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高分子王国

时间:2019-06-20    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

高分子王国

 

在世界范围内,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,而且已进入所有的家庭,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。

有机化合物是碳元素的化合物。除碳原子外,其他元素主要是氢、氧、

氮等。碳原子与碳原子之间,碳原子与其他元素的原子之间,能形成稳定的

结构。碳原子是四价,每个一价的价键可以和一个氢原子键连接,所以可形

成为数众多的、具有不同结构的有机化合物。有机化合物的总数已接近千万

种,远远超过其他元素的化合物的总和,而且新的有机化合物还不断地被合

成出来。这样,由于不同的特殊结构的形成,使有机化合物具有很独特的功

能。高分子中可以把某些有机物结构(又称为功能团)替换,以改变高分子

的特性。高分子具有巨大的分子量,达到至少 1 万以上,或几百万至千万以

上,所以,人们将其称为高分子、大分子或高聚物。

高分子材料包括三大合成材料,即塑料、合成纤维和合成橡胶(未加工

之前称为树脂)。

面向 21 世纪的高科技迅猛发展,带动了社会经济和其他产业的飞跃,高

分子已明确地承担起历史的重任,向高性能化、多功能化、生物化三个方面

发展。21 世纪的材料将是一个光辉灿烂的高分子王国。

现有的高分子材料已具有很高的强度和韧性,足以和金属材料相媲美,

我们日用的家用器械、家具、洗衣机、冰箱、电视机、交通工具、住宅等,

大部分的金属构造已被高分子材料所代替。工业、农业、交通以及高科技的

发展,要求高分子材料具有更高的强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、耐油、

耐折等特性,这些都是高分子材料要解决的重大问题。从理论上推算,高分

子材料的强度还有很大的潜力。

在提高高分子的性能方面,最重要的还是制成复合材料。第一代复合材

料是玻璃钢,是以玻璃纤维和合成树脂为粘合剂制成。它具有重量轻、强度

高、耐高温、耐腐蚀、导热系数低、易于加工等优良性能,用于火箭、导弹、

船只和汽车躯体及电视天线之中。其后,人们把玻璃纤维换成碳纤维,其重

量更轻,强度比钢高 3~5 倍,这就是第二代的复合材料。如果改用芳纶纤维,

其强度更高,为钢丝的 5 倍。高性能的高分子材料的开拓和创新尚有极大的

潜力。科学家预测,21 世纪初,每年必须比目前多生产 1500~2000 万吨纤

维材料才能满足需要,所以必须生产大量的合成纤维材料,而且要具有更轻

型、耐火、阻燃、防臭、吸水、杀菌等性能。有许多新型纤维,如轻型空腔

纤维、泡沫纤维、各种截面形状的纤维、多组份纤维材料等纷纷被研制出来,

人们可指望会有耐静电、耐脏、耐油,甚至不会沾灰的纤维材料问世。这些

纤维材料将用于宇航天线、宇航反射器、心脏瓣膜和人体大动脉。

高分子功能材料,在高分子王国里是一片百花争艳的盛景。由于高分子

的功能团能够替代,所以只要采用极为简便的方法,就可以制造各种各样的

高分子功能材料。常用的吸水性材料,如棉花、海绵,其吸水能力只有本身

重量的 20 倍,在挤压时,已吸收的大部分水将被挤出来。而用淀粉和丙烯腈

制成的高分子吸水材料,它不仅能吸收自身重量数百倍到上千倍的水,而且

受到挤压也不会挤出水来。人们可以期望,将高吸水性的高分子材料制成能

将化学能转变成机械能的装置,以及具有类似于肌肉的功能或制造测量仪


器。在微电子工业的光刻集成块工艺,常用的光刻胶(又称光致抗蚀材料),

就是能使高分子相连接成一种功能团,光照射时会起化学反应,使其溶解度

降低或提高。应用这种光刻胶制备集成块,可以使集成块的线宽达到 0.1 到

0.01 微米(1%毫米),只有用其他工艺制成的集成块的线宽的 1/10 到 1/100,

是适合于 21 世纪的电子计算机的主要元件——微细元件的开关。光刻胶并能

用于各种精细加工,如半导体元件,EP 印刷线路板,金属板膜或表面的精细

