年輕的材料——高分子材料

　 在世界范圍內(nèi), 高分子材料的制品屬於最年輕的材料．它不僅遍及各個工業(yè)領域, 而且已進入所有的家庭, 其產(chǎn)量已有超過金屬材料的趨勢, 將是 ２１ 世紀最活躍的材料支柱．高分子材料在我們身邊隨處可見。在我們的認識中，高分子材料是以高分子化合物為基礎的材料。高分子材料按特性分為橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料和高分子基復合材料。今天，我想就高分子材料為主線，研究一下各種高分子材料所具有的特性和優(yōu)缺點。
　　從我們以前學過的化學知識中可以知道，高分子材料其實是有機化合物, 有機化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氫、氧、氮等．碳原子與碳原子之間, 碳原子與其他元素的原子之間, 能形成穩(wěn)定的結構．碳原子是四價, 每個一價的價鍵可以和一個氫原子鍵連接, 所以可形成為數(shù)眾多的、具有不同結構的有機化合物．有機化合物的總數(shù)已接近千萬種, 遠遠超過其他元素的化合物的總和, 而且新的有機化合物還不斷地被合成出來．這樣, 由於不同的特殊結構的形成, 使有機化合物具有很獨特的功能．高分子中可以把某些有機物結構（又稱為功能團）替換, 以改變高分子的特性．高分子具有巨大的分子量, 達到至少１ 萬以上, 或幾百萬至千萬以上, 所以, 人們將其稱為高分子、大分子或高聚物．高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纖維和合成橡膠（未加工之前稱為樹脂）．

1.橡膠

　　橡膠是一類線型柔性高分子聚合物，橡膠是一種有彈性的碳氫化合物異戊二烯聚合，未經(jīng)加工時以乳劑的形態(tài)存在。橡膠乳劑可以從一些植物的樹液中取得，也可以是人造的。也是很普遍的高分子材料之一。其分子鏈間次價力小，分子鏈柔性好，在外力作用下可產(chǎn)生較大形變，除去外力后能迅速恢復原狀。橡膠屬于完全無定型聚合物，它的玻璃化轉變溫度（T g）低， 分子量往往很大，大于幾十萬。由于橡膠的分子鏈可以交聯(lián)，交聯(lián)后的橡膠受外力作用發(fā)生變形時，具有迅速復原的能力，并具有良好的物理力學性能和化學穩(wěn)定性。所以橡膠是橡膠工業(yè)的基本原料，廣泛用于制造輪胎、膠管、膠帶、電纜及其他各種橡膠制品。
橡膠按原料分為天然橡膠和合成橡膠。
　　從橡膠的結構來看的話我們不難發(fā)現(xiàn)從線性結構來分析未硫化橡膠的普遍結構。由于分子量很大，無外力作用下，呈細團狀。當外力作用，撤除外力，細團的糾纏度發(fā)生變化，分子鏈發(fā)生反彈，產(chǎn)生強烈的復原傾向，這便是橡膠高彈性的由來。
　　用型橡膠的綜合性能較好，應用廣泛。主要有：①天然橡膠。從三葉橡膠樹的乳膠制得，彈性好，強度高，綜合性能好。②異戊橡膠。全名為順-1，4-聚異戊二烯橡膠，由異戊二烯制得的高順式合成橡膠，因其結構和性能與天然橡膠近似，故又稱合成天然橡膠。③丁苯橡膠。簡稱SBR，其綜合性能和化學穩(wěn)定性好。④順丁橡膠。與其他通用型橡膠比，硫化后的順丁橡膠的耐寒性、耐磨性和彈性特別優(yōu)異，動負荷下發(fā)熱少，耐老化性能好，易與天然橡膠、氯丁橡膠、丁腈橡膠等并用。
　 隨后我們介紹一下特種橡膠。特種型橡膠指具有某些特殊性能的橡膠。主要有：①氯丁橡膠。簡稱CR，由氯丁二烯聚合制得。具有良好的綜合性能，耐油、耐燃、耐氧化和耐臭氧。但其密度較大，常溫下易結晶變硬，貯存性不好，耐寒性差。②丁腈橡膠。簡稱NBR，由丁二烯和丙烯腈共聚制得。耐油、耐老化性能好 ，可在120℃的空氣中或在150℃的油中長期使用。此外，還具有耐水性、氣密性及優(yōu)良的粘結性能。③硅橡膠。主鏈由硅氧原子交替組成，在硅原子上帶有有機基團。耐高低溫，耐臭氧，電絕緣性好。④氟橡膠。分子結構中含有氟原子的合成橡膠。通常以共聚物中含氟單元的氟原子數(shù)目來表示 ，如氟橡膠23，是偏二氟乙烯同三氟氯乙烯的共聚物。氟橡膠耐高溫、耐油、耐化學腐蝕。⑤聚硫橡膠。由二鹵代烷與堿金屬或堿土金屬的多硫化物縮聚而成。有優(yōu)異的耐油和耐溶劑性，但強度不高，耐老化性、加工性不好，有臭味，多與丁腈橡膠并用。此外，還有聚氨酯橡膠、氯醇橡膠、丙烯酸酯橡膠等。

