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高分子材料

历史和今天1/37高分子材料重大意义材料是人类赖以生存和发展物质基础，是工业革命先导，关系到国民经济、社会发展和国家安全，是国家综合实力主要标志。高分子材料是当代工业和高新技术主要基石，已经成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺主要确保。因为高分子材料含有许多优良性能，适合当代化生产，经济效益显著，且不受地域、气候限制，因而高分子材料工业取得了突飞猛进发展，如今高分子材料已经不再是传统材料代用具，而是与金属、水泥、木材并列，在国民经济和国防建设中饰演着主要作用四大材料。与此同时，高分子科学三大组成部分――高分子化学、高分子物理和高分子工程也已经日趋成熟。所以，量大面广通用高分子材料经过不停地升级改造，成本大幅度降低、使用性能显著提升；各类新型、适应当代技术发展高分子材料不停涌现。2/37高分子材料历史3/371838年，A.Parker制备出了第一个称为硝酸纤维素人造塑料，并在1862年伦敦国际展览会上展出。1840年，Goodyear和Hancock开发天然橡胶硫化技术，到达了消除橡胶粘性增加弹性目标，从而使得天然橡胶性能发生改变并得到了广泛应用。1851年，硬质橡胶实现商品化。

1870年，美国J.Hyatt在高温高压下制备了低硝酸含量俗称为赛璐珞硝酸纤维素。这是第一个含有商业价值塑料，也是在1907年Bakeland开发出酚醛塑料前唯一商品塑料。而由苯酚和甲醛反应制得酚醛塑料则是最古老真正意义上合成塑料

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1922年，H.Staudinger提出：全部塑料、橡胶和纤维素一类材料都是聚合物或称大分子，从而动摇了传统胶体理论基础。对19世纪大多数研究者而言，分子量超出10,000g/mol物质似乎是难以想象，他们把这类物质同由小分子稳定悬浮液组成胶体系统视为同一物质。Staudinger否定了这些物质是有机胶体观点，并假设那些称为聚合物高分子量物质是由共价键形成真实大分子，同时在其大分子理论中说明聚合物由长链组成，链中单体（或结构单元）经过共价键彼此连接。较高分子量和大分子长链特征决定了聚合物独特性能。尽管一开始他假设并不为大多数科学家所认可，但最终这种解释得到了合理试验证实，为工业化学家们工作提供了有力指导，从而使得聚合物种类迅猛地增加。直到这时，塑料、橡胶和相同天然材料本质才被人们所认识。为此，1953年，Staudinger取得了诺贝尔化学奖。现在人们都已非常清楚：塑料以及橡胶、纤维素、DNA等很多物质都是大分子。

5/37H.Staudinger6/37从1930年开始，聚合物数量和应用都出现了很大增加。在二十世纪30年代，化工企业开启了一系列对我们社会产生了巨大影响基础研究计划。比如，杜邦企业WallaceCarothers开发了各种结构确定聚合物材料，并研究了这些材料结构对其性能影响。这一研究结果在1939年促成了尼龙商品化。20世纪30年代，英国ICI企业成功完成了合成聚乙烯商业化过程。

7/371955年，德国K.Ziegler和意大利J.Natta使用特殊催化剂在低温低压下制得了聚乙烯。他们因在开发含有独特立构规整功效新型聚合反应催化剂方面做出贡献，分别于1964年和1965年取得了诺贝尔化学奖。20世纪70年代发展了用溶液和气体合成线形聚乙烯技术。20世纪80年代中期和90年代早期，新型聚合物开发实现了更多突破。由Natta在20世纪50年代中期发觉单点催化剂，1954年实现了间规立构聚苯乙烯商业化，1984年实现了聚丙烯商业化，90年代早期实现了聚乙烯商业化。8/37德国K.Ziegler和意大利J.Natta

