|
自合成高分子材料大量问世以来，高分子材料即以其实用性和装饰性极大地美化和改善了人类现代生活的品质，使衣食住行的各个环节都发生了日新月异的变化，给人们带来了缤纷多彩的现代化生活。
一．人造棉到仿毛仿丝
说到衣着，无论从城市到农村，人们对漂亮实用的合成纤维制品都不陌生了。尽人皆知， “的确良”织物制成的服装挺括美观、易洗免烫；尼龙袜坚固耐磨；睛纶棉质轻保暖，不蛀不霉，便于洗涤；维尼纶织物透气干爽，穿着舒适。这里所列举的就是目前合成纤维中大量生产的“四纶”，即由聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制的涤纶；由聚酰胺制成的尼龙；由聚丙烯腈纺成的腈纶和由聚乙烯醇缩甲醛制得的维尼纶。除了“四纶”以外，还有近几年兴起的聚丙烯纤维。在解决聚丙烯的纺丝技术后，纺制出来的超细丙纶，其织物柔软如蚕丝，同时具有单向透气和透水性，其出现又将给人们带来更舒适美观的衣着。自1935年人们研究成功尼龙纤维，1947年制成涤纶纤维，1950年和1953年先后制成腈纶纤维和维尼纶纤维以来，合成纤维的品种不下30～40种。人类告别了单纯依靠大自然赋予的棉、麻、毛、蚕丝编织衣着的时代，开创了纤维史上的第三次革命。到1990年世界合成纤维的产量已达1770万吨，占全部纤维的45%，2000年合成纤维的产量已达3500万吨。一座年产1万吨合成纤维工厂的产量相当于30万亩棉田的年产量。由此可见，合成纤维对人类现代生活的贡献是不言而喻的。
所谓合成纤维是指自然界原本不存在，靠人类聪明才智，通过化学方法合成得到高分子以后纺制出来的纤维。而将天然纤维进行二次加工，经化学和物理方法处理以后纺制出来的纤维称为人造纤维(即所谓的人造丝)，它不属于合成纤维之列。理论上讲，所有的线型高分子都可以纺制成纤维，但要成为符合穿着的纤维还有许多问题需要解决。首先要求相对分子质量足够高，在纺制成纤维后要经过进一步的拉伸和热定型处理，使高分子链沿轴向排列，这样才能获得足够高的强度，使制成的衣料耐穿耐用。其次是纤维应该具有很好的染色性，可以用不同的染料染色，而且色泽鲜艳，色调均匀，着色牢固，色谱齐全，可为人们提供丰富多彩的花色品种。
作为服用纤维的另一重要要求是希望它们有很好的亲水性，即可以吸收水分并能将其向邻近的纤维输送，这也就是我们常说的吸汗和透气，从而达到调节体温和保护机体的目的。除了上述几个要求以外，作为服用的纤维还希望它们不起静电(导电)、阻燃、织物手感好等等。自20世纪40年代尼龙、腈纶、涤纶这几种主要纤维相继工业化之后，它们的染色方法、亲水化方法有了很大发展，例如，非极性的聚丙烯(PP)纤维是难以染色的，人们通过纤维的化学改性，在PP大分子链及其侧链引入—SO3H、—NR2等着色基团或添加含有金属离子的助剂，使之与染料形成配合物而染色。也可以在纺丝过程中加入异相高分子以疏松PP的内部结构，以提供染料扩散和渗透的孔道使之着色。此外，在纺丝液中混入着色剂，经纺丝后即获得有色彩的纤维(称原液着色)。具体方法是利用与PP树脂有良好相容性的树脂为颜料的载体，与颜料混合挤压成色母粒，此种色母粒与粒状PP树脂混合纺丝，即得到所需的有鲜艳颜色的纤维。合成纤维的亲水性可以通过化学和物理的方法得到改善。化学方法包括大分子的亲水处理、与亲水性单体接枝改性以及在纺丝后的纤维上涂敷一层亲水性化合物的表面处理方法等。物理方法则主要是使纤维表面粗糙化、横截面异形化及多孔化等。例如日本旭化成公司生产的腈纶短纤维是通过多孔法改善其亲水性的，而东洋纺织公司生产的聚酯短纤维则采用中空法增加其亲水性。
