高分子材料与生活综述

现代高分子材料综述 摘要 高分子材料作为新时期的全新全能型材料 是现代人类发展的重要支柱 是发 展高新科技的基础与先导 高分子材料的应用将会使人类支配改造自然的能力和社会生 产力的发展带到一个新的水平 对人类的发展将会出现前所未有的促进 新型有机高分 子材料对人们的生产和生活产生越来越大的影响 本文将从高分子材料的定义 主要种 类 应用和以塑料为例介绍与人类生活息息相关的高分子材料的相关常识 一一 前言前言 高分子材料是由相对分子质量比一般有机化合物高得多的高分子化合物为主要成分 制成的物质 一般有机化合物的相对分子质量只有几十到几百 高分子化合物是通过小 分子单体聚合而成的相对分子质量高达上万甚至上百万的聚合物 巨大的分子质量赋予 这类有机高分子以崭新的物理 化学性质 可以压延成膜 可以纺制成纤维 可以挤铸 或模压成各种形状的构件 可以产生强大的粘结能力 可以产生巨大的弹性形变 并具 有质轻 绝缘 高强 耐热 耐腐蚀 自润滑等许多独特的性能 于是人们将它制成塑 料 橡胶 纤维 复合材料 胶粘剂 涂料等一系列性能优异 丰富多彩的制品 使其 成为当今工农业生产各部门 科学研究各领域 人类衣食住行各个环节不可缺少 无法 替代的材料 1 由于高分子化学反应和合成方法对高分子化学学科发展的推动 促进了高分子合成 材料的广泛应用 同时 随着高分子材料的发展 纳米技术与生物技术之间的界限变得 越来越小 并与更多的传统分子科学与技术相结合 因此 我们相信 高分子技术的发 展促使使各类高分子材料得到更加迅速的发展 推广和应用 二二 高分子高分子材料的定义材料的定义 高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料 我们接触的很多天然材料 通常是高分子材料组成的 如天然橡胶 棉花 人体器官等 人工合成的化学纤维 塑 料和橡胶等也是如此 一般称在生活中大量采用的 已经形成工业化生产规模的高分子 为通用高分子材料 称具有特殊用途与功能的为功能高分子 高分子它是生命存在的形式 所有的生命体都可以看作是高分子的集合 树枝 兽皮 稻草等天然高分子材料是人类或者类似人类的远古智能生物最先使用的材料 在 历史的长河中 纸 树胶 丝绸等从天然高分子加工而来的产品一直同人类文明的发展 交织在一起 三三 高分子材料主要种类高分子材料主要种类 3 1 高分子导电材料 与传统导电材料相比较 导电高分子材料具有许多独特的性能 导电高聚物可用作 雷达吸波材料 电磁屏蔽材料 抗静电材料等 介绍了导电高分子材料的结构 种类及 导电机理 合成方法 导电高分子材料的应用 研究现状及发展趋势 3 1 1 导电高分子材料的构成 根据加入基体聚合物中导电成分的不同 复合型导电高分子材料可分为两类 填充复 合型导电高分子材料和共混复合型导电高分子材料 填充复合型导电高分子材料一般是将抗静电剂及各种导电材料加入到基体聚合物中 复合而成 抗静电剂多为极性或离子型表面活性剂 导电材料主要有碳系材料 金属系 材料 金属氧化物系材料 各种导电金属盐类物质以及复合填料等 共混复合型导电高 分子材料是将亲水性聚合物或结构型导电高分子与基体高分子进行共混 它们是抗静电 材料和电磁屏蔽材料的主要用料 其用途十分广泛 3 2 功能高分子材料 3 2 1 功能高分子材料简介 功能高分子是高分子化学的一个重要领域 它是研究各种功能性高分子材料的分子 设计和合成 结构和性能关系以及作为新材料的应用技术 它主要包括化学功能高分子 材料 光功能高分子材料 电 磁功能高分子材料 声功能高分子材料 高分子液晶 医用高分子材料几部分 这一领域的研究主要包括研究分子结构 组成与形成各种特殊 功能的关系 也就是从宏观乃至深入到微观 以及从半定量深入到定量 从化学组成和 结构原理来阐述特殊功能的规律性 从而探索和合成出新的功能性材料 功能高分子是 20 世纪 60 