9/3720世纪40年代以后相继工业化树脂品种有：聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯和聚酰亚胺等通用塑料和工程塑料。20世纪60年代初，伴随航空宇航、电子信息、核能、石油化工、汽车、机械制造等高新技术产业发展，研发成功了特种工程塑料。至20世纪80年代末，商品化产品有：聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚芳酯、聚砜、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等。自20世纪60年代起，人们开始重视研究塑料改性方法，用塑料合金、复合材料技术、纳米技术、功效化技术生产改性塑料品种，开发应用于各种塑料制品成型。据统计，当前树脂品种有400多个，其中惯用树脂品种有六十多个，各类树脂及其改性树脂牌号有1万多个。10/3720世纪70年代中期，美国科学家Heeger,MacDiarmid和日本白川英树相关导电高分子材料研究结果，改变了高分子只能是绝缘体观念，在塑料导电研究领域取得突破性发觉，这一领域开创性研究“导电聚合物”取得年诺贝尔化学奖。

11/37我国高分子材料研究起步于20世纪50年代初，经过高分子化学、高分子物理、高分子成型加工和高分子反应工程等学科和产业部门合作，已经开发出了一批高分子材料及生产技术。当前，我国塑料合成树脂产量居世界第四位，塑料机械是最大生产国，塑料制品总产量突破万吨居世界第二位，我国已步入世界塑料大国行列。我国塑料制品业是近几年发展速度较快行业之一，增加速度一直保持在10％以上，塑料合成树脂与添加剂、塑料加工机械与模具、塑料加工与应用等三大支柱行业都展现大幅度增加。

12/37如今生活中高分子13/37一．高分子材料与衣

说到衣着，不论从城市到农村，人们对漂亮实用合成纤维制品都不陌生了。尽人皆知，“确实良”织物制成服装挺括美观、易洗免烫；尼龙袜坚固耐磨；睛纶棉质轻保暖，不蛀不霉，便于洗涤；维尼纶织物透气干爽，穿着舒适。这里所列举就是当前合成纤维中大量生产“四纶”，即由聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制涤纶；由聚酰胺制成尼龙；由聚丙烯腈纺成腈纶和由聚乙烯醇缩甲醛制得维尼纶。14/37自1935年人们研究成功尼龙纤维，1947年制成涤纶纤维，1950年和1953年先后制成腈纶纤维和维尼纶纤维以来，合成纤维品种不下30∼40种。人类告别了单纯依靠大自然赋予棉、麻、毛、蚕丝编织衣着时代，开创了纤维史上第三次革命。到1990年世界合成纤维产量已达1770万吨，占全部纤维45%，年合成纤维产量已达3500万吨。一座年产1万吨合成纤维工厂产量相当于30万亩棉田年产量。由此可见，合成纤维对人类当代生活贡献是不言而喻。

15/37四纶尼龙纤维

涤纶纤维

腈纶纤维

维尼纶纤维16/37要成为符合穿着纤维还有许多问题需要处理。首先要求相对分子质量足够高，在纺制成纤维后要经过深入拉伸和热定型处理，使高分子链沿轴向排列，这么才能取得足够高强度，使制成衣料耐穿耐用。其次是纤维应该含有很好染色性，能够用不一样染料染色，而且色泽鲜艳，色调均匀，着色牢靠，色谱齐全，可为人们提供丰富多彩花色品种。作为服用纤维另一主要要求是希望它们有很好亲水性，即能够吸收水分并能将其向邻近纤维输送，这也就是我们常说吸汗和透气，从而到达调整体温和保护机体目标。除了上述几个要求以外，作为服用纤维还希望它们不起静电(导电)、阻燃、织物手感好等等。17/37

上面提到合成纤维在美化人们衣着中所发挥重大作用，已使其工业化产量多年来大幅度地增加，显著降低了人们对棉、麻等天然纤维依赖。据统计，每生产1万吨合成纤维相当于30万亩棉田棉花产量，节约土地所带来效益是不言而喻。除了合成纤维大规模走进人们服装行列之外，高分子材料在衣着中其它方面应用也毫不逊色。单举衣服中光彩夺目标仿珍珠纽扣来说吧，它们就是利用不饱和聚酯，并加入人造或天然珍珠颜料，然后精巧地将它们排列成所需要色彩图案，经过浇注或离心法得到棒料或薄片，切割或冲压成所需形状，最终经抛光得到。18/37二．高分子材料与食

