高分子材料论文.doc

广西科技大学 现代塑料的发展及其存在的问题 蓝方强、王威、梁忠规、魏小勇、陈道椿、胡宝琦、卢映秋、蒋维军、郑登辉、韦平(广西科技大学机械工程学院机自Y112，广西） 【摘要】该文介绍现代塑料的发展以及在发展过程中所出现的主要问题，同时，还给出了关于这些问题的解决方法。 关键词：发展、 塑料、 问题、 解决方法 【Abstract】In this paper, the development of contemporary plastic and the main problems of this process is introduced, and some solutions of those problems are proposed. Key words ： development, plastic, problem, solution1、 塑料的发展史 从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起，塑料工业迄今已有120年的历史。其发展历史可分为三个阶段。第 7 页1.1天然高分子加工阶段 这个时期以天然高分子，主要是纤维素的改性和加工为特征。1869年美国人 J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质，热压下可成型为塑料制品，命名为赛璐珞。1872年在美国纽瓦克建厂生产。当时除用作象牙代用品外， 还加工成马车和汽车的风挡和电影胶片等， 从此开创了塑料工业，相应地也发展了模压成型技术。1903年德国人 A.艾兴格林发明了不易燃烧的醋酸纤维素和注射成型方法。 在此期间， 一些化学家在实验室里合成了多种聚合物，如线型酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等，为后来塑料工业的发展奠定了基础。1.2合成树脂阶段 这个时期是以合成树脂为基础原料生产塑料为特征。1909年美国人 L.H.贝克兰在用苯酚和甲醛来合成树脂方面， 做出了突破性的进展， 取得第一个热固性树脂酚醛树脂的专利权。 在40年代以前，酚醛塑料是最主要的塑料品种，约占塑料产量的2/3。主要用于电器、仪表、机械和汽车工业。1933年英国卜内门化学工业公司在进行乙烯与苯甲醛高压下反应的试验时，发现聚合釜壁上有蜡质固体存在， 从而发明了聚乙烯。1926年，美国 W.L.西蒙把尚未找到用途的聚氯乙烯粉料在加热下溶于高沸点溶剂中， 在冷却后， 意外地得到柔软、 易于加工、 且富于弹性的增塑聚氯乙烯。这一偶然发现打开了聚氯乙烯得以工业生产的大门。 塑料的世界总产量从1904年的10kt，猛增至1944年的600kt，1956年达到3.4Mt。随着聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等通用塑料的发展，原料也从煤转向了以石油为主， 这不仅保证了高分子化工原料的充分供应， 也促进了石油化工的发展，使原料得以多层次利用，创造了更高的经济价值。1.3大发展阶段 在这一时期通用塑料的产量迅速增大，聚烯烃塑料在70年代又有聚1丁烯和聚 4-甲基-1-戊烯投入生产。 形成了世界上产量最大的聚烯烃塑料系列。 同时出现了多品种高性能的工程塑料。 19581973年的16年中， 塑料工业处于飞速发展时期，1970年产量为30Mt。除产量迅速猛增外，其特点是：由单一的大品种通过共聚或共混改性， 发展成系列品种。 如聚氯乙烯除生产多种牌号外， 还发展了氯化聚氯乙烯、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物、氯乙烯偏二氯乙烯共聚物、共混或接枝共聚改性的抗冲击聚氯乙烯等。开发了一系列高性能的工程塑料新品种。如聚甲醛、聚碳酸酯、ABS 树酯、聚苯醚、聚酰亚胺等。广泛采用增强、复合与共混等新技术，赋予塑料以更优异的综合性能，扩大了应用范围。