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划时代的材料——高分子化合物

来源:未知作者:安勃 点击:所属专题: 高分子材料
乍一听“高分子”一词,许多人一定会感到陌生、遥远。其实,高分子就在我们每一个人的身边。人们的衣食住行都离不开高分子,甚至人们自身的肌体也是由大量的高分子组成的。 也许,你不太相信。那么,请看你穿的衣服,不外是棉麻、丝毛、尼龙、的确良等纤维构成;吃的食

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乍一听“高分子”一词,许多人一定会感到陌生、遥远。其实,高分子就在我们每一个人的身边。人们的衣食住行都离不开高分子,甚至人们自身的肌体也是由大量的高分子组成的。

许,你不太相信。那么,请看你穿的衣服,不外是棉麻、丝毛、尼龙、的确良等纤维构成;吃的食物,如米、面、豆、肉、蛋中都含有大量淀粉、蛋白质;建房子用的木料,屋内摆设的木质家具是植物纤维构成;而有些灯具等是塑料制品;交通工具使用的轮胎、穿的球鞋、雨衣是橡胶制品……,而所有这些都是高分子物质。足可见高分子物质在我们日常生活中的重要地位。

虽然高分子物质的应用如此广泛,但人工合成高分子化合物,还是20世纪的事。 历史表明,新型材料的每一次出现都促进了人类文明的巨大飞跃。如从石器时代到青铜时代再到铁器时代,都是以新型材料的出现和使用为标志的。在科学技术突飞猛进的当代,人工合成纤维、合成橡胶和塑料等种种新型材料的问世,对人们的社会生产和日常生活产生了更加重大而深远的影响。

什么是高分子

从古希腊开始,人们就对物质的本性探求不止。把水分一半仍是水,把木棍切一半仍是木棍,那么,如果这样分割下去,有无止境呢?把水分割无论多少次得到的还会是水吗?

希腊博学的哲学家德谟克利特给出了否定的结论。他认为,物质是由大量的不可再分割的微小粒子聚集而成的。这些微小粒子就是原子。原子一词在希腊文里就是不可再分的意思。原子是实心的球体,但原子和原子之间有相当大的空隙。这种学说被称为原子论。现代科技告诉我们,原子不是不可再分的。但是原子是保持物质化学性质的最小微粒。同种或不同种的原子组成的分子则是保持物质的物理性质,即颜色、形状、气味等性质的最小微粒。人们现在发现的原子数目只有百余种,但组成的分子化合物却是五彩缤纷、难以计数的。

每个原子有固定的原子量。分子的分子量是组成分子的所有原子的原子量总和。 那么什么是高分子化合物呢?高分子化合物就是那些分子量特别大的物质。常见的化合物一般由几个或几十个原子组成,分子量也在几十到几百之间。如水分子的分子量为18、二氧化硫的分子量是44。高分子则不同,它的分子量至少要大于 1万。高分子化合物的分子一般由几千、几万甚至几十万个原子组成,它的分子量也就是几万、几十万、甚至以亿来计算。高分子的“高”就是指它的分子量高。

这么多的原子是怎样聚合在一起的呢?高分子物质有个共同的结构特性,即都是由简单的结构单元以重复的方式连接而成的。这种结构单元被称为链节。一个高分子中链节的数目被称为聚合度。链节间连接的方式不同,所形成的高分子化合物也不同,其性质会有很大差别。如线型高分子是由许多链节组成的长链,其连接方式就像许多铁圈一个接一个地套起来形成一条长形链一样。在这种结构中,不仅有分子中的化学键力的作用,还由于长链很长,分子间接触点很多。因此,分子间的范德华力也起明显的作用。这正是高分子化合物有其特殊性能的原因。一般的小分子化合物,如我们吃的食盐、庶糖等,几乎没有强度。但高分子化合物具有相当大的机械强度,有些甚至超过钢铁的强度。生活中常常会见到这样的事情:一根很细的尼龙鱼线能吊起几斤重的大鱼,而手指般粗细的尼龙绳可以吊起满载货物的大卡车。