人类生活中一个主要步骤“食”，与高分子材料关系也十分亲密。高分子材料应用不但给人类带来更多更丰富食品，也极大地丰富了我们生活。我国北方乃至西藏等高寒地域常年能吃到丰富蔬菜品种，寒冬过后提前品尝到鲜甜瓜果，首先得益于塑料大棚功劳。塑料地膜覆盖既保温又保湿，能带来粮食、蔬菜及棉花等作物增产效果，已成为国内外农业增产主要技术方法，是许多严寒和干旱地域农民脱贫致富主要伎俩。塑料地膜与化肥、农药一起已成为现今农业生产中三大化工材料。据统计，我国用于农膜生产聚乙烯(PE)约占全部PE产量1/4。即使因为PE在自然条件下不易降解，长久使用会给土壤带来污染，但高分子材料科学工作者已想出不少方法来处理这个问题。在很快未来，生物降解型地膜将会问世，农用塑料膜将继续为农业作物连续稳产高产做出主要贡献。19/37农业地膜20/37在“食”问题上高分子材料另一主要作用是处理海水淡化问题，芳香聚酰胺或醋酸纤维素制成反渗透中空纤维膜，能够使海水和苦咸水淡化。利用这种中空纤维膜淡化海水是处理沿海地域及岛屿农田浇灌和生活用水有效路径，对中东波斯湾一带缺淡水国家含有尤其主要意义。近年来，我国利用吸水性高分子进行农田保湿大规模试验已取得成功。21/37高分子材料用于日常食品包装、储存、运输、保鲜等方面已为人们所熟知。超级市场琳琅满目标各类食品，除了少数罐装食品仍用金属、玻璃包装外，随手就可取到高分子材料包装食品。它们大多数是聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子制品，这些包装材料以其重量轻、不易碎、免回收、免洗涤、装饰性强、美观大方而大量取代过去玻璃包装。其中聚乙烯薄膜以其水气透过率小、无毒而大量应用于干燥食物。对于一些吸入氧气后易于变质厌氧食品，则采取层压方法将聚乙烯与干燥状态下透氧率极低玻璃纸压成复合膜，然后再在其上涂一层聚丙烯而成为极端厌氧食品包装材料，使食品保鲜期大大延长。高分子材料在食品包装中应用，便利了食品储备和运输，使人们不出家门就能够品尝到天南海北各个地方鲜美食品，给旅行和居家生活带来了很大方便。至于由高分子材料制成餐饮用具，更比比皆是。在市场上看到“不粘锅”，不用放油就能够煎鸡蛋和摊煎饼，它是20世纪70年代未美国杜邦企业推出产品，是在煎锅表面镀上一层光滑耐温聚四氟乙烯膜制成。

22/37三．高分子材料与住

高分子材料与“住”关系倍加亲密。我们祖先早就知道用木料、竹子、草来盖房子和制造家俱，知道用天然漆装饰和保护家俱、房屋，并将猪血-老粉腻子(即血朊胶粘剂)和桐油-石粉-竹纤维用到建筑和家俱制造中。近几十年来，伴随高分子材料工业快速兴起，高分子材料以其漂亮美观，经济实用而在建筑业中又开辟了辽阔应用领域。用于建筑中高分子材料既包含取代金属、木材、水泥等框架结构材料(如在本章开头提到日本在东京湾建造超高层建筑中使用碳纤维增强复合材料)，也包含墙壁、地面、窗户等装饰材料以及卫生洁具、上下水管道等配套材料和消声、隔热保温、防水等各种材料23/37举头能够看见塑料压制美观大方吊灯和镀塑灯具；俯首是色彩鲜艳，不怕虫蛀丙纶地毯或人造大理石；墙外、室内大量使用水溶性涂料或花色丰富壁纸；坐下来是美观人造革内包弹性良好聚氨酯泡沫塑料；随手触摸到是塑料压制家俱；抬眼看到是合成纤维编织金丝绒垂地窗帘；在卫生间看到是美观人造大理石梳妆台(由不饱和聚酯加石灰石和颜料制成)和玻璃钢浴缸，墙内还有看不到保温隔热泡沫塑料；房顶有质轻防雨波形瓦。24/37在建筑中，除了这些大量使用不一样档次高分子材料之外，还有由酚醛或脲醛树脂压制成板材而便于拆装运输活动房、以充气顶棚组成整体式展览馆、由玻璃增强纤维与树脂制成整体模塑住房等。这些轻巧实用，便于快速拆装房屋，为搭制暂时展览场馆、施工现场用房、救灾及野外考查用房等提供了极大方便。25/37活动房屋26/37四．高分子材料与行