1973年后的10年间， 能源危机影响了塑料工业的发展速度。 70年代末， 各主要塑料品种的世界年总产量分别为：聚烯烃聚氯乙烯聚苯乙烯塑料总产量19Mt超过100kt接近80kt63.6Mt 1982年开始复苏。 1983年起塑料工业超过历史最高水平， 产量达72Mt。 目前， 以塑料为主体的合成材料的世界体积产量早已超过全部金属的产量。2、现代塑料的发展 目前比较广泛应用的材料有热塑性聚酯树脂工程塑料1和功能塑料2.1热塑性聚酯树脂工程塑料 它是继尼龙 （P A）、聚碳酸酯（PC） 、 聚甲醛（POM）、聚苯对苯二甲酸丁二醇酯（PBT ）和聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PET） 等又一新型塑料。其中，PBT 在塑性工程塑料中占主体地位。目前 80以上的 PBT 都是经过改性的，它可用双螺杆挤出机挤出加工，由于 PBT 工程塑料结晶速度快、 成型模具温度低、成型周期短，适合注射生产薄壁复杂制品，还可以像金属一样采用车、 铣、刨、磨、锉等方法加工， 综台性能优异，可用于电子电气、家电、汽车、机械设备及精密仪表部件等的生产， 还可以取代铜、锌、铝等金属材料及 DAP 等热固性塑料。所以PBT 在电子领域中，特别是个人电子计算机、电话传真及卫星通讯等方面的消费量将进一步增加。2.2功能塑料是当今世界新材料开发中最活跃的领域之一2。主要包过工程塑料3、导电塑料、 磁性塑料、生物塑料、形状记忆塑料等。2.1.1 工程塑料4其主要有：（1）聚酰亚胺、（2）氟塑料、 （3）聚砜（PSF）和聚醚（PES）、（4） 聚芳酯（P AR）、（5）液晶聚台物（LCP）5。当前工程塑料的技术开发十分活跃。在新材料开发方面，主要致力于已有聚合物之间或聚合物与其它材料之间的组合，聚合物合金化，以及与玻璃纤维、无机填料、碳纤维等的复合。在改性方面，则主要是提高工程塑料的耐热性和高强韧性；在成型加工技术开发方面，则致力于使原来不能成型的制品转向可成型或采用特殊成型方法，以获得具有理想强度的制品。2.1.2 导电塑料导电塑料是功能塑料中发展最快的领域之一。导电塑料大致可分为填充型与固有导电型两类。固有导电型又可因其导电之结构而分为电子型、离子型及混合型。近几年来，由于全共轭体系的有机导电高分子研究在理论与实验中均取得许多成果。所以相继开发出各种类型的导电塑料。导电塑料用作塑料电池具有普通电池所没有的优点。如： 比重小、能量密度大、不使用强酸碱、不含有害金属、资源丰富、富加工性及可挠性、 可制成各种形状、无须烧结加工等。2.1.3 磁性塑料6高分子磁性材料, 是人类在不断开拓磁与高分子聚合物( 合成树脂、橡胶) 的新应用领域的同时, 而赋予磁与高分子的传统应用以新的涵义和内容的材料之一。早期磁性材料源于天然磁石, 以后才利用磁铁矿( 铁氧体) 烧结或铸造成磁性体, 现在工业常用的磁性材料有三种, 即铁氧体磁铁、稀土类磁铁和铝镍钴合金磁铁等。它们的缺点是既硬且脆, 加工性差。为了克服这些缺陷, 将磁粉混炼于塑料或橡胶中制成的高分子磁性材料便应运而生了。这样制成的复合型高分子磁性材料, 因具有比重轻、容易加工成尺寸精度高和复杂形状的制品, 还能与其它元件一体成型等特点, 而越来越受到人们的关注。高分子磁性材料主要可分为两大类, 即结构型和复合型。所谓结构型是指并不添加无机类磁粉而高分子中制成的磁性体。目前具有实用价值的主要是复合型。2.1.4 生物塑料生物塑料是一种新崛起的功能塑料。生物塑料的开发与应用将为医学、食品包装及环境保护等领域带来新的革命7。自塑料问世以来，随之而来得就是如此庞大的难降解的 “白色污染” 物塑料垃圾， 它日益成为人类苦恼的问题。塑料不会自行腐烂分解，因而寻找新的对环境友好的塑料原料，发展非石油基聚合物迫在眉睫， 研究开发可降解 无污染的生物塑料便引起科学家们的关注。