以节约能源。因此世界各国都把复合材料作为大有发展前途的一类新型材料来研究。由于复合材料一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在综合性能上超过了单一材料，因此，宇宙航空工业就成了复合材料的重要应用领域。我们知道，质量对于飞机、导弹、火箭、人造卫星、宇宙飞船来说是一个非常重要的因素。有的导弹的质量每减少1 kg，它的射程就可以增加几千米。而且，这些航天飞行器还要经受超高温、超高强度和温度剧烈变化等特殊条件的考验，所以，复合材料就成为理想的宇航材料，它的发展趋势从小部件扩大到大部件，从简单部件扩大到复杂部件，成为宇宙航空业发展的关