合成材料及其发展

合成材料及其发展一、纳米复合材料纳米复合材料是指至少有一种组分材料的分散相尺度小于102纳米量级的复合材料，它的性能优于相同组分的常规复合材料，尤其是在物理力学性能方面。与常规的高分子--无机材料的复合材料相比，纳米复合材料具有独特的纳米尺度效应，具有大的比表面积和强的界面互相作用，使高分子与无机材料的界面之间存在着强的化学结合力，达到理想的粘接性能，可消除高分子基体与无机材料基体的热膨胀系数不匹配的问题，可以充分发挥无机材料的优异的力学性能和高度的耐热性。尼龙6是一种应用很广的工程塑料，它的分子结构和结晶作用使它具有优良的物理和机械性能，然而由于尼龙6分子内存在极性基团，使它的吸水率相对地比较高，热变形温度相对地比较低，强度和模量也不够理想，在一定程度上限制了它被更广泛的应用。由尼龙6和粘土构成的纳米复合材料具有优良的力学性能，具备了高强度、高模量、高热变形温度，还有耐湿性和耐溶剂侵蚀性，因此在相同性能和用途时（如制作结构材料），其重量可比普通的用玻璃纤维制成增强剂的复合材料减轻25％。广泛用于制造汽车发动机的配件。在尼龙6和黏土构成的纳米复合材料中，黏土以层状结构分散于尼龙6基体中，对气体具有良好的抗渗透性能，可使气体的透过率降低50％以上，具有很好的阻隔作用，是一种良好的阻隔材料。二、质量最轻的材料――泡沫塑料泡沫塑料是由大量气体微孔分散在固体塑料中形成的一类高分子材料，具有质量轻、隔热、吸音、减震等特性，用途很广。最早开发的泡沫塑料是20世纪60年代发展起来的结构泡沫塑料，内部芯层发泡，外部皮层不发泡，特点是外硬内韧、强度高、消耗原料少，广泛地代替木材，用于建筑和家具工业以及包装材料。现在，几乎各种塑料都可以制成泡沫塑料。塑料面包制造泡沫塑料的方法称为发泡方法。在一定程度上，发泡方法受到烤制面包和蒸馒头的启发，面包、蛋糕、馒头中都有数不清的小气孔，它们是怎样形成的呢？原来，做面包和蒸馒头的关键一步是要让面粉发酵，通常使用发酵粉（内含小苏打，即碳酸氢钠）或酵母菌，碳酸氢钠在受热时会发生分解，产生大量的二氧化碳气体，二氧化碳气体均匀分散在面包、蛋糕和馒头中，使它们变得疏松多孔。显然，碳酸氢钠起着发泡剂的作用。现在，塑料的发泡方法共有三种：机械法、物理法和化学法。但无论采用什么方法发泡，其基本过程都是：①在液态或熔融态塑料中引入气体，产生微孔。②使微孔增长到一定的体积。③通过物理或化学方法固定微孔结构。机械发泡法是借助强烈搅拌，把大量空气或其他气体引入液态塑料中，工业上主要用此法生产脲醛树脂泡沫塑料，它可用做影剧布景中的人造雪花。物理发泡法常将低沸点的烃类或卤代烃溶解在塑料中，当塑料受热而软化时，溶解在塑料中的烃类或卤代烃液体就会挥发，同时膨胀发泡。例如制造聚苯乙烯泡沫塑料，可在苯乙烯聚合成聚本乙烯时，事先把戊烷溶解在苯乙烯单体中，聚合时就会发泡。也可以在加热和加压下用戊烷处理聚苯乙烯塑料，制得可发泡性聚苯乙烯塑料，然后使它在热水或水蒸气中预发泡，再放到模具中通入水蒸气，使预发泡后的聚苯乙烯塑料二次膨胀，并互相熔结在一起，冷却后即得到与模具形状相同的制品。挤出成型的物理发泡法可用于聚苯乙烯塑料，使其熔融，再加入卤代烃混合均匀，当物料离开机头时即膨胀发泡。物理发泡法还有中空微球法，是将熔化温度很高的空心玻璃微珠与塑料熔融体相混合，然后在玻璃微珠不会破碎的条件下塑料成型，可制得特殊的闭孔型泡沫塑料。化学发泡法可分两类：⑴采用化学发泡剂，它们在受热时分解放出气体。常用的发泡剂有偶氮二甲酰胺、偶氮二异丁腈、N，N′--二亚硝基五亚甲基四胺、碳酸氢钠。许多热塑性塑料均可用此法制泡沫塑料，例如聚氯乙烯泡沫鞋就是把聚氯乙烯树脂、增塑剂、发泡剂和其他添加剂制成的原料，放入注射成型机中，发泡剂在机筒中分解，原料就在模具中发泡成型。泡沫人造革则是将发泡剂混入聚氯乙烯糊料中，再涂刮或压延在织物上，连续通过隧道式加热炉，使物料熔融，发泡剂分解发泡，冷却后，即得泡沫人造革。硬质聚氯乙烯低发泡的板材、管材或异型材则用挤出法成型。