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第14章 高分子材料(4)

另一类是杂环高分子化合物,例如,聚芳亚酰胺和作为高温粘合剂的聚苯并咪唑为现在的宇航飞行所需的材料奠定了坚实的基础。由于高分子材料具有许多优良性能,适合现代化生产,经济效益显著,且不受地域、气候的限制,因而高分子材料工业取得了突飞猛进的发展,目前世界上合成高分子材料的年产量已经超过1.4亿吨。

科技发展到今天,高分子材料的作用已不仅仅是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品,更重要的作用是它已经成为国民经济和国防建设中的基础材料之一。与此同时,高分子科学的三大组成部分——高分子化学、高分子物理和高分子工程也日趋成熟。高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国家建设和人民日常生活中必不可少的重要材料。由于石油资源的逐渐减少,人们正在积极考虑其他能源,例如太阳能、氢能与原子能的开发,但也必需看到石油的主要用途是作为燃料,用于化学工业的仅占7%,其中作为高分子原料的只有5%,因此一般认为即使在在21世纪,高分子的主要原料仍可来自石油。

另一方面,特种油田高分子用于二次或三次采油颇有成效,对于石油能源开发有很大的帮助。材料高分子在材料领域中有着非常特殊的地位,特别是在交通领域中,可替代比重较大的金属与陶瓷,以及木材及其他天然材料。例如汽车车身与车壳结构材料中已经有50%用高分子材料,随着科技的发展将增至70%~100%。再如宇航与航空机身与机翼,减轻重量可以大大省油,因此都用高分子复合材料,从20世纪80年代占总重量的30%~40%至20世纪90年代的50%~60%,随着科技的发展这个百分比会逐渐地增加。活性聚合是促使高分子化学走向新时代的基础。要进行活性聚合,引发速度要快,没有链转移与链终止,实验室测定活性聚合从三个方面下手,一是转化率与单体浓度成正比与催化剂浓度成反比;二是高分子相对分子质量与转化率或时间成正比;三是相对分子质量分布要窄,约为1.2左右。

有人曾这样的来形容高分子化学,说它是一门排队化学,排头的要很快站出来,其余的队员要在面向同一方向迅速排好队,而且所有的队员都必须排上队,这样造成的结果是每排长短都一样,即相对分子质量分布为1,转化率100%。

上面的叙述意味着在高分子材料——这个划时代的时代中,高分子材料有以下三个重要方面的表现:第一,高分子的相对分子质量概念将彻底改变,因为原来的高分子相对分子质量都是各式各样的平均值,主要原因是因为长短不齐;第二,高分子的概念将彻底改变。随着人们对高分子的认识,发现它不是不易控制的长短不齐的分子组成,而是均匀高分子所组成;第三,高分子性能以及加工应用,都将因为是精密高分子而出现全新的数据、全新的性能与加工方法与用途。

所谓高分子材料主要包括塑料、橡胶与纤维三大合成材料,其中塑料占总量的80%。在塑料中占80%的是通用高分子,包括高压聚乙烯、低压聚乙烯、聚丙烯以及聚氯乙烯与聚苯乙烯。在科学家的手中,工程塑料家族诞生了,它的成员包括能耐高温100℃~160℃的尼龙、聚碳酸酯、聚酯及聚苯醚。

到了20世纪90年代又发展出更高耐热200℃~240℃的聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚醚酮及聚酰亚胺的所谓高温工程塑料。与此同时还有复合材料的建立与发展,例如开始用玻璃纤维的复合材料发展到用碳纤维的耐高温复合材料。非结构高分子材料与功能高分子也获得了大发展。

自从20世纪80年代以来,为了迎合工业发展的要求,高分子粘合剂与油漆涂料都开始向耐高温方向发展,也即高分子从结构向非结构材料方面发展。还有更重要的是功能高分子的多方面发展,例如利用吸附性能作为海水淡化及其他如离子交换树脂与分离膜的属于化学功能高分子;应用于光导纤维与光刻胶的属于光功能高分子;具有导电性能的电功能高分子及作为人工脏器与药物控释的医学功能高分子。因为功能高分子的兴起是20世纪80年代以来的十分重要的发展。硅系高分子材料取代碳高分子材料,成为新一代功能材料。

在国外,日本电信电话公司研制的由氧、碳、氘和硅四种元素组成的具有优良性能的新型材料,能耐500℃的高温且不熔化,因此用它制作光器件,不会因屈折率变化而降低功能。

美国竞争力委员会把材料技术列为所有重点扶植的先进科技的第一位;英国一项高于高分子材料科技的研究课题正在如火如荼的进行着。法国确定的高分子新材料的开发研究计划是国家计划的重点。从20世纪90年代,日本在新材料开发研究领域每年投入的费用比美国高50%,人力投入也比美国多近1倍。