至于高分子材料与“行”关系就愈加主要了。高分子复合增强材料自重小，比强度、比模量高，而且可设计性强，首先成为飞机中许多部件首选材料，比如，碳纤维复合材料以其比强度、比模量高，质轻，且在高温(℃以上)情况下强度不降优异特征而被选作宇宙飞船结构材料和战略导弹战斗部稳定裙。在飞机中，1kg碳纤维复合材料能够代替3kg传统铝合金结构材料，因而当前由碳纤维复合材料制造飞机零部件已经有上千种。20世纪90年代民航机中金属结构材料65%已被碳纤维及芳纶纤维复合材料所代替，对要求自重更轻战斗机，金属材料取代率则将高达90%，到时，飞机航程和航速将得到显著增加。27/37碳纤维复合材料28/37在造船工业中，玻璃纤维复合材料以其质轻、高强、耐腐蚀、抗微生物附着、非磁性、可吸收撞击能、设计成形自由度大等一系列优点而被广泛用于制造汽艇、游艇、救生艇、渔船、气垫船以及各种军用舰艇。美国Derektor造船厂大量使用碳纤维复合材料建造长达22.5m飞艇，其质量比铝合金舰艇轻3t，时速达120km/h。OakRidge国家试验室用纤维缠绕成型工艺制造深海潜水器可承受70MPa外压力，质量只有钛合金壳体2/5。29/37玻璃纤维复合材料30/37在汽车制造业中，各种高分子材料也大显神通，其作用首先是减轻车辆自重，改进运行性能，提升燃油效率。现在一部分高级轿车所用高分子材料部件多达数百件，包含保险杠、防冲撞护条板、发动机散热风扇、通风空调、音响、电器及仪表盘、方向盘、座椅、车内装饰等。这些高分子材料部件应用，不但显著减轻了轿车自重，降低每公里耗油量，而且使轿车变得更舒适美观，比如1990年美国高级轿车卡迪拉克内使用塑料制品就达136kg，而且这些汽车零部件加工大量采取了当前塑料加工中先进技术，如片状模塑、增强反应注射模塑、反射注塑模塑等。汽车工业快速发展还得益于制作轮胎合成橡胶和作为轮胎帘子合成纤维发展。因为作为能源石油日趋短缺，各个国家都致力于降低汽车百公里耗油量。而高分子材料在汽车中应用，除了能够减轻车身自重外，还能降低轮胎对地面滚动阻力以及提升轮胎抗湿滑性使滚动阻力降低5%~7%，节油1%。31/37五.高分子材料在其它方面应用

上面所叙述只是我们当代生活中衣食住行四个主要步骤与高分子材料关系，除了这几个步骤以外，在能源、通讯甚至日常生活文娱、体育等各个方面都与高分子材料息息相关。燃料、水力和核能是当前广泛利用能源，高分子材料良好绝缘性能是电力工业、电子和微电子工业必不可少绝缘材料，广泛应用于发电机、电动机、电缆、导线和各种仪器仪表中。各种塑料、橡胶、纤维、薄膜和胶粘剂为能源工业做出了主要贡献。含有记忆功效塑料导线使仪器仪表和车辆中布线大大简化。32/37绝缘高分子材料33/37高分子材料对通讯设备贡献也功不可没，包含电话机、BP机、手持电话机以及通讯卫星和中继站各种通讯设备中使用线路板，都是纤维复合材料制成，同时，制作精密线路时，也将应用到感光树脂，更不用说这些通讯设备外壳所使用各种塑料了。体育器材中使用高分子材料例子也不胜枚举。没有弹性不一样正反胶球拍，我国乒乓球运动员也不一定会取得今日辉煌成绩；没有高强度、高弹性而质轻纤维复合材料，撑杆跳高运动员也不可能创造今天