加工、玻璃、陶瓷的精细刻蚀、精密机械零件加工等。

高分子功能材料应用在信息工程方面,已经生产了光导摄影材料、光信

息记录材料、光——能转换材料,并都已进入实用阶段。

像“当代摩神树”的离子交换树脂的高分子功能材料也发展很快,许多

高分子离子交换膜、高分子反渗透膜、高分子气体分离膜、高分子透过蒸汽

膜等都在化学工艺的筛分、沉淀、过滤、蒸馏、结晶、萃取、吸附等过程中

获得应用,而且分离结果优于其他方法,可节约大量能量。日本的制盐工业

早已用离子交换膜去代替盐田和电解盐工艺。利用反渗透膜对有机化工、酿

造工业的三废进行处理,可回收胺、酯、醇、醚、酮、酚等重要有机化合物。

气体分离膜对不同气体的透过率和选择性不同,可以利用这一性质从混合气

体中选择分离某种气体,如从空气中富集氧,从合成氨中回收氢,从天然气

中收集氦,还可以制备一种水下呼吸器(人工鳃),它是直接从海水中提取

氧的潜水装置,人类可望能长期生活在海水中,进入海龙王的宫殿,分享海

龙王海底宁静的幸福生活的梦想可变成现实。还有各种信息转换膜、反应控

制膜、能量输送膜等正在研制阶段。一种富有吸引力的生物膜也正在研究之

中。生物膜有奇特的性能,不仅能起能量、信息、物质的传递作用、还能参

加光合作用及有机物质的生命合成等生命活动。这就是 21 世纪的高科技的一

颗明珠,摘取这颗明珠需要有极大的勇气和百折不挠的精神。

高分子功能材料的另一极为重要的发展就是用于催促化学反应,这类高

分子功能有机材料被称为高分子催化剂。早在本世纪 40 年代,人们已经使用

一种叫交联磺化聚苯乙烯的离子交换树脂作催化剂,用于化学反应的各个过

程,如水解、缩合、聚合等。尔后,这类高分子功能有机材料发展很快,高

分子金属络合物催化剂接着问世,它能够在化学反应中加速捕捉金属离子,

实现金属化合物的迅速分离,在工业生产和工业分析上是一种十分重要的方

法。还有高分子金属催化剂,是促进化合物中金属离子迅速完成化学反应的

材料,它已获得了成功的应用。自然界存在一种最有效的催化剂,称为酶。

这一类高分子材料像酶一样有很强的催化作用,称为人工合成酶。酶是由氨

基酸组成的蛋白质高分子化合物,它是生物体内各种生物化学反应的高效催

化剂,是性能最优异的天然的高分子功能有材料。现在,各种人工合成酶已

经研制成功并逐步投入应用,其种类越来越多,科学家根据酶的作用原理试

图模仿应用于化学工业的催化剂在化学工业上进行一场革命。它可以制作进

行化工生产,可以充分利用再生的生物资源,以摆脱传统的以石油系列为主

要原料的合成工艺,而且还可用酶的催化原理,避开传统的合成工艺中的高

温,高压的条件,在各种物质混合的状态下,有选择地使特定物质发生化学

反应,使反应物能够不加分离地连续反应至生产出最终产物。这样,生物反

应器将会改变化工企业高塔森立的传统面貌,不仅能节约能源,改善工作环

境,同时还可以广开化工资源,消灭废水、废气和废料(又称三废),使建

立无污染的理想化学工业成为可能。例如天门冬酰胺酶制成的中性树脂的前


景就非常光明。

高分子材料在医学和生命科学上的应用已有很长的历史,但是依靠着高

科技的进步,近期来这个领域的发展令人惊讶,人工心脏瓣膜、人工肺、人

工肾、人工血管、人造血液、人工皮肤、人工骨骼、人工关节,从研制迅速

成功到不断完善,并且已付诸使用。高分子材料制作的手术器械、医疗用品

已不计其数。

高分子材料生物化的最大特色就是控制人的健康和生命,利用不带药剂

性的高分子与其他药剂合成的高分子药剂,可大大改善治疗效果,这一类药

剂入体易于吸收,毒性和副作用小。如引起恶心、全身不适等不良反应的抗

癌药,把它们高分子化,其效果就大大改善,像抗癌药芳庚酚酮和甲基丙烯

酸结合为高分子,其效果更佳。另一类高分子药物,本身就有很高的药效,

如合成的聚乙烯吡咯烷酮,就可以作为血浆的代用品。商品化的聚醚与聚氨

酯合成的高分子药物与血浆蛋白质中的白蛋白的亲和力特别高,相处很融

洽,是一种解决人体血凝的医用高分子材料。

综观上述,高分子已经成为 21 世纪材料科学中强有力的支柱,高分子材

料的发展在 21 世纪将会取得更大的成就。




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