理论教育 应用化学|高分子材料:尼龙的发明及特性

应用化学|高分子材料:尼龙的发明及特性

时间:2023-10-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:为她们发明这种名叫“尼龙”的高分子化合物的,是一位名叫华莱士·卡罗瑟斯的科学家和他领导的一个科研小组。上述故事中提到的尼龙丝袜就是一种人造高分子聚合物,它是以高分子化合物(树脂)为基体,再配以其他添加剂(助剂)所构成的材料。高分子材料包括天然高分子材料、改性高分子材料,以及合成高分子材料等。例如,聚氯乙烯链节相对分子质量为625,聚合度为800~2 400,则其相对分子质量为5×104~1.5×105。

应用化学|高分子材料:尼龙的发明及特性

“由6位不愿意透露姓名的制造商采用某公司新型纱线生产的尼龙袜今天首次上市销售,受到妇女们的热烈欢迎。当天的大部分时间里,柜台前始终排着3列长长的顾客,人群中既有很多男人,又有很多来自外地的人。”《纽约时报》1939年10月25日用大量篇幅来报道一种新产品的上市。20世纪40年代,全世界的妇女把拥有一双尼龙丝袜当成她们最重要的梦想之一。这种用“煤炭、空气和水”制造出的丝线织成的丝袜弹性十足,不易起皱褶且结实耐用,它让女性小腿显得修长而光洁。为她们发明这种名叫“尼龙”的高分子化合物的,是一位名叫华莱士·卡罗瑟斯的科学家和他领导的一个科研小组。另外尼龙的出现,也改写了纺织业的历史,即羊毛、棉花和蚕丝在人类6 000多年的文明史中一直扮演着的角色被尼龙等合成纤维所代替。

上述故事中提到的尼龙丝袜就是一种人造高分子聚合物,它是以高分子化合物(树脂)为基体,再配以其他添加剂(助剂)所构成的材料。高分子材料包括天然高分子材料、改性高分子材料,以及合成高分子材料等。

高分子材料的发展大致经历了三个时期,即天然高分子的利用和加工,天然高分子的改性和合成,高分子的工业化生产。天然存在的高分子很多,例如,动物体内的蛋白质、毛、革,胶.植物细胞壁的纤维素、淀粉,橡胶植物分泌的橡胶,某些昆虫分泌的虫胶等,都是高分子化合物。人类很早以前就开始利用天然的高分子材料了,如纤维、皮革和橡胶。我国古代蚕丝业就非常发达,汉朝时期的丝绸就远销国外;造纸术更是作为我国的古代四大发明之一,极大地推动了文明的进步。至于人类将皮革、毛裘作为衣服的历史就更加悠久。

20世纪60年代大量高分子工程材料问世并获得了快速的发展,如反式1,4-聚异戊二烯、聚苯醚、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚1-丁烯、纤维、异戊橡胶、乙丙橡胶等。而伴随着人类探索太空的热潮的兴起,航空航天技术极大地促进了耐高温和高强度合成材料的蓬勃发展,形成了新型高分子材料的大发展时期。20世纪70年代以来,高分子工程科学取得了很大的发展,新型高效催化剂的研制成功并应用于生产中,不仅使产业化生产高分子材料成为现实,同时也使得高分子共混理论得到发展。尤其是20世纪80年代之后,由于化学合成方法的改进,使得医用高分子材料和功能高分子的制备成为现实,更是极大地推动了高分子材料科学的发展。

当今,高分子学科体系已经比较完备,形成了以高分子化学、高分子物理、高分子工程为主体的多领域相互交融、相互促进的整体学科体系。高分子化学主要研究高分子化合物的分子设计、合成、改性等内容,以获得新的化合物、新材料,其研究主要内容包括:聚合反应和聚合方法、功能高分子与特殊性能高分子、天然高分子以及其他高分子化学反应等。高分子物理的研究内容是各种高分子结构及其聚集态结构,高分子及其聚集态的性能、表征方法、结构与性能、结构与外场力影响之间的相互关系。高分子工程主要研究高分子化合物生产合成方法,聚合物反应工程,高分子成型工艺,聚合物作为塑料的成型理论和成型方法等。(www.daowen.com)

高分子化合物常简称高分子(Polymer),它是由许多相同的、简单的结构单元通过共价键连接而成的链状或网状分子,相对分子质量巨大,往往高达104~106,因此高分子又可称为聚合物——高聚物。例如,聚乙烯是由许多乙烯分子结构单元重复连接而成的,其结构式为:

聚乙烯是由小分子单体乙烯通过聚合反应得到的高聚物,括号内的—CH2—CH2—是聚乙烯的结构单元,也是其结构重复单元,形成结构单元的小分子——乙烯被称为单体。一条高分子链所含有的重复单元的数目称为聚合度(DP),也就是n值,它是衡量相对分子质量大小的一个指标,聚合物的相对分子质量(M)是链节相对分子质量(M0)与聚合度(n)的乘积。

例如,聚氯乙烯链节相对分子质量为625,聚合度为800~2 400,则其相对分子质量为5×104~1.5×105

需要指出的是,绝大多数的聚合物是由不同链长的大分子链组成的,也就是说,同一种聚合物是由一组具有不同聚合度以及机构形态的同系物构成的混合物,该类物质的相对分子质量或聚合度的不同决定了其高分子结构的不同,导致它们的加工方式、产品性质也不尽相同。而高分子化合物的形态结构称为聚集态结构,可以分为无定形态、半结晶态或晶态。

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