此外,还有支链型高分子和网形高分子。线型高分子的分子链上长出了许多枝杈就形成支链型高分子。塑料就是这种类型的高分子。其特点是在受热时能变软,没有确定的熔点,易于塑造成各种形状,冷却后又可变为固定形状,再加热还能熔化。这种性质叫热塑性。

在线型高分子链上,有些能起反应的基因跟别的单体或物质起化学反应后,分子链间的化学链会把他们联接起来,形成的结构像渔网,被称为网状高分子;又因其结构不只是一张网,网与网之间又相互交联,形成立体结构,所以又叫立体型高分子。这种高分子性质奇特,它不溶于溶剂,而且一经热加工或成型后,再受热不能再熔化。硫化橡胶就属于这一类高分子。

高分子化合物都具有很好的电绝缘性。这是因为其化学键为共价键,不能发生电离,没有传递电子的能力。而且,热和声也不易引起高分子的振动。因此,可用作隔热保温或隔音材料。宇宙飞船的外层就涂有一层高分子物质。飞船在回到大气层时,虽然其表面温度可达 5千多度,这远远超过了任何物质的熔点,但由于高分子传热性极差,这也只能使外层高分子物质燃烧脱落。飞船本体没有受到高温的威胁,因而能安全返回地面。

高分子的独特而优良的性能,决定了它在工业生产和人民生活中的巨大作用。下面将具体讨论几种类型的高分子化合物,说明其结构特性和应用价值。

人造橡胶

哥伦布在发现新大陆的航行中发现,南美洲土著人玩的一种球是用硬化了的植物汁液做成的。哥伦布和后来的探险家们无不对这种有弹性的球惊讶不已。一些样品被视为珍品带回欧洲。后来人们发现这种弹性球能够擦掉铅笔的痕迹,因此给它起了一个普通的名字“擦子”。这仍是现在这种物质的英文名字。这种物质就是橡胶。

1823年,一个叫麦金托什的苏格兰人在两层布之间夹上一层橡胶,做成长袍以供雨天使用。他还为此申请了专利。现在仍然有人以他的名字称呼雨衣。

这种雨衣毛病太多。天热的时候它变得像胶一样粘;天冷的时候它又像皮革一样硬。因此,如何处理天然橡胶,使它去掉上述缺点,就引起了大家的兴趣。对化学几乎一无所知的美国人古德伊尔,全身心地投入到此项研究中。一次次的失败并没有使他泄气。终于在1839年的某一天,在实验中,有些橡胶和硫磺的混合物无意中撒落在火热的炉子上。他赶忙将这种混合物从炉子上刮下来。结果惊奇地发现,这种混合物虽然仍很热,却很干燥。他又将混合物再加热和冷却,发现它既不因加热而变粘,也不会遇冷而变硬,倒是始终柔软而富有弹性。魔术般的实验使他发明了硫化橡胶。

那么,为什么橡胶会有弹性呢?让我们分析一下橡胶的分子结构。天然橡胶分子的链节单体为异戊二烯。我们知道高分子中链与链之间的分子间力决定了其物理性质。在橡胶中,分子间的作用力很弱,这是因为链节异戊二烯不易于再与其他链节相互作用。好比两个朋友想握手,但每个人手上都拿着很多东西,因此握手就很困难了。校胶分子之间的作用力状况决定了橡胶的柔软性。橡胶的分子比较易于转动,也拥有充裕的运动空间,分子的排列呈现出一种不规则的随意的自然状态。在受到弯曲、拉长等外界影响时,分子被迫显出一定的规则性。当外界强制作用消除时,橡胶分子就又回原来的不规则状态了。这就是橡胶有弹性的原因。

由于分子间作用力弱,分子可以自由转动,分子链间缺乏足够的联结力,因此, 分子之间会发生相互滑动,弹性也就表现不出来了。这种滑动会因分子间相互缠绕而减弱。可是,分子间的缠绕是不稳定的,随着温度的升高或时间的推移缠绕会逐渐松开,因此有必要使分子链间建立较强固的联接。这就是古德伊尔发明的硫化方法。硫化过程一般在摄氏140——150度的温度下进行。当时古德伊尔的小火炉正好起了加热的作用。硫化的主要作用,简单地说,就是在分子链与分子链之间形成交联,从而使分子链间作用力量增强。