70 年代以来，欧美和日本等国科学家提出了降解塑料概念，所谓降解塑料就必需在废弃后能短期百分之百降解为无害物质，如生成二氧化碳和水，日本东京工业大学资源化学研究所研究出用微生物制造的生物塑料，能适应生物体。不仅可作医学手术材料和人造骨，且因它在土壤和水中可降解而不污染环境，因而还用于制作农用薄膜和渔网等。阳光下能自行降解的塑料薄膜，可为土壤所吸收。近 30 年来开发了一系列降解塑料产品，其中就有淀粉基塑料。它具有开发具有生物降解性塑料的潜在优势。由于淀粉在各种环境中具备完全的生物降解能力，其分子降解或灰化后， 形成二氧化碳气体，不对土壤或空气产生毒害。2.1.5 形状记忆塑料形状记忆塑料的技术特点在于控制形状记忆材料中具记忆功能的分子链段的形变温度在一定范围内，并通过调节形状记忆材料的非记忆功能分子链段，使最终制品的形变温度在一定的温度范围内调节，从而在稍高于室温的温度条件下即可产生形变和形变恢复。实验室制备的形状记忆塑料具有良好的力学性能和形变能力(形变可达300-400%)，优良的形状记忆性能和适当的形变温度（约在60-75的范围内）。与形状记忆合金相比, 形状记忆塑料不仅具有变形量大、易加工、形状响应温度便于调整、保温、绝缘性能好等优点, 而且不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉,因而获得广泛应用。2.2 目前塑料工业主要面临的问题 塑料工业主要面临的问题有两个方面：一是合成高分子的资源问题；二是塑料广泛使用过程中所造成的环境污染问题8。2.2.1 合成高分子的资源 现在合成高分子化合物主要是以石油为基础的，现代社会所依赖的石油资源正在日益短缺并作为不可再生资源，石油总有枯竭的时候。所以，急需寻找代替石油的资源。2.2.2塑料在广泛使用过程中所造成的环境问题 日常生活中用量最大的热塑性高聚物聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP),聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)等树脂制品的消费量达1135万t/年。据调查, 聚烯烃(PO)薄膜, 可使用23年, 包装材料使用1年, 运输材料使用45年, 建筑材料使用4050年, 日常用品可使用10年。据有关部门统计，2011年中国塑料包装材料需求量已突破1000万吨大关，难以回收利用的塑料废弃物达到650万吨以上9。然而，我国处理废弃的高分子材料的技术还是比较落后, 大部分只是较简单地单纯再生及复合再生。大批量的废弃高分子材料都变成为垃圾, 大量的废旧高分子材料已经严重影响了我们的日常生活如: 分散在土壤中塑料地膜, 易使土质板结, 影响农作物对氧、空气、水分、光的吸收;地面上飞散的薄膜碎片易引起火灾、污染环境; 部分废旧高分子材料在降解中释放对人体有害的气体及毒素。如何处理这些废旧的塑料、纤维、橡胶等已经成为一个日益迫切的环境和经济问题。2.2.3 塑料工业发展过程中存在问题的解决办法 目前的主要解决方法是发展生物可降解高分子材料和垃圾塑料的回收利用1、 生物可降解高分子材料a、天然高分子材料 天然高分子物质如纤维素、半纤维素、木质素、果胶、甲壳素、蛋白质等来源丰富、价格低廉，特别是利用它们制备的生物高分子材料可完全降解，具有良好的生物相容性，且安全无毒，由此形成的产品兼具天然再生资源的充分利用和环境治理的双重意义，因而受到各国的重视。纤维素及其衍生物同样也是重要的生物降解原料，它们在石油开采、造纸业、印刷业、农业、高吸水性材料以及粘接剂方面均有广泛的应用。甲壳素及其衍生物壳聚糖是另一类有发展前途的多糖。基于甲壳素壳聚糖的可生物降解的新型材料是近年来研究的热点之一。 