新型有机高分子材料在自然科学基础中的应用

2023-08-11 理论教育版权反馈

【摘要】：芳纶纤维在高科技方面具有取代金属材料的趋势。目前，科学家还发现了一系列稳定的聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等导电高分子材料，它们应用于高效电池、电容器的制作，也应用于防静电和防腐蚀方面。导电高分子材料已成为21世纪材料科学领域研究的热点之一。

随着材料科学的飞速发展，合成高分子材料不断地涌现出新的品种。据报道，目前世界上合成高分子材料已超过1.4亿t，而且，它们在社会经济中的地位，已不单是传统材料的代用品，正成为国民经济和国防工业高科技领域不可缺少的基础材料。

（一）高性能塑料

1.工程塑料

工程塑料是指工程上做结构材料应用的塑料。它们有优于一般塑料的性能，如具有更高的强度和机械性能，可在较宽的环境温度下使用等。常见的工程塑料有：聚甲醛（POM）、聚碳酸酯（PC）、聚酰胺（PA）、聚酯（PET或PBT）、聚苯酰（PPC）等。如聚甲醛是由简单的有机化合物甲醛聚合而成的、具有高刚性和高硬度、低摩擦系数、自润滑和良好的耐疲劳等特性，它可在较高的动态载荷作用下长期使用，被称为“最耐疲劳的塑料”。它特别适用于制造精密小齿轮、轴承轴套，各种电子钟表、打印机、复印机等的零部件。又如聚碳酸酯是一种具有特种性能的透明塑料，有“打不碎的玻璃”之称。它透明度高、密度小、坚韧、易于加工成型、抗冲击强度高，能在135～145℃中连续使用，它可取代普通有机玻璃用作超音速飞机上的挡风夹层、天窗盖和舷窗。

2.特种塑料

特种塑料具有特别的功能，其价格昂贵，世界年消费量不大，但增长的速度却很快。特种塑料能在高温、强腐蚀性和高辐射的条件下使用，能用于航天、冷冻化工、医疗等领域。常见特种塑料有聚四氟乙烯（PTEE）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PSF）和液晶聚合物（LCP）等。如聚四氟乙烯被称为“塑料王”，它是最耐腐蚀的材料，除了极强的碱金属氢氧化物熔融态能使其表面轻微的腐蚀外，其他任何化学试剂，包括王水都不能使它腐蚀，它的耐腐蚀性超过不锈钢，而且可长期在260℃以上温度范围中使用。聚四氟乙烯还具有不吸湿、不燃烧、耐高温的特性，它被广泛用作防腐材料、耐摩擦密封材料、化学反应设备的内衬材料等。另外，聚四氟乙烯的固体表面能很小，其他物质很难黏附其表面、现代家庭厨房常用的“不粘锅”，其表面防粘涂层就是添加了大量聚四氟乙烯。

（二）特种纤维

特种纤维是合成纤维的进一步发展，它们产量不多，但品种较多。其中具有代表性的是芳纶纤维（芳香族聚酰胺）材料，它具有重量轻、耐腐蚀、强度高、寿命长、绝缘性好、耐辐射、加工方便等特点，这些特点是其他天然和合成纤维材料无法比拟的。例如，它的比强度（即同质量材料得到的强度）是钢丝的5倍，一根手指粗的芳纶纤维绳可吊起两辆大卡车，被称为“合成钢丝”。芳纶纤维在高科技方面具有取代金属材料的趋势。在航空航天方面，用芳纶纤维制成的毡毯，可作为航天飞机返回大气层时的热防护层。它还可用于降落伞、飞机的机轮、窗布，或作为增强纤维用于机舱门等。此外，芳纶纤维坚韧、耐磨、刚柔兼具，又是理想的防弹材料。

（三）特种橡胶

特种橡胶是在普通合成橡胶的基础上发展起来的，以其更优异的性能广泛用于国防工业和特殊的领域，起到其他材料所无法替代的作用。特种橡胶的产量虽然不多，但品种不断增多，有硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、聚硫橡胶等品种，其中以硅橡胶最具代表性。硅橡胶的主要成键结构中含有Si—O键，它比普通的合成橡胶具有突出的高耐热性，它的使用温度范围为-100～300℃，是所有橡胶之最，同时具有优越的抗老化性和电绝缘性。硅橡胶广泛用于航空、造船、化工和建筑行业，作为高温环境下的密封材料（如日常所用高压锅的密封圈）、减震材料和电绝缘材料。在硅橡胶基础上发展起来的硅硼橡胶和硅氮橡胶，耐热温度高达500℃。另外，硅橡胶在人体内也具有很好的生物相容性和稳定性，是制作人工器官的理想材料，目前已用于人体内人造血管、人造心脏，以及在体外应用的人工心肺机、人造肾脏、输血导管等。

（四）其他功能高分子材料

还有一些高分子材料，由于其特殊的化学或物理结构，在化学活性、光敏性、导电性、选择分离功能、生物医学活性等方面，具有特殊的功能，被称为功能高分子材料，常被用于一些高科技领域。

1.高分子分离膜

传统的分离技术不外乎蒸馏、分馏、结晶、萃取、吸附、过滤等，基于高分子分离膜的膜分离技术，比传统分离技术更节能、更经济、无污染，且操作方便，易于自动化。如海水淡化就可使用一种反渗透膜，当海水在一定的压力下流过这种膜时，在膜的另一侧会得到纯净的淡水。高分子分离膜还广泛应用于工业废水处理、湿法冶金、食品保鲜、混合气体分离、药物分离等。

2.导电高分子材料

高分子材料通常是不导电的，但现代科技的发展已使人们能够制造出导电的高分子材料。美国化学家麦克迪尔米德（A.G.MacDiamid）、美国物理学家黑格（A.J.Heeger）和日本材料科学家白川英树（H.Shirakawa）三位科学家，对导电高分子材料的发现和发展做出了杰出的贡献，成为2000年度诺贝尔化学奖的得主。导电高分子材料是一种新型能导电的树脂，它利用少量掺杂剂就能达到如金属般的导电性能。如经碘蒸气掺杂后的聚乙炔，可使其电导率提高109倍。用导电高分子材料制作的蓄电池体积小、重量轻、无腐蚀性（因为不需要铅和硫酸），蓄电能力是普通蓄电池的10倍，并可反复充电使用。目前，科学家还发现了一系列稳定的聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩等导电高分子材料，它们应用于高效电池、电容器的制作，也应用于防静电和防腐蚀方面。导电高分子材料已成为21世纪材料科学领域研究的热点之一。

新型有机高分子材料在自然科学基础中的应用

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