年代末迅速发展起来的新型高分子材料 功能高分子的 内容丰富 品种繁多 发展迅速 已成为新技术革命必不可少的关键材料 必将对 21 世纪人类社会生活产生巨大影响 3 2 2 功能高分子材料的定义 对物质 能量和信息具有传输 转换或贮存作用的高分子及其复合材料称为功能高 分子材料 通常也可简称为功能高分子 有时也称为精细高分子或特种高分子 包括高 性能高分子 7 对功能高分子材料 目前尚未有明确的定义 一般认为是指除了具有一定的力学功 能之外还具有特定功能 如导电性 光敏性 化学性和生物活性等 的高分子材料 所 谓材料的功能 从根本上说 是指向材料输入某种能量 经过材料的传输转换等过程 再向外界输出的一种作用 材料的这种作用与材料分子中具有的特殊功能的基团和分子 结构分不开的 请注意 不可将功能高分子和功能高分子材料混为一谈 这两者是有明显区别的 功能高分子材料从组成和结构上可以分为结构型和复合型两大类 结构型功能高分子材 料是指在高分子链中具有特定功能基团的高分子材料 这种材料所表现的特定功能是由 高分子本身的因素决定的 构成结构型功能高分子材料中的高分子叫功能高分子 而复 合型功能高分子材料 是指以普通高分子材料为基体或载体 与具有某些特定功能 如 导电 导磁 的其它材料进行复合而制得的功能高分子材料 这种材料的特殊功能不是 由高分子本身提供的 3 3 高分子工程材料 3 3 1 工程塑料 塑料是在玻璃态使用的 具有可塑性的高分子材料 它是以树脂为主要组分 加入 各种添加剂 可塑制成的型的材料 其主要组成和分类如下 树脂 树脂是塑料的主要组分 它胶粘着塑料中的其它一切组成部分 并使其具有 成型性能 树脂的种类 性质以及它在塑料中占有的比例大小 对塑性的性能起着决定 性的作用 添加剂 按加入目的及作用的不同 有填料 增塑剂 固化剂 稳定剂 润滑剂 着色剂等 按树脂特性分 1 依树脂受热时的行为分为热塑性塑料和热固性塑料 依树脂合成反应的特点分为聚合塑料和缩合塑料按塑料的应用范围分通用塑料 工 程塑料 特种塑料 2 塑料制品的成型与加工 成型方法 注射成型法 压制成型 浇铸成型 抗压成型 吹塑成型 真空成型等 加工 机械加工 塑料的连接 塑料制品的表面处理 3 性能特点 相对密度小 耐蚀性能好 电绝缘性能好 减摩 耐磨性能好 有消音吸震性 刚 性差 乃热性低 膨胀系数大 热导率小 蠕变温度低 有老化现象 在某些溶剂中会 发生溶胀或应力开裂 4 常见工程塑料 1 常见热塑性塑料 聚酰胺 聚甲醛 POM 聚砜 PSF 聚碳酸酯 PC ABS 塑料等 2 常见热固塑性塑料 经过固化处理 酚醛塑料 环氧塑料 EP 等 5 应用 可以作为 一般构件 普通传动零件 摩擦零件 耐蚀零件 电器零件 3 3 2 橡胶与合成纤维 3 3 2 1 橡胶 1 组成 橡胶是以高分子化合物为基础的 具有显著高弹性的材料 以生胶为原 料加入适量的配合剂而形成的高分子弹性体 2 性能特点 橡胶最显著的性能特点是具有高弹性 其主要表现为在较小的外力 作用下就能产生很大的变形 切当外力去除后又能很快恢复到近似原来的状态 高弹性 的另一个表现为其宏观弹性变形量可高达 100 1000 同时橡胶具有优良的伸缩性和 可贵的积储能量的能力 良好的耐磨性 绝缘性 隔音性和阻尼性 一定的强度和硬度 橡胶成为常用的弹性材料 密封材料 减震防震材料 传动材料 绝缘材料 3 分类 按原料来源可分为天然橡胶和合成橡胶两大类 按应用范围又可分为通 用橡胶与特种橡胶两类 天然橡胶是橡树上流出的乳胶加工而制成的 合成橡胶是通过 人工合成制得的 具有与天然橡胶相近性能的一类高分子材料 通用橡胶是指用于制造 轮胎 工业用品 日常用品的量大面广的橡胶 特种橡胶是指用于制造在特殊条件 高 温 低温 酸 碱 油 辐射等 下使用的零部件的橡胶 4 常用的橡胶材料 1 天然橡胶 是从天然植物中采集出来的一种以聚异戊二烯为主要成分的天然 