在汽车工业,人们早就希望用蓄电池做动力来代替内燃机,但在此之前蓄电池车都因为太笨重和性能不可靠而无法推广,而塑料电池形状灵活,可以制成薄板装在汽车的车顶或车门夹层里,在汽车内的发动机位置只装一台高效的电动机,便可使汽车的加速性能和爬坡性能大大改善。此外,塑料电池是密封的,不会释放有害的化学物质和气体,因此这种蓄电池车将是一种无公害的小汽车。
最早的塑料电池是由美国布里奇斯通和日本精工埃普森公司合资生产的。它的尺寸与硬币相仿,可以多次重复充电。作为计算机的辅助电源,具有很长的工作寿命。德国生产的薄型挠性电池,仅明信片那么大,适合于手提式工具的电源。
与普通电池一样,塑料电池的阳极和阴极也采用两种不同的材料。由于两个电极间存在电压差,电池放电时,电极之一就逐渐溶解在电解质中,变成正离子,并在电解质中运动;电池充电时,这些离子获得电子,重新回到电极上。这样经过几次充放电后,电极表面易形成复膜,使电池效率降低和失效。
经过改进,新型塑料电池的阴极和阳极都采用相同的导电塑料薄膜。充放电时,由电解质而不是电极来提供运动的正离子,因此经过多次充电和放电,电极材料依然完好如初。充电次数可达1000次以上。
导电塑料薄膜有一种特殊性能,即通过电化学或物理方法可使它从透明变成不透明。丰田公司的一种高级小汽车计划采用带有这种导电塑料薄膜的窗玻璃,自动挡住强烈照射的阳光。
导电塑料的另一特点是具有消除静电的功能。计算机和电子设备机房都要求抗静电防护,新型飞机上的电子器件要求防电磁干扰,树脂基复合材料机身、机翼要求防雷击,这些要求都可以用导电塑料薄膜屏蔽加以解决。
导电塑料还有一项重要的潜在用途,就是作为未来机器人的人工肌肉,当用电化学方法对某些导电塑料掺杂和不掺杂时,其体积就能发生膨胀和收缩的变化,使机器人的四肢获得必要的运动。
在美国、欧洲和日本的一些实验室里已制成一系列导电塑料器件,其中包括二极管和晶体管。导电塑料的导电性跨越了绝缘体-半导体-导体三种状态,因此有很大的灵活性。目前的太阳能电池是由硅和其他半导体材料制成,不仅成本高,而且效率低(10%以下)。如果一旦改用导电塑料薄膜,就可以使用压制薄膜切割法,生产出大量廉价的高效太阳能电池。
目前,关于聚合物导电的原因,还没有一个圆满的解释。但相信随着科学的发展,人们一定能探究出其中的奥秘。
二、高吸水性塑料
现在市场上供婴儿用的“尿不湿”纸尿布,给年轻的妈妈们带来了极大的方便。这种纸尿布可以吸入1000毫升水(相当于两瓶多牛奶),仍然滴水不漏,而且保持有通气性,吸湿部位会收缩出现皱褶,将婴儿臀部轻轻托起,免去淹浸之忧,使婴儿一整夜不用换一次尿布。这种神奇的纸尿布所用的主要材料就是高吸水性塑料。
高吸水性塑料可以吸收相当于自重几百倍甚至上千倍的水分。且吸水膨胀后即便加压,也很难把水挤压出来。这里我们可以对比一下高吸水物质——海绵。海绵只能吸收相当于自重几倍的水分,且很容易流失。
高吸水性塑料为什么具有如此奇特的功能,工作原理又是怎样的呢?原来,高吸水性塑料里含有一些特殊的高分子材料,如淀粉、纤维等天然高分子与丙烯酸、苯乙烯磺酸的接枝共聚物、聚乙烯醇与聚丙烯酸盐经交联处理的聚合物、聚乙二醇系列聚合物等。而吸水时则主要依赖高分子链中的交联结构。例如,聚丙烯钠交联体在吸水前呈紧密的固体状态,其高分子长链相互缠绕卷曲,链与链间形成立体网络状的交联结构。遇水后,交联体中的钠离子便游离出网络之外,剩下带负电的羧酸根相互排斥,将高分子链充分扩展,如同打开一个大网袋,立体网络扩大许多倍,其中饱含吸入的水。
高吸水性塑料由于制造工艺简单、成本低,在其他领域也很快找到了市场。在医用上,高吸水性塑料除了制造棉塞、绷带一类止血包扎器材外,还可制成外用软膏和人造皮肤。这种人造皮肤和其他材料组合后,具有良好的渗透性和药物保持能力,同时可防止细菌侵入。