橡胶用作车轮的历史不过一百余年,但人类对于橡胶的需要却日益增长。1845年汤姆森发明了充气橡胶管套在车子上,并以此获得了专利。以前的车子都是木轮的,或在外部加金属轮箍,但人们发现柔软的橡胶比木头和金属更加耐磨,而且减震性好,使人们乘坐车时感到很舒适。1890年轮胎用于自行车,1895年汽车也装上了轮胎。如此广泛的应用使天然橡胶供不应求,整个军需品生产受到很大威胁。

面对橡胶生产的严峻形势,各国竞相研制合成橡胶。德国首先从异戊二烯中合成了橡胶。当时的德皇威廉二世还用该橡胶制成了轮胎装在皇家汽车上,以此炫耀德国在科技上的成就。这种合成方法有明显缺点:一是由于异戊二烯本身需从天然橡胶中提取,自身很难合成。二是由于聚合时没有规律,制成的橡胶用不了多久就会变粘。看来它也只能用于国事活动的皇家汽车了。只要加入合适的催化剂如稀土元素,就可以制成甚至比天然橡胶还好的“稀土异戊橡胶”。

一战时期的德国,在天然橡胶供应被切断后,曾制成一种叫甲基橡胶的合成橡胶,但质量低劣,战后便被淘汰了。二战后,各种合成橡胶应运而生。如合成了用钠作催化剂聚合丁二烯制得的丁钠橡胶、用丁二烯和苯乙烯聚合制得的丁苯橡胶、用氯丁二烯聚合制得的氯丁橡胶等等。

二次大战中,日本攻占了橡胶产量最大的马来西亚(虽然马来半岛并非橡胶的原产地,但从巴西运来的种子在马来生长茂盛,而在它的原产地产量却逐年下降),对美国的橡胶工业构成严重威胁。可是美国早有准备,在战后大力研究合成橡胶。1955年利用齐格勒在聚合乙烯时使用的催化剂(也称齐格勒——纳塔催化剂)聚合异戊二烯。首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。不久用乙烯、丙烯这两种最简单的单体制造的乙丙橡胶也获成功。此外还出现了各种具有特殊性能的橡胶。至此,合成橡胶的舞台上已经变得丰富多彩了。

合成橡胶的关键是聚合反应。如何将一个个单体聚合成像胶分子呢?其中的奥秘是游离基。什么是游离基呢?例如:乙烷分子(CH6)是稳定的。但在某些条件下,如受热、光或某些化学剂作用时,乙烷分子一分为二:生成的两个甲基( CH3)都带有一个不成对的电子(也称孤电子)。带有孤电子的原子团就称为游离基,常用 R表示。游离基性质十分活泼,极易跟别的游离基或者另外的化合物起反应。只要有一个游离基出现,便会跟周围物质立刻发生聚合反应。通过加热不稳定的化合物如过氧化氢(HO)、过硫酸钾等可以获得游离基。聚合反应一般可分为三步。第一步是链引发。先由划时代的材料——高分子化合物过氧化物产生游离基R,然后R使被合成单体的共价键打开,形成活性单体。第二步是链增长。活性单体通过反复地、迅速地与原单体加合,使游离基的碳链迅速增长。第三步是链终止,即在一定的条件下,当碳链聚合到一定程度时,游离基的孤电子变为成对电子。这时游离基特性消失,链就不能再增长了。

注意,上述过程虽有 3个步骤,但除了引发游离基较慢之外,后两步都是在一瞬间完成的。可以说游离基一旦形成,成百成千成万个单位的双键立刻打开,相继连接成很多个大分子。因此这也称为连锁反应。