高分子化合物 它具有较高的弹性 较好的力学性能 良好的电绝缘性及耐碱性 是异 类综合性能较好的橡胶 缺点是耐油 耐溶胶较差 耐臭氧老化性差 不耐高温及浓强 酸 主要用语制造轮胎 胶带 胶管等 2 通用合成橡胶 a 苯橡胶 是由丁二烯和苯乙烯共聚而成的 其耐磨性 耐热性 耐油 抗老 化性均比天然橡胶好 并能以任意比例与天然橡胶混用 价格低廉 主要用于制造汽车 轮胎 胶带 胶管等 b 顺丁橡胶 是由丁二烯聚合而成 其弹性 耐磨性 耐热性 耐寒性均优于天 然橡胶 是制造轮胎的优良材料 主要用 于制作轮胎 胶带 弹簧 减震器 电绝缘 制品等 c 氯丁橡胶 是由氯丁二烯聚合而成 它不仅具有可与天然橡胶比拟的高弹性 高绝缘性 较高强度和高耐碱性 而且具有天然橡胶和一般通用橡胶所没有的优良性能 它应用广泛 既可作通用橡胶 又可作特种橡胶 由于其耐燃烧 故可用于制桌矿井的 运输带 胶管 电缆 也可作告诉三角带及各种垫圈等 d 乙丙橡胶 是由乙烯与丙烯共聚而成 具有结构稳定 抗老化能力强 绝缘性 耐热性 耐寒性好 在酸 碱中耐蚀性好等优点 主要用于制作轮胎 蒸汽胶管 耐热 运输带 高压电线管套等 3 特种合成橡胶 a 丁腈橡胶 是由丁二烯与丙烯腈聚合而成 其耐油性好 耐热 耐燃烧 耐磨 耐碱 耐有机溶剂 抗老化 主要用于制作耐油制品 如油箱 贮油槽 输油管等 b 硅橡胶 是由二甲基硅氧烷与其它有机硅单体共聚而成 具有 高耐热性和耐 寒性 在 100 350 摄氏度范围内保持良好弹性 抗老化能力强 绝缘性好 主要用于 飞机和宇航中的密封件 薄膜 胶管和耐高温的电线和电缆等 c 氟橡胶 是以碳原子为主链 含有氟原子的聚合物 其化学稳定性高 耐蚀性 能居各类橡胶之首 耐热性好 最高使用温度为 300 摄氏度 主要用于国防和高技术中 的密封件 如火箭 导弹的密封圈及化工设备中的衬里等 3 3 2 2 合成纤维 1 定义 凡能保持长度比本身直径大 100 倍的均匀条状或丝状的高分子材料均称 纤维 2 分类 可分为天然纤维和化学纤维 化学纤维又可分为人造纤维和合成纤维 人造纤维是用自然界的纤维加工而成 如叫 人造丝 人造棉 的粘胶纤维和硝化 纤维 醋酸纤维等合成纤维是以石油 煤 天然气为原料制成的 3 合成纤维的品种 1 涤纶 又叫的确良 具有高强度 耐磨 耐蚀 易洗快干等优点 是很好的 衣料纤维 2 尼龙 在我国又称棉纶 其强度大 耐磨性好 弹性好 主要缺点是耐光性 差 3 腈纶 在国外叫奥纶 开米司纶 它柔软 轻盈 保暖 有人造羊毛之称 4 维纶 维纶的原料易得 成本低 性能与棉花相似且强度高 缺点是弹性较 差 织物易皱 5 丙纶 是后期之秀 发展快 纤维以轻 牢 耐磨著称 缺点是可染性差 且晒易老化 6 氯纶 难燃 保暖 耐晒 耐磨 弹性也好 由于染色性差 热收缩大 限 制了它的应用 3 4 高分子生物医学材料 医用高分子是一类令人瞩目的功能高分子材料 是一门介于现代医学和高分子科学 之间的新兴学科 医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复 替代与再生 具有 特殊功能作用的新型高技术合成高分子材料 是科学技术中的一个正在发展的新领域 不 仅技术含量和经济价值高 而且对人类的健康生活和社会发展具有极其重大意义 它已渗 入到医学和生命科学的各个部门并应用于临床的诊断与治疗 3 4 1 生物医用功能高分子材料分类 生物医用高分子材料分合成和天然两大类 下面我们就分别对这两种材料进行详细 的论述 3 4 1 1 天然生物材料 天然生物材料是指从自然界现有的动 植物体中提取的天然活性高分子 如从各种 甲壳类 昆虫类动物体中提取的甲壳质壳聚糖纤维 从海藻植物中提取的海藻酸盐 从 桑蚕体内分泌的蚕丝经再生制得的丝素纤维与丝素膜 以及由牛屈肌腱重新组构而成的 骨胶原纤维等 这些纤维由于他们来自生物体内且都具有很高的生物功能和很好的生物 