在我国,材料科学也在不断的进步与提高,其中高分子材料的发展速度非常的鼓舞人心。新华社曾报道:国家“八五”重点科技攻关项目“聚醚砜、聚醚醚酮、双马型聚酰亚胺等类树脂专用材料及其加工技术”,成功通过由国家有关部门组成的验收委员会的验收。

聚醚砜、聚醚醚酮、双马型聚酰亚胺等特种工程塑料,是20世纪60年代发展起来的新型高分子材料。由于这类材料具有优良的综合性能,现已成为各种空间飞行器和新型运输工具实现高速、轻量、增加航程的可靠保证,也是电子电气产品实现大容量、高集成和小型化不可缺少的新材料。由四川联合大学、北京市化工研究院、东方绝缘材料厂等10个单位共同承担的这项重点课题,经过120多名科技人员五年合作攻关,不但全面完成了任务,取得27项鉴定成果。其中吉林大学吴忠文教授等研制的“聚醚醚酮树脂”,性能达到目前国际先进水平,成本大大低于国外同类产品;大连理工大学蹇锡高教授等研制完成的“杂环取代联苯聚醚砜的合成”,主要经济技术指标达到国际先进水平;四川联合大学、成都飞机工业公司、东方绝缘材料厂江璐霞教授等研制的“双马型聚酰亚胺航空工装模具材料”,在国内处领先地位,达到20世纪80年代末国际水平。

随着科技的不断发展和人类思维的进步,有多种产品形成了规模生产能力,提供特种工程塑料新产品15种、新材料19种、新工艺3项。另外,新华社还曾以“我国高分子化学研究取得重大突破”为题报道一种用于家电产品的新型紫外光固化涂料——JD-1紫外光固化树脂,在湖南长沙市研制开发成功,并通过鉴定。专家们认为,它填补了国内一项空白,达到国外同类产品的先进水平。位于长沙市东岸的湖南亚大高分子化工厂有限公司,多年来始终追踪高科技发展潮流,不断研制开发高起点、高水平、高效益的新技术,并使这些技术成果迅速转化为生产力。这个公司的科技人员在资金少、条件差的情况下,经过数千次试验,终于研制开发出JD-1紫外光固化树脂。只需在各种家电外部涂上一层紫外光固化树脂,经过一番处理,家电犹如穿上一件硬如玻璃钢、光洁似镜面的“外衣”。

据有关的专家介绍,家电外表的装饰是衡量其档次的一个重要指标,这也是国内外科学界长年研究的课题之一。新型紫外光固化树脂的研制成功,使我国家电装饰发生质的飞跃,也使的我国的科技水平登上了一个新的台阶,不仅使我国结束了长期进口的形势,同时还节约了许多的外汇成本。专家鉴定认为,这是一种污染少、节能效益好的高科技产品,具有耐冲击、耐老化、固化速度快等优点,可广泛应用于电冰箱、洗衣机、电气仪表、电讯设备和汽车、摩托车等。一项处于国际领先水平的聚合物技术——超高相对分子质量聚丙烯酰胺合成技术在大庆油田化工总厂研制成功。专家称,这项技术推广应用后,可使聚合物用量在减少20%的情况下,大幅度提高原油采收率,每年可为油田化工企业增效5000多万元。

由于实际的需要,在1995年大庆油田采用了三次采油技术,使我国生产聚合物技术跨入世界先进行列。但根据聚合物驱油试验研究,相对分子质量大于1700万的超高相对分子质量聚合物的驱油效果更好。为了加快超高相对分子质量聚丙烯酰胺产品的工业开发步伐,大庆油田化工总厂通过多渠道横向联合的办法,开展科技攻关。仅用三个月时间,攻关小组的14名科技人员就在工业化试验中,成功地合成了相对分子质量达到1700万的聚丙烯酰胺,并在试生产中取得了满意效果。

随着高分子科学的发展,科学家不仅要发展塑料、合成橡胶、合成纤维三大合成材料,以满足人们的生活需要,而且还非常重视对具有特殊功能,如具有活性、光敏性、导电性、催化活性、生物相容性、药理性能、选择分离性能等的高分子化合物的研究,化学而这一类高分子化合物就被称为功能高分子,它们是在主链或支链上具有显示某种功能的基团。

现在就某些高分子材料,简单的介绍如下:

1.感光高分子材料

感光高分子材料即能在光的作用下,迅速发生光化学反应,进而引起材料理化性质的变化,成为制作印刷电路、彩色电视荧光屏、大规模集成电路等不可缺少的材料。

2.高分子催化剂

高分子催化剂即将具有催化活性的基团(如酶)连接在高分子化合物上,使其具有催化作用。这种催化剂的稳定性好,催化选择性高、催化活性大、反应速度快,产率高且易于回收再次利用,因此在化工生产中得到广泛应用。

