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有机高分子应用

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论文摘要:材料在我们身边可谓是无处不在,而塑料在所有材料中用途是非常广泛的。塑料以其优越的特性成为21世纪的宠儿,被广泛应用于各个领域。虽然塑料对环境造成了危害,但塑料制品在我们生活中的作用是不容忽视的,而塑料也不会被其他材料替代,因为塑料有其优越的性能。下面我就塑料的定义、特性、用途以及塑料的历史和新型塑料的发展作一下简单的介绍,以下是对塑料的分类论述。

关键词:塑料、塑料的定义、塑料的分类、塑料的特征、降解塑料、导电塑料、塑料光纤。

前言:随着塑料工业技术的迅速发展,当前世界塑料总产量已超过1.5亿吨,其用途已渗透到国民经济各部门以及人民生活的各个领域,已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。但随着塑料产量的不断增长和用途的不断扩大,其废弃物中塑料的重量比已达10%以上,体积比则达30%左右,它对环境的污染、对生态平衡的破坏已引起了社会的极大关注,为此,高效的塑料回收利用技术和降解塑料的研究开发已成为塑料工业界、包装工业界发展的重要发展战略,而且成为全球瞩目的研究开发热点。

一、塑料的定义

塑料是指以树脂(或在加工过程中用单体直接聚合)为主要成分,以增塑剂、填加剂、润滑剂,着色剂等添加剂为辅助成分,在加工过程中能流动成型的材料。

塑料主要有以下特性:①大多数塑料质轻,化学稳定性好,不会锈蚀;②耐冲击性好;③具有较好的透明性和耐磨耗性;④绝缘性好,导热性低;⑤一般成型性、着色性好,加工成本低;⑥大部分塑料耐热性差,热膨胀率大,易燃烧;⑦尺寸稳定性差,容易变形;⑧多数塑料耐低温性差,低温下变脆;⑨容易老化;⑩某些塑料易溶于溶剂。

二、塑料的分类

塑料的分类体系比较复杂,各种分类方法也有所交叉,按常规分类主要有以下三种:一是按使用特性分类;二是按理化特性分类;三是按加工方法分类。

1、按使用特性分类

根据名种塑料不同的使用特性,通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。

⑴通用塑料

一般是指产量大、用途广、成型性好、价格便宜的塑料,如聚乙烯、聚丙烯、酚醛等。

⑵工程塑料

一般指能承受一定外力作用,具有良好的机械性能和耐高、低温性能,尺寸稳定性较好,可以用作工程结构的塑料,如聚酰胺、聚砜等。

在工程塑料中又将其分为通用工程塑料和特种工程塑料两大类。

通用工程塑料包括:聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、改性聚苯醚、热塑性聚酯、超高分子量聚乙烯、甲基戊烯聚合物、乙烯醇共聚物等。

特种工程塑料又有交联型的非交联型之分。交联型的有:聚氨基双马来酰胺、聚三嗪、交联聚酰亚胺、耐热环氧树指等。非交联型的有:聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚醚醚酮(PEEK)等。

⑶特种塑料

一般是指具有特种功能,可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用,增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能,这些塑料都属于特种塑料的范畴。

①增强塑料。增强塑料原料在外形上可分为粒状(如钙塑增强塑料)、纤维状(如玻璃纤维或玻璃布增强塑料)、片状(如云母增强塑料)三种。按材质可分为布基增强塑料(如碎布增强或石棉增强塑料)、无机矿物填充塑料(如石英或云母填充塑料)、纤维增强塑料(如碳纤维增强塑料)三种。

②泡沫塑料。泡沫塑料可以分为硬质、半硬质和软质泡沫塑料三种。硬质泡沫塑料没有柔韧性,压缩硬度很大,只有达到一定应力值才产生变形,应力解除后不能恢复原状;软质泡沫塑料富有柔韧性,压缩硬度很小,很容易变形,应力解除后能恢复原状,残余变形较小;半硬质泡沫塑料的柔韧性和其他性能介于硬质、软质泡沫塑料之间。