发泡剂在机筒中分解，物料离开机头时，压力降到到常压，溶入塑料的气体即膨胀发泡。⑵利用聚合过程中的副产物气体进行发泡。典型的例子是制造聚氨酯泡沫塑料。当异氰酸酯和聚酯或聚醚进行缩聚反应制造聚氨酯时，部分异氰酸酯会与水、羟基或羧基反应，生成二氧化碳气体，只要气体的放出速度和缩聚反应速度调节得当，即可制得泡孔十分均匀的高发泡制品。分类与应用泡沫塑料的种类很多，其中的微孔之间互相连通的称为开孔型泡沫塑料，微孔之间互相封闭的称为闭孔型泡沫塑料。泡沫塑料又有硬质和软质之分，按照美国试验和材料学会颁布的标准：在18～29℃下，在时间5秒内，泡沫塑料绕直径为2.5厘米的圆棒一周，如果不断裂，属于软质泡沫塑料；如果断裂，则属于硬质泡沫塑料。泡沫塑料还分为低发泡和高发泡两类：通常将发泡倍率（发泡后比发泡前体积增大的倍数）小于5者为低发泡产品，大于5者为高发泡产品。由于泡沫塑料中存在着许多微孔，而这些微孔中都是质量很小的气体，因此泡沫塑料的一大特点，也是一大优点是异常轻巧。软质泡沫塑料的优点是柔软，再加上塑料的耐磨性和耐水性，于是用泡沫塑料制成的拖鞋、凉鞋，鞋底就具有轻巧、柔软、耐磨、舒适以及晴雨皆宜的优点。泡沫塑料鞋多半是用加了多种添加剂（如增塑剂、发泡剂、稳定剂、润滑剂、着色剂）的软聚氯乙烯做的，用的是注射发泡成型方法。泡沫人造革（大多用聚氯乙烯做原料）的花纹和手感与真皮十分相似，所以它可以用来代替皮革和帆布制造手提包、背包、旅行包、公文包、皮箱等。它还适合做沙发、汽车及火车客车座椅的椅面。过去，沙发和软椅的弹性材料都要用钢制的弹簧，上面还要铺棕毛层、棉花层等，而现在大多是用泡沫人造革做的，它很柔软，回弹性好，而且成本大大低于弹簧。聚氨酯泡沫塑料可以做成软质、半硬质和硬质的，这主要由反应后生成的聚氨酯大分子的结构来决定的。例如，反应后生成线状结构的大分子，大分子之间无交联，没有或很少有支链，这就是一种弹性的聚氨酯软泡沫塑料。如果原料中有含三个或三个以上活性基团的单位，反应后就得到网状结构的聚氨酯，大分子间交联点较密，就成了聚氨酯硬泡沫塑料。如果交联程度在硬泡沫塑料和软泡沫塑料之间，就是半硬质聚氨酯泡沫塑料。聚氨酯硬质泡沫塑料的特点是强度好、刚性高、抗压、抗湿、绝热、电绝缘性能优良，并能透过雷达射线，适宜做雷达罩，以及船舶、车辆、冷藏库的隔热材料。它也可用做各种包装材料，具有抗震、耐压、耐碰撞的作用。聚苯乙烯泡沫塑料的产量仅次于聚氨酯泡沫塑料。聚苯乙烯本身是一种性质脆的塑料，在室温下很硬，但是经过发泡以后，聚苯乙烯泡沫塑料改变了原来的性质，变得既轻又柔软，还具有良好的刚性和抗压性，是造船、建筑和冷藏工业中理想的隔热材料。又因为它防水、防潮，抗震性能好，又可按各种被包装的物品的外形制成才各种形状的泡沫块。因此，聚苯乙烯泡沫塑料大量用做家用电器（电视机、录像机、电冰箱、收录机、洗衣机）、仪器仪表、各种易碎物品的包装材料。聚苯乙烯泡沫塑料还可用于金属铸造，以代替木模法。木模法是将木模埋在砂中造型，为了造型以后将木模取出，砂箱必须做成上下两只，为了从砂中将木模拔出，砂型中还必须留有拔模斜度，因此工艺较复杂。如果使用聚苯乙烯泡沫塑料代替木模，则可以不从砂箱中取出，将与铸件形状一样的聚苯乙烯泡沫塑料埋入砂箱中，再把铁水浇铸到砂箱中，铁水的高温可将聚苯乙烯泡沫塑料分解得无影无踪，于是，铁水就会充满聚苯乙烯泡沫塑料留下的空位，冷却后就成为铸件，使铸造工艺简化。如果将可发性的聚苯乙烯珠粒放入挤出机进行挤出吹塑，可以制造各种色彩鲜艳的聚苯乙烯泡沫纸，适合于做工艺品，以及橱窗或展览会用的装饰图案纸。泡沫塑料的比重小，又是疏水的，闭孔型的泡沫塑料有很大的浮力，可做浮标、浮筒、游泳圈、救生圈、救生筏。如果在作战时，还可以用泡沫塑料搭建浮桥，让军队迅速通过。有一种可以在水下发泡的聚氨酯泡沫塑料，它在被打捞的海底沉船内部发泡后，产生的泡沫和泡沫塑料足以将沉船托起，浮出水面。飞机制造业中需要用泡沫塑料做座椅和保温隔层。