3.隐身高分子材料

隐身高分子材料实际上是一种吸波材料,能吸收雷达发出的波进而避开雷达的追踪。如首次在海湾战争中B-2隐形轰炸机的机身表面大部分由吸波材料的蜂窝夹层结构制成,为减少雷达波散射截面,机翼的前后沿由一连串拇指大小的六角形构成,每个小室内填充吸波材料,材料密度从外向内递增,它们用多层吸波材料覆盖,入射的雷达波先投射在机翼的表面上,然后被多层吸波材料吸收,剩余的雷达波进入六角形小室继续被吸收,几乎可完全消除来自机翼前后雷达的反射,达到“隐身”的目的。

4.医用高分子材料

医学高分子材料就是利用高分子材料与人体器官的相容性以及模仿某些医疗器具而制成的一系列材料,它克服了玻璃器械价格贵、性脆易碎等弱点,得到了广泛地应用。如医院的一次性注射器、整套的输液装置等全部是用高分子材料制成的。在外科上,用高分子材料制造假牙、假眼、骨骼等,使人体的部分组织能用医学高分子制品代替植入。仿生膜研制成功和进步,又使制造人体脏器的研究迈到一个新的阶段,产生了能代替真皮植入人体的人造皮肤,使人造器官的种类扩张到血管、肾、肺和心脏,并逐步发展到感觉器官。有的高分子本身就显示出药理活性,有的虽然没有药理活性,但是可以作为助剂使用。如把阿斯匹林接在高分子载体上制成的缓释阿斯匹林,能持续释放药性,可以用于长期抗血栓治疗。生病后每天要服三次药的惯例也将随着这些高分子新药的诞生而随之改变。

高分子有机磁性材料

磁性材料是材料家族的又一新成员,它是一种新兴的基础功能材料。我国虽然早在3000多年前,就已发现磁石相互吸引和磁石吸铁的现象,并在世界上最先发明用磁石作为指示方向和校正时间的应用,在《韩非子》和东汉王充著的《论衡》两书中所提到的“司南”就是指此,但是这样的应用只是简单单一的应用了天然的磁性材料。

随着人类的进步和科技的发展,人类更加的注意磁性材料的性能特点,开始对其进行制造和应用。经过近一个世纪的研究与发展,磁性材料已经形成了一个庞大的家族,按材料的磁特性来划分,有软磁、永磁、旋磁、记忆磁、压磁等;按材料构成来划分,有合金磁性材料、铁氧体磁性材料。

上述材料尽管种类繁多,庞杂交叉,但都属于无机物质的磁性材料或以无机物质为主的混合物质磁性材料。

随着磁性材料在材料界渐渐的暂露头角,并在社会生活中的应用越来越广泛,科学家们又研制成功了一种新型的磁性材料——高分子有机磁性材料,它的特别之处在于这种材料属于纯有机物质的磁性材料。

在人类的理念中一般的认为有机高分子化合物是难于具有磁性的,因此本身具有磁性的有机高分子化合物的出现,就是高分子材料研究领域的一个重大突破。有机高分子磁性材料的发现被国内外专家认为是20世纪80年代末科学技术领域最重要的成果之一,它的发现在理论和应用上可与固体超导和有机超导相提并论,并有可能在磁性材料领域产生一系列新技术。

现将高分子有机磁性材料的主要性能介绍如下:由于高分子有机磁性材料既属于高分子有机材料,又属于磁性材料,对这类材料的研究属于交叉科学,人们对这类新型材料的研究和认识尚处于起步阶段,因此尽管专家们已对其进行了多方面的测量、试验和分析、研究,但对其特性的认识仍很不系统、很不准确、很不全面。从目前已了解到的一些测试数据和分析情况可以初步看出其主要的性能特点:1.有机高分子磁性材料是采用与过去所有磁性材料的制备方法完全不同的高分子化工工艺制成的高分子有机物质,是高分子有机物再加上二茂铁的络合物,相对分子质量相当的高。

碳、氢、氮是构成有机物的基本元素,有机物的结构和化学性能在一般的情况下都非常的十分稳定。将磁粉加工制成磁性元件,不需烧结,只需热压成型。元件属塑性软磁产品,不产生因高温烧结而导致的尺寸偏差,且机械特性好,可进行切、车、铣、钻等机械加工,机械的抗振动、抗冲击性好。

2.从磁性性能来看,有机高分子磁性材料属于软磁。其本征磁特性参数有,比磁化强度为20~27A·m2/kg,剩磁为2.91A·m2/kg,矫顽力4.9kA/m;应用磁特性参数有,初始磁导率μi(在1000MHz时)为3~6,比磁损耗(在1000MHz时)tgδ/μi为2.7×10-3;低损耗适用频率范围为200~3500MHz。

3.有机高分子磁性材料的介电特性较好。电阻率≥1010Ω·cm,在1~1000MHz下,复数介电常数的实部ε′为8.2~8.3,虚部ε″为0.21~0.22。

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