2、按理化特性分类

根据各种塑料不同的理化特性,可以把塑料分为热固性塑料和热塑料性塑料两种类型。

⑴热固性塑料

热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶(熔)特性的塑料,如酚醛塑料、环氧塑料等。热固性塑料又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。

⑵热塑料性塑料

热塑料性塑料是指在特定温度范围内能反复加热软化和冷却硬化的塑料,如聚乙烯、聚四氟乙烯等。热塑料性塑料又分烃类、含极性基因的乙烯基类、工程类、纤维素类等多种类型。

①烃类塑料。属非极性塑料,具有结晶性和非结晶性之分,结晶性烃类塑料包括聚乙烯、聚丙烯等,非结晶性烃类塑料包括聚苯乙等。

②含极性基因的乙烯基类塑料。除氟塑料外,大多数是非结晶型的透明体,包括聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚醋酸乙烯酯等。乙烯基类单体大多数可以采用游离基型催化剂进行聚合。

③热塑性工程塑料。主要包括聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯、ABS、聚苯醚、聚对苯二甲酸乙二酯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚苯硫醚等。聚四氟乙烯。改性聚丙烯等也包括在这个范围内。

④热塑性纤维素类塑料。主要包括醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、塞璐珞、玻璃纸等。

3、按加工方法分类

根据各种塑料不同的成型方法,可以分为膜压、层压、注射、挤出、吹塑、浇铸塑料和反应注射塑料等多种类型。

膜压塑料多为物性的加工性能与一般固性塑料相类似的塑料;层压塑料是指浸有树脂的纤维织物,经叠合、热压而结合成为整体的材料;注射、挤出和吹塑多为物性和加工性能与一般热塑性塑料相类似的塑料;浇铸塑料是指能在无压或稍加压力的情况下,倾注于模具中能硬化成一定形状制品的液态树脂混合料,如MC尼龙等;反应注射塑料是用液态原材料,加压注入膜腔内,使其反应固化成一定形状制品的塑料,如聚氨酯等。

三、塑料的革命

今天我们每个人都被塑料包围着。从儿童玩具到仪器和容器,从计算机和电话机的外壳到汽车轮胎及其他部件,从尼龙紧身内衣到航天飞机零部件,我们的生活被牢牢地拴在大分子的长链上。用科学术语来说,具有这些大分子链的化合物称为聚合物。塑料究竟是怎样制成的,怎样生产出日用物品?有哪些不同寻常的应用前景呢?当然,人们最关心的恐怕还是如何处理和再利用这些难以自然降解的塑料,因为这与环境保护密切相关。

聚合物的分子非常大,有时甚至是几百万个相同的小分子头尾相接而得到一个极长的分子。聚合物也称高分子化合物,不全是人工合成的。在自然界也有天然的大分子:各种生命形式中的蛋白质、土豆和粮食中的淀粉,或者木材的主要成分纤维素都是高分子物质。与一个水或氧的分子相比,高分子化合物的一个大分子要比它们大上数十倍乃至千万倍。

对天然聚合物进行加工可获得人造聚合物,使物质的特性得到加强,从而增强它的性能。从纤维素可生产人造丝,它是像蚕丝一样细和光滑的纤维,但强度极高。

完全人工合成的聚合物“诞生”于1935年,杜邦化学公司实验室研究人员华莱士合成了尼龙的第一个大分子。这种强度极高的纺织纤维的开发开创了我们称为“材料革命”的时代。

不久,除了尼龙的“后几代”纺织纤维外,以塑料和橡胶形式出现的合成聚合物迅速从实验室研究过渡到日常生活的应用之中,并且以质量和价格的优势排挤了木材、金属等传统材料。

当进一步的研究弄清楚了合成聚合物具有的潜能时,一场真正的革命才爆发了:为制造一件产品不再需要从现有的少数材料中去搜寻,而是根据产品性能的要求,去设计生产适合该产品需要的材料。