为了使合成纤维更能满足人们的需要，人们对其的实用性(免烫、易洗、吸汗、透气、保温绝热)、装饰性(色泽齐全、挺扩悬垂、手感好)、耐用性(耐虫蛀、耐摩擦、不褪色、不变形)等方面提出越来越高的要求。自20世纪70年代以后，差别化纤维成为合成纤维的一个重要发展方向。上面列举的PP原液着色就是差别化纤维的一个例子。所谓差别化纤维是指在常规服用纤维中采用某种物理或化学改性技术，赋予更良好性能的纤维，其结果是使同一品种纤维性能多样化。例如通过化学和物理方法使涤纶纤维在热处理时获得的高收缩涤纶(收缩率达20%～50%)，用它与羊毛混纺可以获得手感丰满的产品。将高收缩涤纶与普通长丝交织，可以得到美观舒适、新颖大方的提花针织物。通过改变喷丝孔形状而获得的纤维不是一般的异形化纤维它包括三角形、变形三角形、三叶形、五角形和中空异形等，它们使各种织物更多姿多彩。三角形截面纤维的织物光泽夺目，具有闪光效应；变形三角形纤维具有立体卷曲性，与毛混纺时手感温和、色泽文雅，适于做灯芯绒；而中空纤维织物则以质地轻松、柔软保暖而著称；由双十字截面纤维编织的袜子则不会脱垂下落；五角形截面纤维可以做仿毛、仿麻、仿丝绸等。这些差别化纤维的发展给现代生活带来丰富多彩、接近或超过天然纤维的衣物，极大地丰富了人们的衣着品种。差别化纤维使合成纤维产生了高的附加值，使织物更加高档化和多功能化。20世纪70年代差别化纤维只占合成纤维总量的1%，现在已达30%，而合成纤维较发达的日本，其差别化率达50%。差别化纤维主要是巧妙地利用了各种技术赋予纤维及其织物以更优良的性质，其发展方向为:仿毛、仿麻、仿真丝等仿天然纤维；仿鹿皮型的超细纤维；低伸度特殊混纺纤维；抗静电(导电)、高吸水、阻燃、抗菌防臭、中空保温、高弹性、感温变色、光变色等新功能型纤维和简化纺丝和染色工艺的原液着色纤维等。随着高分子材料的发展，合成纤维将为人们提供更新、更实用、更有魅力的产品。新型的化学合成纤维将从目前的“仿真”阶段向“超真”阶段过渡。到那时，有益于人类身心健康的抗菌防臭、防蛀除污、透气透湿、防缩防皱、抗静电、难燃的多功能纤维，冬暖夏凉的纺织品，光变色或温度变色织物将陆续不断地走进我们的生活。
此外，上面提到的合成纤维在美化人们衣着中所发挥的重大作用，已使其工业化产量多年来大幅度地增加，显著减少了人们对棉、麻等天然纤维的依赖。据统计，每生产1万吨合成纤维相当于30万亩棉田的棉花产量，节省土地所带来的效益是不言而喻的。
除了合成纤维大规模走进人们的服装行列之外，高分子材料在衣着中其他方面的应用也毫不逊色。单举衣服中光彩夺目的仿珍珠纽扣来说吧，它们就是利用不饱和聚酯，并加入人造的或天然的珍珠颜料，然后精巧地将它们排列成所需要的色彩图案，通过浇注或离心法得到棒料或薄片，切割或冲压成所需形状，最后经抛光得到的。
二．从农业地膜到不粘锅
人类生活中的一个重要环节“食”，与高分子材料的关系也十分密切。高分子材料的应用不但给人类带来更多更丰富的食品，也极大地丰富了我们的生活。我国北方乃至西藏等高寒地区常年能吃到丰富的蔬菜品种，寒冬过后提前品尝到鲜甜的瓜果，首先得益于塑料大棚的功劳。塑料地膜覆盖既保温又保湿，能带来粮食、蔬菜及棉花等作物的增产效果，已成为国内外农业增产的重要技术措施，是许多寒冷和干旱地区农民脱贫致富的重要手段。塑料地膜与化肥、农药一起已成为现今农业生产中的三大化工材料。据统计，我国用于农膜生产的聚乙烯(PE)约占全部PE产量的1/4。虽然由于PE在自然条件下不易降解，长期使用会给土壤带来污染，但高分子材料的科学工作者已想出不少办法来解决这个问题。在不久的将来，生物降解型的地膜将会问世，农用塑料膜将继续为农业作物的持续稳产高产做出重要贡献。