人工合成的橡胶在许多地方优于天然橡胶,人工仿照自然,从自然中发现规律, 最后超越自然,这正是科学技术的发展规律。

纤维素和合成纤维

淀粉是人们熟悉的东西。你知道它的分子式吗?它是一种高分子化合物。纤维素和淀粉的分子式是一样的,性质可就大不相同了。植物的枝干主要是由纤维素组成的,它们只能用来烧火,人是吃不下去的。这是什么原因呢?我们知道,淀粉和纤维素的分子都是由许多萄葡糖单位联接而成的,但联接方式都不同。葡萄糖分子可以正着看(以u表示),也可以倒着看(以n表示),淀粉分子可以由葡萄糖分子按“……uuuuuu…”的图式缩合而成,而纤维分子则按“…ununun…”的方式缩合而成。这种结构上的差异决定了两者性质上的巨大差异。人类的消化液中含有能使淀粉的“uu”键分解的消化酶,因此能够从淀粉中获得葡萄糖;但同样的酶对纤维素的“un”键却无能为力。实际上没有一种高等生物能够消化纤维素,倒是有些微生物,如寄生在反刍动物和白蚁肠道中的微生物却能做到这一点。也多亏了这些不起眼的助手,使让我们受益非浅的牛能吃草而生存,使让我们狼狈不堪的白蚁能靠啃木头而活命。?纤维素虽不能吃,用途却很大。棉麻纤维素可以用来织布做衣。但它的光泽没有蚕丝织品好。这是因为蚕丝是蛋白质,棉麻是纤维素。影响色泽的主要因素还在其结构形状。蚕丝的形状是圆筒状的,而绵纤维则呈扁平卷曲状。因此用一定的工业方法处理棉纱,就可使它有了丝的光泽。这种方法一般称为丝光处理。经丝光处理过后的棉纱就称为丝光棉。但是这种布料下水洗上几次就变了,光泽也就失去了。

们在偶然之中发现纤维素也可以做炸药。1839年,德国出生的瑞士化学家舍恩拜因在他家的厨房里做实验(他夫人严禁如此,一定是他趁其不在而偷偷地进行的),洒了一瓶硫酸和硝酸的混合物。他立刻抓起夫人的棉布围裙去擦,然后把围裙放在火炉上方烘烤。结果,“轰”地一声,围裙着了起来,片刻之间消失得无影无踪。舍恩拜因意识到发明了一种新的炸药。他给这种炸药取名为“火药棉”。由于火药棉威力巨大,而且爆炸时没有烟,这比以前的有烟火药好得多。于是舍恩拜因开始在各国游说他的火药棉秘方,而战火连绵的欧洲对此也十分感兴趣。结果一批批的工厂建起来,但不久,这些工厂就全被炸光了。火药棉太容易爆炸了,稍微受热或碰撞都能引起灾难性的后果。直到1889年,杜瓦和阿贝尔把火药棉和硝酸甘油混合,再掺入凡士林并压成线绳状,才是无烟火药的真正问世。在火药棉中,将一个硝酸根与葡萄糖中的一个氢氧根(羟根)连接,这是改造纤维素的一种方法。在这种方法中,所有可被取代的羟基全被划时代的材料——高分子化合物硝化了。如果只将其部分羟基硝化会如何呢?是不是就不太容易爆炸了呢?试验结果表明它根本就不会爆炸,却很容易燃烧。这种物质被称为焦木素。焦木素溶于乙醇和划时代的材料——高分子化合物乙醚的混合物,蒸发后得到一种坚韧的透明薄膜,称为胶棉。胶棉也很容易燃烧,但无爆炸性。

在焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物中,帕克斯加入一种樟脑一类的物质,然后蒸发,得到坚硬固状物。其加热后会变得柔软而富有韧性,可以模塑成各种需要的形状,冷却和变硬之后仍保持这种形状,乒乓球和画图用的三角板等都是这样制得的。

可见,纤维素既可以制成棉纱等纤维,也可以做成塑料状的东西,如三角板等。 因此,某种物类能否被称为纤维,并不决定于它是由什么东西构成的,只是决定于它的形态。一般地说,人们把细而长的东西称为纤维。一般纤维的直径纵使眼力再好的人也不可能用尺子测出来。像棉花、羊毛、麻之类的天然纤维的长度约为其直径的 1千倍到3千倍。只要直径之小难以用肉眼测量,而其长度约为直径的1千倍以上的物质,就是我们所认为的纤维。实际上,对蚕丝和化学纤维而言,长度和直径的比值可能延绵到无穷大。

