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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 高分子化合物(3)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:24:50 2000), 转信




    塑  料
    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。
    大家知道，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。
    离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。

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