如果用尼龙－泡沫塑料的复合材料做飞机油箱的衬里，即使飞机的油箱被子弹击穿，这种复合材料也会自动闭孔而不使航空汽油漏出来。中空微球塑料的微球是一种空心的玻璃珠，直径为20～250微米，壁厚2～3微米，比重0.26～0.5，这种塑料具有耐腐蚀、绝热、隔音、不会燃烧等特点，可用做潜水艇的外壳，承受海底的高压。在地下工程和矿井中，泡沫塑料还被用来消除水灾和火灾。有一种可供现场喷射的聚氨酯泡沫塑料，它发泡后产生的泡沫可以迅速地将坑坑道封闭、隔绝空气、堵塞水流，用于灭火和消除水患。泡沫塑料的一大特性是隔热性能良好。过去，军用水壶都是用金属铝制造的，铝的导热性能良好，如果在温度很低的地区，铝质军用水壶中的水就会结冰。现在，有一种塑料水壶，是一种两层塑料中间夹一层泡沫塑料的保暖水壶，塑料的传热性能本来就很差，泡沫塑料尤其能隔热，所以在这种水壶中灌进热水，即使气温低到－30℃，经过几小时后，水壶中的水非但不会结冰，而且还可能是一壶温水呢。在尖端技术中，经常需要能耐低温和超低温的材料。例如气体的液化、贮存、输送技术，火箭中用液氧和液氢做燃料，以及超导技术、超低温医学和生物学都需要泡沫塑料做耐超低温的隔热材料。泡沫塑料在建筑材料工业上的应用也是很引人注目的。木材是一种重要的建筑材料，几千年来，盖房子都离不开木材，但是这种自然资源毕竟有限，而且森林还起着调节气候、净化空气、防风固沙、保持水土的作用，不应该过度采伐。化学家开始想到用塑料代替木材。这种产品是低发泡泡沫塑料。聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、低压聚乙烯、聚酯都可制成低发泡塑料，它的外观可与木材相似，比重也相近，也可以和木材一样，进行锯、刨、钉等加工工艺，或用胶粘剂粘接，做成制品以后也可以涂漆。弹性模量是结构材料的主要性能指标之一，木材具有较高的弹性模量，因此可做结构材料。低发泡塑料的比重虽然接近木材，但弹性模量不如木材高，为此，可以用玻璃纤维或石墨纤维对低发泡塑料进行增强，制成纤维增强低发泡塑料，使它的弹性模量提高，成为强度高的材料。低发泡塑料除了可以代替木材用做建筑材料外，还可以制造家具，做各种车辆和船舶的内装修材料、隔热材料，以及钟表外壳、仪表外壳等等。采用大型注射成型机有可能一次注射成各种家具、厨房用具，不需要像木制家具在加工时经过锯、刨、粘接等多道工序。合成木材与天然木材相比，还有许多其他优点，如表面光洁、吸水率低、不易变形、不怕虫蛀、容易成型，纤维增强的低发泡塑料的强度甚至可以超过天然木材。泡沫塑料在建筑物的保暖和防寒方面可以发挥很大作用。由于泡沫塑料里面有很多气体和微孔，使它具有优良的隔热、隔间性能。除了广泛用于建造冷库之外，在一般建筑物中，也可以将聚苯乙烯泡沫塑料或其他泡沫塑料的砌块用胶粘剂一块一块地粘接起来作为墙体，这样不但保暖性好，而且施工速度快。另外，建筑物中的泡沫塑料复合墙板、泡沫塑料复合墙纸也起到防寒保暖作用。三、玻璃工业中的异乡人――有机玻璃话说玻璃说起玻璃，它具有相当悠久的历史。古埃及人很早就掌握了制造玻璃的技术，人们曾经从公元前1000多年的埃及墓葬中发现过玻璃器皿。罗马人则制造出比埃及人更好的玻璃。到了炼金术时期，炼金术士开始用玻璃制作仪器来做化学实验。玻璃仪器透明、耐高温、耐酸和耐大多数化学药品的腐蚀，容易加工成各种形状，用起来得心应手，比使用其他材料好得多，直到今天，它仍是重要的不可缺少的化学仪器。制玻璃最基本的原料是石英（砂子）、石灰石、碳酸钠或碳酸钾，玻璃内部的基本结构单元是硅氧四面体。虽然，目前的玻璃品种已发展了许多，例如石英玻璃、泡沫玻璃、变色玻璃、吸热玻璃、光学玻璃、微晶玻璃、易熔玻璃、导电玻璃、仪器玻璃等，但它们都是无机化合物，尽管都具有自己独特的优点，但是，却存在着一个共同的缺点――一摔就破。玻璃世界的异乡人有机玻璃就是在这样的条件下闯进来的，它是高分子透明材料。顾名思义，有机玻璃和无机玻璃属于不同类的化合物，是一类有机高分子化合物。高分子透明材料的特点是透光度高，相