人类很早就开始养蚕取丝了。这项了不起的成就归属于中华民族。有资料证明五千年前中国人就开始养蚕。蚕是蛾的幼虫,只靠桑叶为食,其饲养过程精细而复杂。养蚕对于西方一直是神秘的,直到公元 550年,有人偷偷地将蚕种带到君士坦丁堡,欧洲才开始生产蚕丝。蚕丝织成的布虽然华丽,但价格昂贵,人们一直试图图寻找合适的替代品。1889年,席尔顿用硝酸纤维素制得了第一种人造丝。这种丝同蚕丝相比,虽然光泽相似,但却不如蚕丝纤细、柔韧。蚕丝的主要成份是蛋白质,蛋白质也是一种高分子化合物。

人们不仅利用天然高分子制作对人们有用的新的高分子,而且一直试图运用随处可取的无机材料合成高分子。早在本世纪30年代,美国杜邦化学公司的卡罗瑟斯就开始了这一研究。他希望通过一定的方法,使含氨基和羧基的分子缩合成大环结构分子,以便广泛运用于香料制造业。但事与愿违,最后缩合而成的是一种长链分子。然而,明智的卡罗瑟斯并未忽略这一结果。相反,对此进行了深入研究,终于制成了纤维。最初的纤维质量很不好,强度太差。卡罗瑟斯认为这是由缩合过程中生成的水所引起的。水的存在产生了一个相反作用——水解反应,使聚合不能持续很久。如果缩合在低压下进行,反应生成的水很快就被蒸发,然后被清除掉。1938年,尼龙研制成功,但它的的奠基人却没有看到这一天。卡罗瑟斯于1937年卒于费城。

尼龙的强度很高,直径 1毫米的细丝就可以吊起一百公斤的东西。尼龙耐污、耐腐蚀的性能也很好。因此,尼龙一问世就受到了全世界的瞩目。二战期间美国陆军收购了全部尼龙产品,用以制造降落伞和百余种军事装备。而1940年尼龙长筒女袜刚一投放市场就轰动了世界,4天之内四百万双袜子一抢而空。

尼龙是真正投入大规模生产的第一种合成纤维。至此,人类希望用煤、空气和水来制造纤维高分子的愿望完满地实现了。从那以后,各种新型纤维一个接一个地被创造出来。如烯类纤维中的维纶和维尼纶,还有永久防皱的的绦纶制品等等。在我国尼龙也被称为锦纶,因为这是在锦州化工厂首次工业化生产的。

那么,合成纤维是如何制造的?以尼龙为例,我们可以看到,尼龙的学名是聚酰胺纤维,由己二酸和己胺缩合而成。一般来说,两个或多个有机化合物分子放出水、氨、氯化氢等简单分子而生成较大分子的反应,叫做缩合聚合。尼龙是由几个己二胺和几个己二酸失掉n-1个水分子缩合成聚酰胺纤维,我们称之为尼龙—— 66,其中一个6表示己二胺分子的6个碳原子,另一个6代表己二酸的6个碳原子。

纤维为什么会有这样奇特的性质呢?这取决于它的内部结构。虽然目前对纤维内部结构的研究仍处于猜测阶段,但是可以肯定的是,纤维是由高分子组成的,它的内部结构极其复杂。

人们首先提出了缨状微束结构理论。这一理论认为,由于分子间的强大压力,纤维分子有规则整齐的排列的部分被称为结晶部分(晶区);分子链间其他弯曲的运动比较自由的部分称为非晶部分(非晶区),这部分没有规则排列。从整体上看,晶区湮没于非晶区的海洋中。然而,1957年人们发现聚乙烯分子可以有完全规则的排列,能够形成100%的结晶,使这个理论受到严重挑战。因此,人们又相继提出樱状原纤维结构理论和多相结构理论。