高吸水性树脂吸水后形成的水膜,对人体器官具有润滑和缓冲作用,因此可以用这种材料制造高级隐形眼镜片;在各种导管和内窥镜涂上高吸水性树脂膜后会减轻病人的痛苦。过去,人工关节的活动接合面因为不像天然关节那样经常有体液的润滑,久而久之就会发生磨损和掉屑。现在日本石油公司研制出一种高吸水性树脂水凝胶,将它置于人工关节活动接合面代替软骨膜,获得了满意的效果。水凝胶的弹性、变形性、复原性和润滑性等功能都与天然组织相仿。
在食品工业中,高吸水性塑料膜是一种很好的保鲜包装材料,用于存放蔬菜、水果,可以长期保持水分和防止溃烂。
土地沙漠化已经越来越受到人们的关注,而高吸水性塑料为解决这一世界难题,提供了希望。现在已发现在实验室内淀粉与丙烯酸盐接校共聚物具有强大的吸水保温功能,利用其立体网络和离子键的作用能吸收自重500~1000倍的水分,其中95%可供植物吸收。在温室内施用保湿剂后,小麦产量提高15%,大豆产量提高25%。而在沙漠中,由于恶劣的自然环境,保湿剂必须满足反复吸放水分的重现性、不被高温和微生物分解的耐老化性和与当地自然条件相结合的保湿性等要求。因此这种保湿剂要有效用于治沙工程,还需要人们不懈的努力。
三、可降解塑料
塑料具有极高的化学稳定性,耐酸耐碱,不蛀不霉,在给人们生活带来益处的同时,也带来了灾难。废弃的塑料因其耐久性,埋入地下上百年也不会腐烂,造成土壤板结:而焚烧塑料则会产生有毒气体。据统计,发达国家居民的垃圾总量中塑料占7%~8%。尽管环境法律规定垃圾必须分类倾倒,但回收的塑料仍是有限,不能从根本上解决环境污染问题。那么,是否可以对现有的合成塑料进行改造,使其能在较简单的自然和人工条件下溶化、腐烂掉呢?20世纪80年代中期,美国一些州立法规定食品包装物和容器必须使用的可降解塑料就是这种改造的成果。如今这种可降解塑料已应用到了全世界的食品及其他工业。
合成塑料由不断重复的碳氢分子长链组成,它们彼此结合得十分牢固。也正是这种被称为高分子聚合物的长链,使得许多溶液和微生物对它无计可施。目前已研制成功的可降解塑料有三种类型:生物降解塑料、化学降解塑料和光照降解塑料。
生物降解塑料是一种能被土壤中的微生物和酶分解掉的塑料,即能像有机植物一样腐败的物质。在试验过的成分中,最简单的莫过于在塑料中添加淀粉,以破坏和削弱聚合链,使之达到微生物能消化的程度,最后分解成水和二氧化碳。
美国农业部开发的一种方法是在塑料中加入40%~50%的凝胶状淀粉,另一家公司则把加入有机硅耦联剂处理后的淀粉和少量玉米不饱和脂肪酸作为氧化剂。这些塑料在堆肥条件下经过3~5年后分解。很明显,这些塑料都具有成本高和降解期长的缺点。
光降解塑料中含有羟基,能依靠吸收阳光中的紫外线来破坏合成链,使塑料变脆和崩解。目前已有一些食品包装袋和瓶罐使用这种塑料制造,同化学降解塑料一样,光降解塑料也会留下一堆残渣,需要好几年才能完全降解掉。
值得注意的是,这些塑料都要求适当的降解环境。光降解塑料必须较长时间暴露在阳光下,生物降解塑料和化学降解塑料必须埋入土中或沉入水中,才能保证细菌存活。
多功能玻璃
一、光学玻璃
16世纪末至17世纪初,人们发明了望远镜和显微镜,这些光学仪器中都必须装配各种镜头,这些镜头都是用宝贵的天然水晶磨制而成的。
能不能用玻璃取而代之呢?当时的条件下根本不可能。经过千百年的努力,人们虽然掌握了制造透明玻璃的方法,但是,玻璃在熔炼时,总会留下许多缺陷,例如,玻璃中常常会夹带着一些气泡、灰色颗粒、小石子以及纹路等。这些缺陷都会改变光线前进的方向,怎么可以用来制造望远镜、显微镜的镜头呢?
天然石英或水晶,虽然纯净无瑕,却非常稀少。能不能研制出人造水晶玻璃呢?
