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第21章 现代生活中的高分子材料(2)

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“不粘锅”,不用放油就可以煎鸡蛋和摊煎饼,它是20世纪70年代末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。

.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,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氯酯泡沫塑料;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。

.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,1千克碳纤维复合材料可以代替3千克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22.5米的飞艇,其质量比铝合金舰艇轻3吨,时速达120千米/小时。

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,降低了每公里的耗油量,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136千克,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。

.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3克左右,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发展的贡献也功不可没,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黏合剂。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5~20千克的各种胶粘剂。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氯酯胶。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、硅橡胶和聚氯酯为结构的胶粘剂,其粘接强度达7兆帕以上。

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,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。

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