在“食”问题上高分子材料的另一重要作用是解决海水淡化问题，芳香聚酰胺或醋酸纤维素制成的反渗透中空纤维膜，可以使海水和苦咸水淡化。在目前海水淡化的各种技术中，反渗透法的能耗最低，因此，利用这种中空纤维膜淡化海水是解决沿海地区及岛屿农田灌溉和生活用水的有效途径，对中东波斯湾一带缺淡水的国家具有特别重要的意义。在解决农用水问题上有重要意义的另一类高分子材料是高吸水性高分子。现在已合成出吸水为自重数百倍甚至上千倍的高分子材料。我们熟悉的婴儿用的“尿不湿”以及妇女、住院病人用的卫生材料就是用这类高分子制成的。它们一般为轻度交联的带有大量亲水基团的聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸及其盐类和聚乙烯醇类高分子化合物。将这些高分子材料应用于农业生产，可以持续不断为农作物生长供应必须的水分。在干旱地带造林时，若将树苗根部浸上一层吸足水的高分子，树苗的成活率将显著增加，并减少了植树后的浇灌次数。近年来，我国利用吸水性高分子进行农田保湿的大规模试验已取得成功。
高分子材料用于日常食品的包装、储存、运输、保鲜等方面已为人们所熟知。超级市场琳琅满目的各类食品，除了少数罐装食品仍用金属、玻璃包装外，随手就可取到高分子材料包装的食品。它们大多数是聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子的制品，这些包装材料以其重量轻、不易碎、免回收、免洗涤、装饰性强、美观大方而大量取代过去的玻璃包装。其中聚乙烯薄膜以其水气透过率小、无毒而大量应用于干燥食物。对于一些吸入氧气后易于变质的厌氧食品，则采用层压方法将聚乙烯与干燥状态下透氧率极低的玻璃纸压成复合膜，然后再在其上涂一层聚丙烯而成为极端厌氧食品的包装材料，使食品的保鲜期大大延长。高分子材料在食品包装中的应用，便利了食品的储藏和运输，使人们不出家门就可以品尝到天南海北各个地方的鲜美食品，给旅行和居家生活带来了很大的方便。 至于由高分子材料制成的餐饮用具，更比比皆是。在市场上看到的“不粘锅”，不用放油就可以煎鸡蛋和摊煎饼，它是20世纪70年代未美国杜邦公司推出的产品，是在煎锅表面镀上一层光滑耐温的聚四氟乙烯膜制成的。
 |
|
活动房屋 |
|
三．从家具到活动房屋
高分子材料与“住”的关系倍加密切。我们的祖先早就懂得用木料、竹子、草来盖房子和制造家具，知道用天然漆装饰和保护家具、房屋，并将猪血-老粉腻子(即血朊胶粘剂)和桐油-石粉-竹纤维用到建筑和家具的制造中。近几十年来，随着高分子材料工业的迅速兴起，高分子材料以其漂亮美观，经济实用而在建筑业中又开辟了广阔的应用领域。用于建筑中的高分子材料既包括取代金属、木材、水泥等的框架结构材料(如在本章开头提到的日本在东京湾建造超高层建筑中使用的碳纤维增强复合材料)，也包括墙壁、地面、窗户等装饰材料以及卫生洁具、上下水管道等配套材料和消声、隔热保温、防水等各种材料。随便走进一间高级星级宾馆或写字楼，利用高分子材料使之增光添色的例子比比皆是。举头可以看见塑料压制的美观大方的吊灯和镀塑灯具；俯首是色彩鲜艳，不怕虫蛀的丙纶地毯或人造大理石；墙外、室内大量使用水溶性涂料或花色丰富的壁纸；坐下来是美观的人造革内包弹性良好的聚氨酯泡沫塑料；随手触摸到的是塑料压制的家具；抬眼看到的是合成纤维编织的金丝绒垂地窗帘；在卫生间看到的是美观的人造大理石梳妆台(由不饱和聚酯加石灰石和颜料制成)和玻璃钢浴缸，墙内还有看不到的保温隔热泡沫塑料；房顶有质轻防雨的波形瓦。在建筑中，除了这些大量使用的不同档次的高分子材料之外，还有由酚醛或脲醛树脂压制成板材而便于拆装运输的活动房、以充气顶棚构成的整体式展览馆、由玻璃增强纤维与树脂制成的整体模塑住房等。这些轻巧实用，便于快速拆装的房屋，为搭制临时展览场馆、施工现场用房、救灾及野外考察用房等提供了极大的方便。
四．从自行车到汽车轮船