四、不同塑料的不同表现

无论是一个饮料瓶、一件防风衣还是一盘录像带,这些完全不同的东西都是用相同的聚会物制成的,只要把聚合物加以适当改变,就会使它们呈现出如此不同的性质。

只要改变聚合物大分子的结构,也就是说改变它的基础分子的数量和排列方式,就能赋予它优于另一种材料的特性(如弹性、可塑性等等)。聚合物间的差别不仅取决于构成聚合物的原子的不同性质和这些原子所确定的键的种类,而且还取决于它们的大分子链的结构,即大分子在空间的排列。每一个不同结构就意味着形成一种新的聚合物,并具有与原有的聚合物不同的性能。

聚合物之间的重要差别还在于它们的结晶程度,即大分子顺序排列的程度。可分为结晶聚合物和非结晶聚合物,结晶聚合物的链是有规则和有序排列的,非结晶聚合物的链是不规则排列的。如果聚合物结晶程度比较高,产品就会更坚硬结实但可塑性差,反之亦然。在合成树脂、纤维和橡胶中,合成橡胶是结晶结构较少的聚合物。

不断开发出多种多样的加工方法也使聚合物具有了更广泛用途,使用不同的加工方法可以使相同化学结构的高分子材料获得非常不同的表面特性。所以,做成风衣或绒衣的纺织纤维只是把合成树脂的大分子链“拉长”而已,不“拉长”的用来做瓶子的塑料,“拉长”成薄膜可用作磁带的主要材料。对于橡胶,不管是天然的还是合成的,人们立刻会想到它的弹性。这些弹性聚合物也称弹性体,有一种柔性,但经特殊处理,即硫化作用就成为“橡胶状”和具有抗热性的物质。

五、几种常用塑料的性质和用途

(一)、降解塑料危害更严重

捧在手上的一次性发泡塑料饭盒,颜色不像过去用的那样白了,盒底上“降解塑料”几个大字清晰可辨。“白色污染”的克星真的就是降解塑料吗?使用可降解塑料就意味着更环保了吗?专家的答案显然有点让人出乎意外:降解塑料的危害更严重!

在“2004健康产业与生命科学高层论坛”上,上海市环保产业协会副会长郑华兴先生用十分肯定的口吻对降解塑料予以了否定。郑先生说,目前上海市场上的可降解塑料饭盒有两种,一种是所谓的光降解,即在原有高分子塑料中加入一定比例的光敏剂,或是面碳酸钙、滑石粉;另一种则是生物降解,即在塑料原料中加入淀粉或藕合剂。由于塑料是高分子材料,它永远不能像植物纤维那样还原成二氧化碳和水。降解后的塑料分子依然会与土壤结合,使土壤的微生物减少,造成土壤板结、沙化、农作物减产。说到底,降解塑料实际上只是使塑料提前老化或裂化、粉化,让人眼睛看不见而已,最多也仅仅只是减少了视觉污染。值得关注的是,一个不容忽视的严重后果还将伴随着这一产品的使用而影响消费者的健康,塑料饭盒等产品中添加的碳酸钙及滑石粉会残留在食物当中,消费者食用后会产生肾结石。目前,美国、欧洲、日本、韩国等一些发达国家已不再提倡生产和使用降解塑料一次性用品。

“禁白”的关键是打造环保替代品。据郑先生介绍,上世纪90年代初,国内就已研制生产了以甘蔗、芦苇、稻麦草等天然植物纤维为原料的纸浆餐具,使用中可抗120℃的高温油,100℃开水烫,两小时不渗漏,使用后回收还可再生造纸,填埋可泥化为有机肥料,成为二氧化碳和水,还原于自然,不会污染环境。