适应性 在保护伤口 加速创面愈方面具有强大的优势 已引起国内外医务界广泛的关 注 自然界广泛存在的天然生物材料仍有着人工材料无可比拟的优越性能 例如 迄今 为止再高明的材料学家也做不出具有高强度和高韧性的动物牙釉质 海洋生物能长出色 彩斑斓 坚阊义不被海水腐蚀的贝壳等等 甲壳素又称几丁质 chitin 广泛存在于 虾 蟹等甲壳动物及昆虫 藻类和细菌中 是世界上仅次于纤维素的第二大类天然高分 子化合物 它是一种惰性多糖 用浓碱脱去乙酰基可转变成聚壳糖 chintosan 甲壳 素 聚壳糖及其衍生物具有良好的生物相容性和生物降解性 降解产物带有一定正电荷 能从血液中分离出血小板因子 增加血清中 H 6 水平 促进血小板聚集或凝血素系统 作为止血剂有促进伤口愈合 抑制伤口愈合中纤维增生 并促进组织生长的功能 对烧 烫伤有独特疗效 比如家蚕丝脱胶后可得到纯丝素蛋白成分 丝素蛋白是一种优质的生 物医学材料 具有无毒 无刺激性 良好的血液相容性和组织相容性 根据研究报道 由于天然高分子医用材料的独特临床效果 它的应用前景相当广阔 3 4 1 2 合成生物材料 由于天然材料的有限 人们需要大量的生物材料来维持他们的健康 合成高分子材 料因与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能 因而可以植入 人体 部分或全部取代有关器官 因此 在现代医学领域得到了最为广泛的应用 成为 现代医学的重要支柱材料 与天然生物材料相比 合成高分子材料具有优异的生物相容 性 不会因与体液接触而产生排斥和致癌作用 在人体环境中的老化不明显 通过选用 不同成分聚合物和添加剂 改变表面活性状态等方法可进一步改善其抗血栓性和耐久性 从而获得高度可靠和适当有机物功能响应的生物合成高分子材料 目前 使用于人体植 入产品的高分子合成材料包括聚酰胺 环氧树脂 聚乙烯 聚乙烯醇 聚乳酸 聚甲醛 聚甲基丙烯酸甲酯 聚四氟乙烯 聚醋酸乙烯酯 硅橡胶和硅凝胶等 应用场合涉及组 织粘合 手术缝线 眼科材料 人工玻璃体 人工角膜和人工晶状体等 软组织植入物 人工心脏 人工肾 人工肝等 和人工管形器 人工器官 食道 等 3 5 高分子智能材料 智能材料 这一概念是由日本的高木俊宜教授于 1989 年提出来的 所谓智能材 料 就是具有自我感知能力 集累积传感 驱动和控制功能于一体的材料 也是具有感 知功能即识别功能 信息处理功能以及执行功能的材料 具备感知 反馈 响应三大基 本要素 它不但可以判断环境 而且可以顺应环境 通过感知周围环境的变化 适时做 出相应措施 达到自适应的目的 智能材料可分为智能金属材料 智能无机非金属材料 智能高分子材料 智能高分子材料又称智能聚合物 机敏性聚合物 刺激响应型聚合物 环境敏感型聚合物 是一种能感觉周围环境变化 而且针对环境的变化能采取响应对策 的高分子材料 智能高分子材料具有多水平结构层次 较弱的分子间作用力 侧链易引入官能团 便于分子设计和精细控制等优点 这样因此更利于对环境的感知并实现对环境的响应 四四 高分子材料在生活中的应用高分子材料在生活中的应用 4 1 塑料 塑料是我们生活中应用最广泛的高分子材料制品 当今 我们的大多数生活日用品 都是由塑料制成 塑料根据加热后的情况又可分为热塑性塑料和热固性塑料 加热后软 化 形成高分子熔体的塑料成为热塑性塑料 主要的热塑性塑料有聚乙烯 PE 1 聚丙烯 PP 2 聚苯乙烯 PS 3 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 俗称有机玻璃 4 聚氯乙烯 PVC 5 尼龙 Nylon 6 聚碳酸酯 PC 7 聚氨酯 PU 8 聚四氟乙烯 特富龙 PTFE 9 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET PETE 10 加