至于高分子材料与“行”的关系就更加重要了。高分子复合增强材料的自重小，比强度、比模量高，而且可设计性强，首先成为飞机中许多部件的首选材料，例如，碳纤维复合材料以其比强度、比模量高，质轻，且在高温(2000℃以上)情况下强度不降的优异特性而被选作宇宙飞船的结构材料和战略导弹战斗部的稳定裙。在飞机中，1kg碳纤维复合材料可以代替3kg传统的铝合金结构材料，因而目前由碳纤维复合材料制造的飞机零部件已有上千种。20世纪90年代民航机中金属结构材料的65%已被碳纤维及芳纶纤维复合材料所代替，对要求自重更轻的战斗机，金属材料的取代率则将高达90%，届时，飞机的航程和航速将得到明显增加。在造船工业中，玻璃纤维复合材料以其质轻、高强、耐腐蚀、抗微生物附着、非磁性、可吸收撞击能、设计成形自由度大等一系列优点而被广泛用于制造汽艇、游艇、救生艇、渔船、气垫船以及各种军用舰艇。美国Derektor造船厂大量使用碳纤维复合材料建造的长达22.5m的飞艇，其质量比铝合金舰艇轻3t，时速达120km/h。Oak Ridge国家实验室用纤维缠绕成型工艺制造的深海潜水器可承受70MPa的外压力，质量只有钛合金壳体的2/5。在汽车制造业中，各种高分子材料也大显神通，其作用首先是减轻车辆的自重，改善运行性能，提高燃油效率。现在一部分高级轿车所用的高分子材料部件多达数百件，包括保险杠、防冲撞护条板、发动机散热风扇、通风空调、音响、电器及仪表盘、方向盘、座椅、车内装饰等。这些高分子材料部件的应用，不但显著减轻了轿车的自重，降低每公里的耗油量，而且使轿车变得更舒适美观，例如1990年美国高级轿车卡迪拉克内使用的塑料制品就达136kg，而且这些汽车零部件的加工大量采用了目前塑料加工中的先进技术，如片状模塑、增强反应注射模塑、反射注塑模塑等。汽车工业的迅速发展还得益于制作轮胎的合成橡胶和作为轮胎帘子的合成纤维的发展。由于作为能源的石油日趋短缺，各个国家都致力于降低汽车百公里耗油量。而高分子材料在汽车中的应用，除了可以减轻车身自重外，还能减少轮胎对地面的滚动阻力以及提高轮胎的抗湿滑性(增加对路面的抓着力，以提高牵引力)，使滚动阻力减少5%~7%，节油1%。人工合成的顺丁橡胶的出现，以及尼龙、卡夫拉等高强纤维帘子线的应用，解决了轮胎既要滚动阻力小，又要耐滑耐磨的矛盾。将顺丁橡胶或丁苯橡胶与天然橡胶并用，可提高胎面胶的耐磨性和耐沟裂性，以及胎侧胶的耐屈挠龟裂性。在轿车轮胎中合成橡胶的含量占35%～50%，载重车胎的胎面胶中，顺丁胶为30%～50%，最高达70%。 20世纪70年代解决了不锈钢帘子线与橡胶的牢固粘结后，进一步解决了汽车在高速行驶中的操作稳定、耐磨与低油耗问题。应该说，各种车辆之所以能在高速路上稳定安全地飞驰，在很大程度上是依赖于高分子材料技术的发展。
五．从体育用品到宇宙飞船
上面所叙述的只是我们现代生活中衣食住行四个重要环节与高分子材料的关系，除了这几个环节以外，在能源、通讯甚至日常生活的文娱、体育等各个方面都与高分子材料息息相关。燃料、水力和核能是目前广泛利用的能源，高分子材料良好的绝缘性能是电力工业、电子和微电子工业必不可少的绝缘材料，广泛应用于发电机、电动机、电缆、导线和各种仪器仪表中。各种塑料、橡胶、纤维、薄膜和胶粘剂为能源工业做出了重要的贡献。具有记忆功能的塑料导线使仪器仪表和车辆中的布线大大简化。核电站所用的放射性铀在海水中的含量据估计有45亿吨，远远高于陆地上的铀矿的含量，但浓度很低，每吨海水只有3g左右，但采用离子交换纤维提取和浓缩则可以源源不断地获得核电站所需的燃料。此外，采用碳纤维制作的高速离心转筒，可以比气体扩散法高1倍的效率分离U235和U238。在石油工业中所用的泥浆，需要用水溶性高分子羧甲基纤维素(CMC)来调节它的浓度。在三次开采（井下降后注水开采称二次开采，二次开采后剩余石油的开采称三次开采）要用到分子量高、抗盐、抗降解的水溶性好的聚丙烯酸胺。