但是,由于纸浆餐具的成本较一次性发泡塑料餐具高得多,就是与降解塑料餐具相比也高了许多,致使这一利国利民的环保产品叫好不叫座,偏偏给所谓的降解塑料钻了个空子。

(二)、怎样鉴别食品塑料的安全

塑料由于它轻巧、多用和易塑性、坚固耐久,为食品用塑料开辟了广阔的应用前景。但是食品塑料的兴起,给人类生活、健康带来的安全性问题也不可忽视。特别是那些粗制滥造、以次充好,甚至乱用有毒材料制造的食品容器、餐具、包装材料导致人们发生急、慢性的塑料中毒的事常有发生。因此,对应用广泛、五花十色的食用塑料的鉴别就非常必要。

我国目前允许生产供接触食品的餐具、食品容器、工具、设备、包装材料的塑料主要有四大类:聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和三聚氰胺。聚氯乙烯虽然允许单体和纯度限量内使用生产食品容器,但也规定必须配合合格的辅料才能生产,禁止单独使用。

对于各类食用塑料的鉴别和辨认,其实并不难。聚乙烯、聚丙烯是人们应用得最多,接触最广的。日常所见的塑料袋、塑料桶,较脆的筷子、汤匙等。三聚氰胺,主要应用在仿陶瓷的塑料杯,食品用菜盘、容具上,种类较少。

至于聚氯乙烯多用于质地坚固,但接触食品的内衬面必须复合聚乙烯等安全塑料的食具,由于它具有图案鲜明,色彩艳丽,亦颇受欢迎。

还有一种从国外进口的聚偏二氯乙烯,(国内尚未批准),由于国际上已应用,一般认为亦较安全。市场上常见红色香肠,表面光滑,切面细腻,两端配有两个铝箍的塑料包装材料就是此种。

以上应用于食品上的餐具、容器、包装材料以及生产设备的食用塑料,只要我们了解其各类塑料性能、理化特征与使用范围、禁忌事项,一般来说是比较安全的,不必担心引起塑料中毒。但是商场上经常发现某种制造粗劣、工艺简陋、颜色深重的食具容器,这大多是回收废旧塑料加工的再生塑料,非常有害,国家早就明文严禁再生塑料生产制造食品用具的,其原因也很浅显,因为它的来源复杂,又未经清洗或化学处理,脏污残毒较多,况且回收废塑料往往老化变色,重溶生产时为了掩盖变色大都添加很浓的含有毒质材料的颜料,其成品颜色深褐,甚至墨绿,如用此种塑料盛油或高温的食品,极易溶出有毒的石油副产品(二恶英等)和有害色素,对人具有致癌、致畸、致突变的潜在性危害,其危险就更大了。因此人们对鉴别和安全使用食品塑料都应有科学的常识,避免有毒塑料中毒事故的发生。

(三)、导电塑料的性质及用途

塑料是人们最熟悉的材料之一,它的强度好,密度低,耐腐蚀,可以制成各种机械零件和日用品。同时,它还是一种广泛使用的电绝缘材料,然而你听说过塑料能导电吗?

这纯粹是科学上的一次偶遇。1970年的一天,日本筑波大学的白川教授在指导学生做一项用乙烯气制取聚乙炔的实验时,学生误把比实际需要量多1000倍的催化剂加入试剂中,结果得到的不是应得到的含有碳基长链的黑色聚乙炔粉末,而是一种银光闪闪的薄膜,与其说是塑料,不如说更像金属。1977年,白川在与另外两个美国人研究这种塑料薄膜时发现,掺入碘后它居然能导电,导电率增加了3千万倍。尽管这样,它的导电率只相当于金属铅,或者说是铜和银的百分之几。

80年代初,导电聚合物还是实验室的珍品,而现在已在许多工业领域内应用,并引起研究单位的重视。关于聚合物为什么能够导电,目前还没有圆满的答案。但相信随着科学的发展,终会真相大白。

首先在实验室取得成功并走进市场的是塑料电池。美国布里奇斯通和日本精工埃普森公司合资生产了一种电池,它的一个电极是金属锂,另一个电极是聚苯胺导电塑料。它的尺寸与硬币相仿,可以多次重复充电。作为计算机的辅助电源,具有很长的工作寿命。德国生产的薄型挠性电池,仅明信片那么大,适合于手提式工具的电源。