仅依据第一种理论,我们已可以解释纤维的许多特性。制造纤维的一个重要条件是在制造过程中,高分子能够取向并形成结晶。如果不能结晶,就可能成为橡胶或普通塑料之类的东西。在结晶部分中,分子间的相互作用力很大,使得晶块刚硬、难弯曲且强度高。非结晶部分恰好相反。因此,纤维中结晶部分与非结晶部分的比例(称为结晶度)愈高,纤维也就越硬,愈难弯曲。合成纤维中的尼龙的强度比天然纤维中的棉纱高,原因就在于其结晶度较高。合成纤维的结晶度,也极大影响其共吸湿性。人们知道,羊毛的保暖性很好,其原因在于羊毛纤维卷曲而蓬松,能容纳大量空气。同时,羊毛纤维易于吸水,它在吸附水分时能产生所谓吸附热。因此,突然从室内走到寒冷的户外,羊毛纤维在吸附水分的同时放出热量,使人不觉寒冷。而腈纶纤维由于结晶度高,水分子不易进入结晶内部,因而吸湿性很差,它的导热性也极差,但有较好的保暖性。

然而,合成纤维制品也有许多不尽人意之处。例如,尼龙衣服穿在身上不能吸收皮肤蒸发出来的水分,会使人觉得很不舒服。可见,合成纤维的性能有待于进一步提高。

也许是因为塑料制品在日常生活中太普遍了,大家对塑料一词熟悉得不能再熟悉了。从字面上理解,塑料指所有可以塑造的材料。但我们所说的塑料,单指人造塑料,也就是用人工方法合成的高分子物质。其实,正是因为有了这种物质,才有了塑料一词。

家知道,在纤维素中的部分羟根(氢氧根)被硝化后会得到焦木素。焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物,再加入樟脑等蒸发后会得到一种物质,它受热后变软,冷却后变硬,这种物质被称为“赛璐璐”。它就是于1865年问世的首批人造塑料。

使塑料从化学实验室中的珍品一跃而成为公众关注的对象,是塑料被引入台球室这一戏剧性事件引发的。以前的台球是用象牙做的,象牙只能来源于死了的大象,数量自然非常有限。19世纪60年代初,有人悬赏 1万美元征求台球的最好代用品。1869年,美国的海厄特利用“赛璐璐”制出了廉价台球,从而赢得了这笔奖金。从此,赛璐璐被用来制造各种物品,从儿童玩具到衬衫领子中都有赛璐璐。它还用来做胶状银化合物的片基,这就是第一张实用照相底片。但是由于赛璐璐中含硝酸根,极易着火,而引起火灾。

赛璐璐是由纤维素制成的。因此,它仍然属于高分子化合物。到1909年,人们已能用小分子合成塑料。美国的贝克兰把苯酚和甲醛放在一起加热得到的酚醛树脂,被称为贝克兰塑料。酚醛树脂也是通过缩合反应制备的。其制备过程共分两步:第一步先做成线型聚合度较低的化合物;第二步用高温处理,转变为体型聚合度很高的高分子化合物。第一步得到的物质研磨成粉,再和其它物质如陶土混合加热,熔融后凝固的高分子物质很稳定,再加热的时候不再变软。当然,对塑料加热可以使其损坏。

到了20世纪30年代,人们发现乙烯在高温高压下能形成很长的链。这是因为乙烯中两个碳原子间的双键在高温下有一个键会打开并与相邻分子连接,这样多次重复,就形成了聚乙烯。聚乙烯是一种石腊状物质,像石腊一样,呈暗白色,有滑腻感,对电绝缘而且防水,但比石腊更坚固柔软。遗憾的是,用高温高压方法制造的聚乙烯有一重大缺陷,它的熔点太低,大约等同水的沸点。只要接近熔点温度,它便开始变软而无法工作。其原因是碳链上含有分支,不能形成结晶点阵。

1953年,德国化学家齐格勒发现用烷基铝和四氯化钛作催化剂,可以生成无支链的聚乙烯。而且这一过程可以在室温和常压下进行。齐格勒的工作引起了纳塔的极大兴趣。纳塔在丙烯的聚合反应中用于类似的催化剂,也取得了极大的成功。他们发现,在这种催化剂(后来称为齐格勒——纳塔催化剂)的作用下,乙烯(或丙烯)能够按一定的方向聚合,而改变某些条件时,又可聚合成其它结构不同的物质。