石油原油开采以后，在长距离的管道运输中需要用减阻高分子以减少泵运送的摩擦阻力，此外，也要在输油管线上使用耐油、耐热的橡胶密封垫和塑料保温层。油井管和输油管中大多数管件则是由玻璃钢制成的，特别是在海上采油的钻井平台上，复合材料制成的原油输送管、浮力提升器、大型储油罐已获得应用。高分子材料对通讯设备的贡献也功不可没，包括电话机、BP机、手持电话机以及通讯卫星和中继站各种通讯设备中使用的线路板，都是纤维复合材料制成的，同时，制作精密线路时，也将应用到感光树脂，更不用说这些通讯设备外壳所使用的各种塑料了。体育器材中使用高分子材料的例子也不胜枚举。没有弹性不同的正反胶球拍，我国乒乓球运动员也不一定会取得今日辉煌的成绩；没有高强度、高弹性而质轻的纤维复合材料，撑杆跳高运动员也不可能创造今天的世界记录。纤维复合材料已广泛应用于高尔夫球杆、鱼竿、球拍、球棒、弓、滑雪板、赛车、赛艇等各个项目中。目前，50%的碳纤维产量是用来做体育器材的。优秀的网球运动员使用的网球拍就是一种质轻坚韧的碳纤维复合材料。
在现代生活中起重要作用的另一类高分子材料是遍及各行各业和人类日常生活的高分子粘合剂。在人类进入高分子时代以后，传统的靠螺纹连接、铆接、焊接乃至钉、缝等传统的连接技术，已为粘接逐步取代。与这些传统的方法相比，胶粘技术具有许多非凡的功能:可以连接材质、形状各异的材料；可以在维持产品良好性能的前提下减轻结构的重量；连接处应力分布均匀，又延长结构寿命(螺钉连接、铆接、焊接都会带来应力集中)；连接强度高，相同面积的接头，胶接比铆接的剪切强度高40%～100%；同时具有连接、密封、绝缘、防潮、减震等多种功能；施工简单，成本低廉。正因为如此，利用高分子胶粘剂的粘接技术已遍及土木建筑、木材加工、航空宇航、汽车车辆、船舶制造、电子电器、医疗卫生、轻纺印刷、机器制造和修理乃至我们日常生活的每一个环节。例如，在飞机中使用粘接技术可省去近10万个紧固件，使结构重量减轻15%，而在重型轰炸机中用胶接代替铆接，重量可减轻34%。在国外，一台汽车的生产中要用5～20kg的各种胶粘剂。现代建筑讲究舒适堂皇，也得益于各种胶粘剂。人造大理石、塑料天棚、塑料壁纸、塑料地板、室内吊灯、壁灯、衣挂等离开胶粘剂就无法固定。没有胶粘剂人们无法造出穿着舒适的旅游鞋和美观大方的皮鞋，也没法享受方便舒适的家具和办公用品。由间苯二酚、甲醛与水泥配制成的聚合物混凝土为建筑物的内外墙粉刷和粘贴饰面材料提供了方便。花岗岩粉和环氧胶粘剂混合浇注可以得到代替天然石料的人造花岗岩，其耐磨损效果高于天然岩石3倍。在家具制造中广泛使用的俗称白胶的则是聚醋酸乙烯乳胶。我们日常穿用的皮鞋，在生产中根据鞋底、鞋帮、支根、包头皮、衬钢条等部位和材料的不同，所使用的粘接胶多达十几种。而在旅游鞋中则广泛使用氯丁胶和聚氨酯胶。高分子热熔胶的使用，使现代服装加工也发生了变革。将低密度聚乙烯粉与衬布热定型后制成的粘合衬已广泛应用于服装的领衬、胸衬、袖口衬等多个部位，没有这些高分子粘合衬，我们今天的服装就不会那么挺括丰满。有万能胶美称的环氧树脂，则可以粘接木材、玻璃、陶管、金属。办公室中经常用到的压敏胶则多为天然橡胶和它的改性产品所配制。在宇航和航空工业中，现在没有一枚火箭、一艘宇宙飞船、一架飞机不用胶粘剂。这些胶粘剂既要求粘接强度高、结实牢靠，又要求耐高低温的冲击。目前在航空和宇航工业中广泛使用的酚醛-丁腈、改性环氧树脂、硅橡胶和聚氨酯为结构的胶粘剂，其粘接强度达7MPa以上。
在医疗领域里，使用胶粘剂粘接皮肤、血管、人工角膜、牙齿、人工关节等。虽然医用胶粘剂的使用条件苛刻，但已研究成功可以替代手术缝线的胶粘剂(α-氰基丙烯酸酯)，其粘接强度与缝合法相近，可以粘接组合，而且伤愈后不留下缝线疤痕。
|