在改进的塑料电池中,阴极和阳极是由相同的导电塑料薄膜组成,由电解质而不是电极来提供运动的正离子,因此经过多次充电和放电,电极材料依然完好如初。充电次数可达1000次以上。塑料电池体积小、重量轻,可以提供常规铅蓄电池10倍的电力,而且每次充电时间也缩短了。

首先对塑料电池感兴趣的是汽车工业,人们早就希望用蓄电池做动力来代替内燃机,但在此之前蓄电池车都因为太笨重和性能不可靠而无法推广,而塑料电池形状灵活,可以制成薄板装在汽车的车顶或车门夹层里,在汽车内的发动机位置只装一台高效的电动机,便可使汽车的加速性能和爬坡性能大大改善。此外,塑料电池是密封的,不会释放有害的化学物质和气体,因此这种蓄电池车将是一种无公害的小汽车。

导电塑料的另一特点是具有消除静电的功能。计算机和电子设备机房都要求抗静电防护,新型飞机上的电子器件要求防电磁干扰,树脂基复合材料机身、机翼要求防雷击,这些要求都可以用导电塑料薄膜屏蔽加以解决。

导电塑料还有一项重要的潜在用途,就是作为未来机器人的人工肌肉,当用电化学方法对某些导电塑料掺杂和不掺杂时,其体积就能发生膨胀和收缩的变化,使机器人的四肢获得必要的运动。

科学家预言,在未来的能源工业中,导电塑料将成为重要的一员。

(四)、前景广阔的塑料光纤

目前普遍使用的是玻璃光纤,这种光纤有个突出的缺点,就是其直径一旦小于0.1毫米时,因其耐冲击性能差及不易连接,使用便比较困难,而且生产成本较高。能否利用塑料光纤代替玻璃光纤呢?科技工作者为此进行了长期的努力。

由日本三菱丽阳公司首创的一种新型高性能塑料光纤,在该公司的一条专用线上投入使用,从而为塑料进入光通信领域开创了一条新路。这种塑料光纤传送容量高达30兆比特/秒,是玻璃光纤的30倍,可传送500个频道的数字化电视画面。这种塑料光纤柔韧性能好,可随意弯曲,且易于连接,加工制造工艺也比较简单。这种新型光纤的价格只有玻璃光纤的1/5,与使用相同容量的铜线价格相当,在进入普通家庭及企业内部信息网络方面有望取代目前的铜线。

塑料光纤的研制成功,给光通信事业的快速发展与普及带来了新的希望。

(五)、科学家认为塑料将在电子领域取代硅

随着塑料在发光导电性能方面的研究不断取得进步,塑料在电子产品领域的应用范围将越来越广,并日益替代硅。

硅是重要的半导体材料,目前在电子产品领域扮演着几乎不可替代的角色,但是成本较高。塑料通常是由高分子化合物聚合而成,其溶液一般具有较大的粘滞性。随着高分子聚合物也具有自发光以及导电特性的发现,从上个世纪80年代开始人们就逐渐对其进行更加深入的研究。

目前对高分子聚合物特性研究的进展已经帮助人们制造出很多以前通常只用硅材料制作的电子元器件。如目前用高分子聚合物制成的发光二极管,已经应用在许多手机单色显示屏以及其它一些显示设备上。由于这些材料具有自发光的特性,因此制成的新型屏幕比传统的电脑和电视的屏幕要亮100倍,所显示的图片和文字可以从任意角度观看,而现在的液晶显示器则对人的视角限制很大。此外,在一些应用广泛的电子设备制造领域,高分子聚合物也逐渐开始替代硅材料。

科学家认为,未来几年高分子聚合物的研究还将会出现重大突破。如近几年才开始研究的高分子聚合物太阳能电池,目前已经取得一定进展,它将太阳能转化为电能的效率达到了3%左右。一旦研究取得突破,其廉价的成本必将带来广泛的应用前景。而且,目前的制造工艺已经可以将导电塑料做得非常薄,并且具有可以弯曲等其它特性。博伊尔勒据此认为,将其应用在目前的电脑制造上,将有望进一步缩小电脑的体积并提高其运行速度。

