摘要:在这个世界上,高分子材料的制品属于最年轻的材料。它不仅遍及各个工业领域,而且已进入家家户户,其产量已有超过金属材料的趋势,将是21世纪最活跃的材料支柱。高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料。在此,本人就高分子材料为主线,谈一下各种高分子材料所具有的特性。
关键词:高分子材料橡胶塑料纤维
所谓高分子材料就是有机化合物,有机化合物是碳元素的化合物。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。高分子材料包括三大合成材料,即塑料、合成纤维和合成橡胶(未加工之前称为树脂)。
1、橡胶
橡胶具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性,在很小的外力作用下能产生较大形变,除去外力后能恢复原状。橡胶属于完全无定型聚合物,它的玻璃化转变温度(T g)低, 分子量往往很大,大于几十万。由于橡胶的分子链可以交联,交联后的橡胶受外力作用发生变形时,具有迅速复原的能力,并具有良好的物理力学性能和化学稳定性。所以橡胶是橡胶工业的基本原料,广泛用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他各种橡胶制品。
橡胶按原料分为天然橡胶和合成橡胶。
用型橡胶的综合性能较好,应用广泛。主要有:天然橡胶。从三叶橡胶树的乳胶制得,弹性好,强度高,综合性能好;异戊橡胶。由异戊二烯制得的高顺式合成橡胶,因其结构和性能与天然橡胶近似,故又称合成天然橡胶;丁苯橡胶。简称SBR,其综合性能和化学稳定性好;顺丁橡胶。与其他通用型橡胶比,硫化后的顺丁橡胶的耐寒性、耐磨性和弹性特别优异,动负荷下发热少,耐老化性能好,易与天然橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶等并用。
2、塑料
塑料为合成的高分子化合物{聚合物(polymer)},又可称为高分子或巨分子(macromolecules),也是一般所俗称的塑料(plastics)或树脂(resin),可以自由改变形体样式。是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料,由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成的,它的主要成分是合成树脂。
大多数塑料质轻,化学性稳定,不会锈蚀;耐冲击性好;具有较好的透明性和耐磨耗性;绝缘性好,导热性低;一般成型性、着色性好,加工成本低;大部分塑料耐热性差,热膨胀率大,易燃烧;尺寸稳定性差,容易变形;多数塑料耐低温性差,低温下变脆;容易老化;某些塑料易溶于溶剂。
塑料可区分为热固性与热可塑性二类,前者无法重新塑造使用,后者可一再重复生产。塑料也区分为泛用性塑料及工程塑料,主要是用途的广泛性来界定,如PE、PP价格便宜,可用在多种不同型态的机器上生产。工程塑料则价格较昂贵,但原料稳性及物理物性均好很多,一般而言,其同时具有刚性与韧性两种特性。
大部分塑料的抗腐蚀能力强,不与酸、碱反应。塑料制造成本低。耐用、防水、质轻容易被塑制成不同形状。是良好的绝缘体。塑料可以用于制备燃料油和燃料气,这样可以降低原油消耗。
3、纤维
纤维是聚合物经一定的机械加工(牵引、拉伸、定型等)后形成细而柔软的细丝。纤维具有弹性模量大,受力时形变小,强度高等特点,有很高的结晶能力,分子量小,一般为几万。
纤维大体分天然纤维、人造纤维和合成纤维。天然纤维指自然界生长或形成的纤维,包括植物纤维 (天然纤维素纤维)、动物纤维 (天然蛋白质纤维)和矿物纤维。
人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物——纤维素或蛋白质作原料(如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等纤维或牛奶、大豆、花生等蛋白质),经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。如人造棉、人造丝等。
合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同,是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品,加工提炼出来的有机物质,再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。如涤纶、锦纶、腈纶、丙纶、氯纶等。
纤维的作用早已不仅停留在日常穿着了,粘胶基碳纤维帮导弹穿上“防热衣”,可以耐几万度的高温;无机陶瓷纤维耐氧化性好,且化学稳定性高,还有耐腐蚀性和电绝缘性,航空航天、军工领域都用得着;聚酰亚胺纤维可以做高温防火保护服、赛车防燃服、装甲部队的防护服和飞行服;碳纳米管可用作电磁波吸收材料,用于制作隐形材料、电磁屏蔽材料、电磁波辐射污染防护材料和“暗室”(吸波)材料。
纤维在环保上也是好帮手。聚乳酸作为可完全生物降解性塑料,越来越受到人们重视。可将聚乳酸制成农用薄膜、纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、生活垃圾袋、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。
纤维在医药方面的应用已非常广泛。甲壳素纤维做成医用纺织品,具有抑菌除臭、消炎止痒、保湿防燥、护理肌肤等功能,因此可以制成各种止血棉、绷带和纱布,废弃后还会自然降解,不污染环境;聚丙烯酰胺类水凝胶可能控制药物释放;聚乳酸或者脱乙酰甲壳素纤维制成的外科缝合线,在伤口愈合后自动降解并吸收,病人就不用再动手术拆线了。
随着生物科技的发展,一些纤维的特性可以派上用场。类似肌肉的纤维可制成“人工肌肉”、“人体器官”。聚丙烯酰胺具有生物相容性,一直是人体组织良好的替代材料,聚丙烯酰胺水凝胶能够有规律地收缩和溶胀,这些特性正可以模拟人体肌肉的运动。
如今,世界上有机高分子材料的研究正在不断地加强和深入。一方面,对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和推广,使它们的性能不断提高,应用范围不断扩大。例如,塑料一般作为绝缘材料被广泛使用,但是近年来,为满足电子工业需求,又研制出具有优良导电性能的导电塑料。导电塑料已用于制造电池等,并可望在工业上获得更广泛的应用。另一方面,与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料的研究也在不断加强,并且取得了一定的进展,如仿生高分子材料、高分子智能材料等。这类高分子材料在宇航、建筑、机器人、仿生和医药领域已显示出潜在的应用前景。总之,有机高分子材料的应用范围正在逐渐扩展,高分子材料必将对人们的生产和生活产生越来越大的影响。