2.塑料

　　我們都知道生活中由于塑料的輕便和便宜，隨處可以用到塑料。下面就介紹一下塑料的各種特性和用途。
　　塑料為合成的高分子化合物，可以自由改變形體樣式。塑料是利用單體原料以合成或縮合反應聚合而成的材料，由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、色料等添加劑組成的，它的主要成分是合成樹脂。
　　廣義的塑料定義指具有塑性行為的材料，所謂塑性是指受外力作用時，發(fā)生形變，外力取消后，仍能保持受力時的狀態(tài)。塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，受力能發(fā)生一定形變。軟塑料接近橡膠，硬塑料接近纖維。狹義的塑料定義是指以樹脂(或在加工過程中用單體直接聚合)為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑、著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動成型的材料。
【塑料與其它材料比較有如下的特性】
〈1〉 耐化學侵蝕
〈2〉 具光澤，部份透明或半透明
〈3〉 大部分為良好絕緣體
〈4〉 重量輕且堅固
〈5〉 加工容易可大量生產(chǎn)，價格便宜
〈6〉 用途廣泛、效用多、容易著色、部分耐高溫
　　塑料也區(qū)分為泛用性塑料及工程塑料，主要是用途的廣泛性來界定，如PE、PP價格便宜，可用在多種不同型態(tài)的機器上生產(chǎn)。工程塑料則價格較昂貴，但原料穩(wěn)性及物理物性均好很多，一般而言，其同時具有剛性與韌性兩種特性。
　　大部分塑料的抗腐蝕能力強，不與酸、堿反應。塑料制造成本低。耐用、防水、質(zhì)輕容易被塑制成不同形狀。是良好的絕緣體。塑料可以用于制備燃料油和燃料氣，這樣可以降低原油消耗。
　　而其也有很多不足之處，比如回收利用廢棄塑料時，分類十分困難，而且經(jīng)濟上不合算。塑料容易燃燒，燃燒時產(chǎn)生有毒氣體。塑料是由石油煉制的產(chǎn)品制成的，石油資源是有限的。
　　根據(jù)各種塑料不同的理化特性，可以把塑料分為熱固性塑料和熱塑料性塑料兩種類型。
　　塑料的成型加工是指由合成樹脂制造廠制造的聚合物制成最終塑料制品的過程。加工方法（通常稱為塑料的一次加工）包括壓塑（模壓成型）、擠塑（擠出成型）、注塑（注射成型）、吹塑（中空成型）、壓延等。
　 中國塑料工業(yè)經(jīng)過長期的奮斗和面向全球的開放，已形成門類較齊全的工業(yè)體系，成為與鋼材、水泥、木材并駕齊驅的基礎材料產(chǎn)業(yè)，作為一種新型材料，其使用領域已遠遠超越上述三種材料進入21世紀以來，中國塑料工業(yè)取得了令世人矚目的成就，實現(xiàn)了歷史性的跨越。作為輕工行業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一的塑料行業(yè)，近幾年增長速度一直保持在10%以上，在保持較快發(fā)展速度的同時，經(jīng)濟效益也有新的提高。塑料制品行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)產(chǎn)值總額在輕工19個主要行業(yè)中位居第三，實現(xiàn)產(chǎn)品銷售率97.8%，高于輕工行業(yè)平均水平。從合成樹脂、塑料機械和塑料制品生產(chǎn)來看，都顯示了中國塑料工業(yè)強勁的發(fā)展勢頭。
　 塑料技術的發(fā)展日新月異，針對全新應用的新材料開發(fā)，針對已有材料市場的性能完善，以及針對特殊應用的性能提高可謂新材料開發(fā)與應用創(chuàng)新的幾個重要方向。
1 新型高熱傳導率生物塑料， 這種生物塑料除導熱性能好外，還具有質(zhì)量輕、易成型、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，可用于生產(chǎn)輕薄型的電腦、手機等電子產(chǎn)品的外框。