从前,聚合物链的形成是听其自然的,化学家们无法左右最终产物的结构。现在,运用齐格勒——纳塔催化剂,完全可以按照需要者的要求来设计大分子的结构。由于这项了不起的贡献,齐格勒和纳塔获得了1963年的诺贝尔化学奖。

塑料的种类很多。除了酚醛树脂和聚乙烯外,还有聚氯乙烯、聚苯乙烯等。我们常见的划时代的材料——高分子化合物有机玻璃,其实也是塑料的一种。它的透明度比普通玻璃还高,有韧性,不易破碎,枪弹打上去也只能穿一个洞。因此,它是制作飞机舷窗的绝好材料。

塑料有许多众所周知的特性。第一,它比较轻。这是相对于金属和有机玻璃而言的。它轻的原因不是因为它是高分子化合物,而是因为它们是有机化合物,即由碳、氢、氧、氮等较轻的元素组成的。第二,塑料不会腐烂也不会生锈。原因也很简单。腐烂是仅见于有机物的现象。腐烂需要水,而塑料根本不吸水;腐烂需要微生物的帮助,而现在还没有发现哪一种微生物是要吃塑料的。同时,既然水不能浸润塑料,塑料上便不会有电流通过发生反应;空气中的氧也很难与塑料发生反应。因此,生锈也是不可能的。但是,这一性质也给人类带来一个严重的问题:由于塑料不易腐烂,大量的塑料废弃无法被自然界吸收、分解,从而造成一定程度的环境污染。可见,如果能造出在一定条件下易于腐烂的塑料,将是有益而有价值的。

日常见到的塑料制品都是很漂亮的。原因在于它们的透明、鲜艳的颜色和表面极好的手感。由于塑料表面光滑,没有漫反射,内部结构上也没有很大的不均匀,从而光线折射率几乎没有差异,几乎全部透过塑料,表现出塑料的透明性。当然聚苯乙烯是不透明的,因为在聚苯乙烯中存在着很多的小空隙,正如含有很多小气泡的冰是混浊的一样。塑料能够染上特别的颜色也得益于它的透明。总之,塑料美观的原因与玻璃大致相同,只是由于没有玻璃硬,塑料在使用的过程中由于擦伤,表面会逐渐变得模糊起来。

塑料不导电,可以用作绝缘材料。也因为它不导电,它积贮的电荷却能吸附灰尘,所以有时也很惹人讨厌。塑料不仅具有上述特性,而且由于它是一种高分子化合物,因而还有一些特殊的性质,如可加工性和高强度。

塑料之所以得名,就在于它的易加工性。在塑料中,既有类似橡胶的弹性体成份,也有对分子间力起主要作用的粘性体成份。正是由于同时具有这两种成份,塑料才具有可塑性,即在加热或加压后变形,在降温或压力消失后维持原形不变。

塑料有不同的强度。一般来说,塑料的分子量越高,其变形就愈困难。也就是说它的强度越高。这是因为决定高分子物质强度的主要是分子间力。分子链越长,分子间作用点越多,链与链之间就易发生滑动或断裂,这种物质就不易被拉断。

由于具有如此众多的优良性能,因而塑料这一新型材料的发展十分迅速。特别是石油化学工业的发展,为塑料生产开辟了更广阔的原料来源,其发展速度更快了。从1947年到1967年的20年间,美国的塑料产量从60多万吨增至 600多万吨。目前,其产量已远远超过有色金属,几乎和钢铁产量持平。钢铁生产已有两千多年的历史,而塑料问世不过百余年,足可见塑料工业发展速度之惊人。

高分子家族的后来者——功能高分子

现在的高分子工业发展更为广阔。功能高分子的巨大应用充分展示了这一点。功能高分子在高分子的主链或支链上加上一种具有某些特殊性质的基因,使它能在光、电、磁、催化和耐高低温、抗氧化等性能方面有特殊性质。常见的功能高分子有离子交换树脂、医用高分子材料、高分子医药和分子催化剂等。