(六)、能自我修补的塑料

美国科学家已经研制出一种能自我修补的塑料。这种物质是设计用以填补表层破裂处的一种塑料。现在,塑料用于方方面面,从飞机机翼到家中的各种器具。科学家想找到一种方法使塑料代替那些难于更换或不可能更换的物件。时间长了,塑料物件的表层会破裂,使用时会出现很小的裂口或裂缝。研究人员想弄明白如何阻止塑料产生小裂缝,正是这些小裂缝的增大,才使物件变脆,容易损坏。

塑料是由叫做单体的小分子构成的,这些单体连在一起形成很长的叫做聚合物的分子。聚合物使塑料能够定形而且有强度。研究小组找到了制造一种塑料的方法,这种塑料含有充满液体的微型球状物,而这种液体含有单分子,即形成塑性的材料。然后,研究小组制成含有一种特殊化学物的固体塑料,这种化学物叫催化剂,是使化学反应开始的一种物质。这种新塑料仍然像普通塑料那样会裂缝,但当它的裂缝产生时,这种单体液体会被释放出来并流入裂缝。然后,固体塑料中的催化剂与液体单体产生化学反应,而液体单体与催化剂之间的这种化学反应会产生修补裂口的聚合物分子。修补的塑料其强度相当于未损塑料的75%。据科学家说,这种自补塑料尚未准备生产,但它可能有好几种用途:一是用于航天飞机不能修理或更换的零件,另一个是休体内的关节。

这种物质能够自身修补,犹如人体能够自身愈合一样。

六、材料技术的发展趋势

当前,材料技术的发展趋势有以下几种:

第一,从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料,现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

第二,由结构材料向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料,实际上都是指结构材料。但是随着高技术的发展,其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料,而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多,终会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。

第三,材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒,尺寸都在微米方向发展的材料。由于颗粒极度细化,使有些性能发生了截然不同的变化。如:以前给人以极脆印象的陶瓷,居然可以用来制造发动机零件。

第四,由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用作出反应,完全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。

第五,通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化,在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰,适者生存的生存规律而发展到今天,自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘,会给我们以无穷的启发,为开发新材料又提供了一条广阔的途径。

材料是现代文明的三大支柱之一,新材料被视为新技术革命的基础和先导。四个现代化的建设、能源、交通、信息、环保事业的进步以及人民生活水平的提高,无不与材料密切相关。材料科学与技术涉及的面十分广阔,是基础科学与工程科学的融合,也是材料科学与各种现代先进技术结合的产物。随着科学技术的进步,原来各类相对独立的材料,如金属、陶瓷、高分子材料等,已经相互渗透、相互结合,形成了多学科交叉的当代材料科学与技术新体系。在这个学科发展综合集成的历史潮流中,多学科的材料研究和教学机构纷纷建立,随之综合性的材料研究学(MRS)在诸多国家和地区应运而生。这是进一步推动材料科技进步的需要,也是科学发展的必然结果。MRS从一诞生便显示出强大的生命力。在这种国际背景下,在我国老一代材料科学家倡导下,在有关部门领导的支持下,经过多年的筹备和努力,中国材料研究学会(C-MRS)于1991年05月诞生了。

结束语:塑料作为现在应用非常广泛的材料,是因为其优越的性能和良好的使用性能。虽然塑料是白色污染的祸根,但我们不能因为这一点,而把塑料的所有贡献全部否定,这是对人类科学技术发展的不负责任。最近塑料包装袋被评为20世纪最糟糕的发明,我想这是对其给我们带来便利的否定,虽然其带来了严重的污染,但只要我们处理好,应该有所缓解。我们现在正在研究新的材料来代替塑料包装,这是对材料界和商品包装界的重大挑战。

有机高分子应用责任编辑:小胥老师    阅读:人次