2 可變色塑料薄膜，這種薄膜把天然光學效果和人造光學效果結合在一起，實際上是讓物體精確改變顏色的一種新途徑。

3 塑料血液，英國設菲爾德大學的研究人員開發(fā)出一種人造“塑料血”，外形就像濃稠的糨糊，只要將其溶于水后就可以給病人輸血，可作為急救過程中的血液替代品。

　　4 新型防彈塑料，這種新型材料受到子彈沖擊后，雖然暫時也會變形，但很快就會恢復原狀并可繼續(xù)使用。此外，這種新材料可以將子彈的沖擊力平均分配，從而減少對人體的傷害。

5 可降低汽車噪音的塑料，該種材料主要應用于車身和輪艙襯墊，產(chǎn)生一個屏障層，能吸收汽車車廂內(nèi)的聲音并且減少噪音，減少幅度為25%~30%。

　　隨著人類對于科技的不斷探索和材料研究事業(yè)的不斷發(fā)展，我相信，會有越來越多的新型的塑料產(chǎn)品問世，到時候，就可以更加好的造福人類了。

3.纖維

　　纖維（Fiber）： 聚合物經(jīng)一定的機械加工（牽引、拉伸、定型等）后形成細而柔軟的細絲，形成纖維。纖維具有彈性模量大，受力時形變小，強度高等特點，有很高的結晶能力，分子量小，一般為幾萬。
纖維大體分天然纖維、人造纖維和合成纖維
　　天然纖維指自然界生長或形成的纖維，包括植物纖維 (天然纖維素纖維)、動物纖維 (天然蛋白質(zhì)纖維)和礦物纖維。
　　人造纖維是利用自然界的天然高分子化合物——纖維素或蛋白質(zhì)作原料(如木材、棉籽絨、稻草、甘蔗渣等纖維或牛奶、大豆、花生等蛋白質(zhì))，經(jīng)過一系列的化學處理與機械加工而制成類似棉花、羊毛、蠶絲一樣能夠用來紡織的纖維。如人造棉、人造絲等。
　　合成纖維的化學組成和天然纖維完全不同，是從一些本身并不含有纖維素或蛋白質(zhì)的物質(zhì)如石油、煤、天然氣、石灰石或農(nóng)副產(chǎn)品，加工提煉出來的有機物質(zhì)，再用化學合成與機械加工的方法制成纖維。如滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、氯綸等。
　　纖維是天然或人工合成的細絲狀物質(zhì).在現(xiàn)代生活中，纖維的應用無處不在，而且其中蘊含的高科技還不少呢。導彈需要防高溫，江堤需要防垮塌，水泥需要防開裂，血管和神經(jīng)需要修補，這些都離不開纖維這個小身材的“神奇小子”。
　 穿得舒服, 御寒防曬，是我們對衣服的最初要求，如今這個要求已很容易達到。海藻碳纖維做成衣服后，穿著時能長期使人體分子摩擦產(chǎn)生熱反應，促進身體血液循環(huán)，因此能蓄熱保溫，而防紫外線輻射的纖維制成衣服便可減少我們夏日撐傘的麻煩。
　 而纖維更大的作用早已不僅停留在日常穿著了，粘膠基碳纖維幫導彈穿上“防熱衣”，可以耐幾萬度的高溫；無機陶瓷纖維耐氧化性好，且化學穩(wěn)定性高，還有耐腐蝕性和電絕緣性，航空航天、軍工領域都用得著；聚酰亞胺纖維可以做高溫防火保護服、賽車防燃服、裝甲部隊的防護服和飛行服；碳納米管可用作電磁波吸收材料，用于制作隱形材料、電磁屏蔽材料、電磁波輻射污染防護材料和“暗室”（吸波）材料。
　 纖維在環(huán)保上也是好幫手。聚乳酸作為可完全生物降解性塑料，越來越受到人們重視?？蓪⒕廴樗嶂瞥赊r(nóng)用薄膜、紙代用品、紙張塑膜、包裝薄膜、食品容器、生活垃圾袋、農(nóng)藥化肥緩釋材料、化妝品的添加成分等。
　 纖維在醫(yī)藥方面的應用已非常廣泛。甲殼素纖維做成醫(yī)用紡織品，具有抑菌除臭、消炎止癢、保濕防燥、護理肌膚等功能，因此可以制成各種止血棉、繃帶和紗布，廢棄后還會自然降解，不污染環(huán)境；聚丙烯酰胺類水凝膠可能控制藥物釋放；聚乳酸或者脫乙酰甲殼素纖維制成的外科縫合線，在傷口愈合后自動降解并吸收，病人就不用再動手術拆線了。