离子交换树脂的重要用途之一是提纯物质。水是人类生活和生产上十分重要的物质。但自然界的水中含有多种无机盐、酸和碱等。如井水及河水内含有钙、镁等酸式碳酸盐、硫酸盐等。含有这些盐的水叫做划时代的材料——高分子化合物硬水。海水中含有大量食盐。锅炉若用天然水,由于水在变成蒸汽的过程中,水中溶解的盐越积越多,沉积在锅炉内壁形成水垢。水垢传热性很差,不仅浪费燃料,还会引起锅炉爆炸。去掉水中盐分的一般方法是在水中加药剂,或把水加热蒸留来除去钙、镁杂质。这些方法或者容易引起产生另外的杂质,或者太费燃料。总之,不让人满意。现在改用离子交换树脂处理工业用水,效果就好得多。

子交换树脂由两部分组成,一部分是树脂构成的骨架,另一部分是和骨架相联的活性交换基团。骨架是网状高分子结构,因此不溶于任何溶剂。活性交换基团是使离子交换树脂具有特性的关键部分。在处理的过程中,水中的金属阳离子被阳离子交换树脂留下,阴离子被阴离子交换树脂留下,剩余的 H+和OH-离子中和掉后,水呈中性,这样就得到了纯水,有时称为去离子水或高纯水。

离子交换技术还可以用于海水淡化,并且应用于医学研究领域。如果人体内胃酸过多,就会引起胃炎、胃溃疡和十二脂溃疡等疾病。若在食物中加些离子交换树脂,胃酸就可以减少。在1955年以前人们还无法贮存一定的备用血液以供急需,因为血液里含有微量钙盐,离开人体后很快就会凝固。用离子交换树脂处理过的血液清除了钙盐,从而可以长期保存。

由于各种因素的影响,人体内部器官常会发生病变而机能衰退,甚至损坏。近年来,人们先后研制成功一些合成高分子材料,用来修复或替代某些器官,起到很好的效果。这一类高分子称为医用功能高分子。

医用功能高分子必须具有与所修复或代替的人体器官相应的功能。如作为人工肾脏的材料,要求所用的高分子膜对物质有选择透过性;人工肺用膜要求对氧气和二氧化碳有很好的透过性,而用来做人工神经的材料,就必须有导电性。还有其他总的要求,如不能被人体内酸、碱、酶所腐蚀,也不会在体内导致任何炎症等。

这方面的成就令人眼花缭乱。人工肺、人工血管、人工肾、人工肝脏,甚至人工心脏起搏器都可以安放在人体内或人体外,用来代替脏器组织的功能。从天灵盖到脚趾骨,从内脏到皮肤,从血液到五官都已有了人工代用品。虽然有的并不完善,但随着科学技术的进一步发展,一定会有更多更好的医用功能高分子问世。

现在的药物不论是天然的还是人工合成的,几乎都是小分子化合物。如今,科研人员从药物的“分子设计”出发,已经合成了具有药效的高分子化合物。这些药物毒性小,疗效较高,进入体内能有效地到达患病部位,释放药物缓慢,具有长期疗效。

目前合成的高分子药物有两种类型。一类以高分子作载体,将小分子药物通过化学键接到高分子链上去。如青霉素与阴离子交换树脂的接合,可以克服原药的药效过于快和易引起过敏反应的缺点。另一类高分子本身就有药物作用。这类高分子现正用于抗癌治疗。一旦此举成功,对人类将是莫大的福音。功能高分子的性能是奇特的,它必将在人们的生活中发挥越来越大的作用。

人体细胞中的脱氧核糖核酸,即DNA又是什么呢?它是一种高分子,是由脱氧核糖分子联接而成的双链结构。现代生物学已经找到某些方法来控制和改变某些生物体中DNA 的合成。也许在将来的某一天,人类将会成功地造成各种各样的“人”。但这也许不是件值得庆贺的事,它带来的灾祸可能会远远大于其科学价值。

高分子化学这一学科,目前正处在蓬勃发展之中。相信在未来的岁月里,人类会从其中得到更大的收益。目前,高分子化学所展示的辉煌成就,相比于以后的巨大成果,也许只是沧海一粟。它召唤更多的有志者投身于这一伟大的事业中去。
(责任编辑:化学自习室)
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