如美国Novamont公司在生产汽车轮胎等橡胶产品方面引入开发出来的淀粉产品Mater-Bi 随后国内外的研究方面主要是基于为了推动这一领域的技术发展而展开的如采用乳液聚合的方法实现生物质对橡胶的改性 Wu10等制备出以硫酸钙为增容剂以大豆粉和天然橡胶为主要原料共混而制得的复合材料其中天然橡胶和大豆粉的含量比为11 用特殊工艺使天然橡胶颗粒充分而均匀的分散与大豆粉基中 由于天然橡胶和大豆粉基分子间都存在着氢键作用,使材料的力学性能和耐水性明显提高。b、合成高分子材料 天然高分子材料虽然价格低廉、能完全降解，但是合成的高分子材料却具有更多的优点。它可以从分子化学的角度来设计分子主链的结构，从而来控制高分子材料的物理性能，而且可以充分利用来自自然界中提取或合成的各种小分子单体。合成高分子主要有化学合成、微生物合成和最新研究的酶促合成高分子。目前，开发的合成高分子产品主要有聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚丁二醇丁二酸酯（PBS）等。除了脂肪族聚酯外，多酚、聚苯胺、聚碳酸脂、聚天冬氨酸等也已相继开发成功。c、掺混型高分子材料11 掺混型高分子材料主要是指将两种或两种以上的高分子物共混或共聚，其中至少有一种组分是可生物降解的，该组分采用淀粉、纤维素、壳聚糖等天然高分子。如美国Warner-Lambert公司的“Novon”的主要原料为玉米淀粉，添加可生物降解的聚乙烯醇，该产品具有良好的成型性，可完全生物降解，这是一类很有发展前途的产品。2、 塑料垃圾的回收利用a、玻璃与塑料复合而成的样品砖 由塑料, 玻璃复合而成的样品砖已经研制出来,在国外已经得到了较广泛的应用。其中塑料组分包括聚乙烯, 聚丙烯, 聚苯乙烯, 聚氯乙烯以及ABS, 相同的粒径形态, 较窄的尺寸范围和尺寸分布与近似尺寸的棕色玻璃混合成玻璃塑料复合材料, 其中玻璃的质量百分比根据不同的性能要求可为15%,30%,45%。这种材料能在235模压成标准的粘土砖形状。当温度在2050范围变化时, 经过抗压实验, 发现其断裂应力是普通粘土砖的两倍多。制备这种试样时所要求的塑料不需要区分热塑性和热固性, 因此它的原料来源相当广泛。b、金属橡胶混凝土 金属橡胶混凝土由重量百分比为金属材料0%90%、废橡胶和塑料0%90%、建筑用粗细骨料0%50%、外加剂0%10%和凝胶材料5%60%组成。这种材料具有良好的性能, 它可以有效解决目前各类混凝土结构及现有墙体砌块工程中常出现的各种裂缝, 隔音差、抗震性能不够, 重量重, 抗冲击性不足等问题, 可广泛应用于桥梁、路面、飞机跑道、大坝及其他建筑。c、利用废旧塑料生产的建筑用装饰板材 利用废旧塑料生产建筑用装饰板材的研制已经取得了很大的进展, 其中一种技术已经在实际生产中广泛应用。它是用废旧塑料、色素添加剂、增强剂、增塑剂为原料, 以重量为单位, 每100份废旧塑料匹配510公斤色素添加剂,2050份增强剂,15份增塑剂, 先将废旧塑料洗净、晒干后熔化, 再将熔化后成块状的废旧塑料粉碎为0.5cm左右的细颗粒, 再次熔化同时加入色素添加剂和增强剂, 搅匀后注入模具成型, 冷却后出模, 然后漆上耐温清漆即生产出成品。2.2.4如当前生物质高分子材料在应用趋势方面主要存在几个问题12 一是生产成本高于产品定位其生产成本是普通塑料的13倍左右;二是技术与工艺还不够完善;三是使用性能单一当前商品化生物质材料的综合性能不突出 。以上这些发展中的局限性将促使未来生物质分子材料朝着以下几个方向发展： 一是提高原材料获取技术当前研究的改性技术多以破坏大分子链段为主势必造成生物质某些天然性能的丧失所以为了充分发挥这些材料应有的潜力通过改进工艺和设备提高对于生物质高分子的获取途径和数量未来；二是加大力度研发新型生物降解塑料通过即是开发合成简单工艺所需也是生态环境保护所需更是日常生活所需如尿布和工农业所需如农药瓶；三是研发更高性能的生物质复合材料通过添加生物质高分子材料金属材料陶瓷材料等来提高产品的性能 。3、结语纵观塑料的发展史，在经历了一百多年的探索和创新，塑料工业取得了前所未有的成果，各种材料应运而生，这些高新塑料材料的出现极大地丰富了人类的生活。同时，新塑