　 在建筑領域，防滲防裂纖維可以增強混凝土的強度和防滲性能，纖維技術與混凝土技術相結合，可研制出能改善混凝土性能，提高土建工程質(zhì)量的ＰＰ纖維，對于大壩、機場、高速公路等工程可起到防裂、抗?jié)B、抗沖擊和抗折性能，在國家大劇院、上海市公安局指揮中心屋頂停機坪、上海虹口足球場等大型工程中已露了一手。
　 隨著生物科技的發(fā)展，一些纖維的特性可以派上用場。類似肌肉的纖維可制成“人工肌肉”、“人體器官”。聚丙烯酰胺具有生物相容性，一直是人體組織良好的替代材料，聚丙烯酰胺水凝膠能夠有規(guī)律地收縮和溶脹，這些特性正可以模擬人體肌肉的運動。
　 膠原是人體中最多的蛋白質(zhì)，人體心臟、眼球、血管、皮膚、軟骨及骨路中都有它的存在，并為這些人體組織提供強度支撐。合成納米纖維能在骨折處形成一種類似膠質(zhì)的凝膠，引導骨骼礦質(zhì)在膠原纖維周圍生成一個類似于天然骨骼的結構排列，修補骨骼于無形之中。
　 蜘蛛絲一直是人類想要模仿制造的，天然蜘蛛絲的直徑為４微米左右，而它的牽引強度相當于鋼的５倍，還具有卓越的防水和伸縮功能。如果制造出一種具有天然蜘蛛絲特點的人造蜘蛛絲，將會具有廣泛的用途。它不僅可以成為降落傘和汽車安全帶的理想材料，而且可以用作易于被人體吸收的外科手術縫合線。
　 纖維的充填能有效地提高塑料的強度和剛度。纖維增強塑料屬剛性結構材料。
　 纖維增強塑料主要有兩個組分?；w是熱固性塑料或熱塑性塑料，用纖維材料充填。通?；w的強度較低，而纖維填料具有較高的剛性但呈脆性。兩者復合得到的增強塑料中，纖維承受很大的載荷應力，基體樹脂通過與纖維界面上的剪切應力，支撐了纖維傳遞了外載荷。
　　增強塑料以玻璃纖維使用占優(yōu)勢，其品種很多，無堿玻璃（E-glass）為常用普通纖維，堿金屬氧化物含量很低，具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和電絕緣性。高強度玻璃纖維（S-glass）含有鎂鋁硅酸鹽等成分，具有比E-glass纖維高10%-50%的強度。由于化學成分和生產(chǎn)工藝的不同，還有高模量、中堿和高堿等各種玻璃纖維。碳纖維具有較大的剛性和優(yōu)良的耐腐性，常用于增強熱固性塑料。
　　目前，世界上有機高分子材料的研究正在不斷地加強和深入．一方面，對重要的通用有機高分子材料繼續(xù)進行改進和推廣，使它們的性能不斷提高，應用范圍不斷擴大．例如，塑料一般作為絕緣材料被廣泛使用，但是近年來，為滿足電子工業(yè)需求，又研制出具有優(yōu)良導電性能的導電塑料．導電塑料已用于制造電池等，并可望在工業(yè)上獲得更廣泛的應用．另一方面，與人類自身密切相關、具有特殊功能的材料的研究也在不斷加強，并且取得了一定的進展，如仿生高分子材料、高分子智能材料等．這類高分子材料在宇航、建筑、機器人、仿生和醫(yī)藥領域已顯示出潛在的應用前景．總之，有機高分子材料的應用范圍正在逐漸擴展，高分子材料必將對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生越來越大的影響．
　　參考文獻：材料網(wǎng)，《新型有機高分子材料》，復合材料學報，藥用功能的高分子材料，《橡膠參考資料》，《塑料加工應用》，《物理化學》，百度百科，《高性能纖維》
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