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、薄膜和胶黏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3g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倍的效率分离铀—235和铀—238。
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。在三次开采中要用到相对分子质量高、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。(https://www.daowen.com)
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,已为黏接逐步取代。与这些传统的方法相比,胶黏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,利用高分子胶黏剂的黏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,在飞机中使用黏接技术可省去近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5~20kg的各种胶黏剂。现代建筑讲究舒适堂皇,也得益于各种胶黏剂。人造大理石、塑料天棚、塑料壁纸、塑料地板、室内吊灯、壁灯、衣挂等离开胶黏剂就无法固定。没有胶黏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黏贴饰面材料提供了方便。花岗岩粉和环氧胶黏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,所使用的黏接胶多达十几种。而在旅游鞋中则广泛使用氯丁胶和聚氨酯胶。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黏合衬已广泛应用于服装的领衬、胸衬、袖口衬等多个部位,没有这些高分子黏合衬,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,则可以黏接木材、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、一架飞机不用胶黏剂。这些胶黏剂既要求黏接强度高、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、硅橡胶和聚氨酯为结构的胶黏剂,其黏接强度达7MPa以上。
在医疗领域里,使用胶黏剂黏接皮肤、血管、人工角膜、牙齿、人工关节等。虽然医用胶黏剂的使用条件苛刻,但已研究成功可以替代手术缝线的胶黏剂(α-氰基丙烯酸酯),其黏接强度与缝合法相近,可以黏接组合,而且伤愈后不留下缝线疤痕。