300多年以前,英国人就开始了种种尝试,他们先后在玻璃中加入铅,消除了黑色,又用碳酸钾代替苏打,消除了因含铅造成的淡黄色,终于制成了一种酷似水晶的玻璃。不过,这种玻璃还是不能用来制造镜头——质地还是不够均匀,尤其是其中含有挥之不去的气泡。
还有没有办法加以改进呢?
质地不均匀的毛病不久就解决了,只需增加熔炼的时间;砂粒、石子也不难消除,只要选料精细、熔炼仔细便可。但顽固的气泡却怎么也没办法去除,以致当时的玻璃专家们认为。这就像出过天花的人脸上一定会留下麻子一样,是不可避免的。
不过,法国有一个叫纪南的钟表匠,却熔炼出了没有气泡和石子的镜头玻璃。他是怎样熔炼的呢?开始的时候,无人知晓这一秘密,就连他自己的儿子,他也三缄其口。
纪南临终之时,他才将儿子们召到床前,将熔炼镜头玻璃的秘密口授给了他们。他的儿子们继承父业,个个严守秘密,绝不流传给外人。
直到19世纪末,德国出现了一个天才的光学家,他叫阿贝尔,是一个纺织工人的儿子。阿贝尔经过长期研究,终于揭开了纪南的秘密,发明了优质光学玻璃的熔炼方法。阿贝尔的发明很快就被德国的蔡司一绍特公司高价收买了去。这家公司的保密工作做得比纪南的子孙还要好。
第一次世界大战期间,俄国以法国、英国同盟者的身份,在接受了极为苛刻的条件以后,才以极高的代价买到了制造光学玻璃的这一秘密。这一保守了几百年的秘密,说来十分简单——搅拌!只需在熔炼玻璃时加以搅拌即可。
此后,到了前苏联时期,彻底打破了法国人和德国人对制造光学玻璃的垄断,公开了这一秘密,使全世界玻璃制造行业都受了益。
二、耐火玻璃
自从人类有了玻璃这种材料,用它制作的各种物品如雨后春笋般日见增多。玻璃制品美观、轻盈、光滑,深受人们喜爱。但是,它也存在着不足之处,除了容易碰碎以外,一个最大的弱点便是怕热。普通玻璃杯如果放到火上烘烤,不一会儿就会爆裂;在冬天,甚至倒入一杯沸水,有时也会发生爆裂呢!
但是,人们却十分希望能有不会发生爆裂的玻璃新品种出现,尤其是与实验打交道的化学家,如果能一边加热,一边通过透明的容器观察化学反应过程,那该多好啊!
为了得到不怕热的玻璃,化学家们开始探索起玻璃怕热的原因。原因很快找到了,原来,玻璃和其他物质一样,都具有热胀冷缩的性质,而且普通玻璃受热膨胀得还挺厉害呢!
一般来说,膨胀并不会使物体发生破裂,因为有的物质传热快,短时间内各处都可同步膨胀,这便可避免破裂;有的物质传热虽然不快,却富有弹性,容易伸缩,因此也不会发生破裂。可悲的是,玻璃这种物质既传热不快,又缺少弹性,在受热时,接触高温的一边首先膨胀,另一边还依然如故,这岂有不破裂之理?
那么,玻璃受热膨胀的主要原因是什么?如果找到这一原因,设法加以克服,不就可以避免破裂了吗?化学家和玻璃制造专家们又开始了新的探索。结果,他们发现,玻璃受热发生剧烈膨胀的原因在于其中使用了苏打原料。制造“耐火玻璃”的关键便是要找到一种代替苏打的原料。
功夫不负有心人。玻璃专家们在试验了上百种物质、做了无数次实验以后,终于找到了一种较理想的物质——硼酸。试验表明,硼酸的膨胀度只有苏打的1%。
不久,一种硼酸多、苏打少的新型玻璃便诞生了。它的膨胀度为普通玻璃1/8,赢得了“耐火玻璃”的美誉。人们用它制成化学实验用的烧杯、烧瓶,制成普通的白炽灯泡,制成需要加热的食品器皿……
今天,石英玻璃成了一种更新的耐火玻璃,它的膨胀更小,更能经受热的考验,相信以后还会出现更好的耐火玻璃呢!
三、水玻璃
《最后的晚餐》是意大利文艺复兴时期大艺术家达·芬奇的优秀作品,被绘在米兰教堂的一堵墙上。可是,没过几年,这幅画上的颜料开始剥落,尤其是画的中下部,由于潮气侵袭,损坏得更快。据说,法国皇帝佛兰西斯克一世为了抢救这件珍宝,曾下令将这堵墙完整地运到法国巴黎,妥善地保存它,然而,这在当时是不可能的。
有没有可能发明一种东西能一劳永逸地保护这类艺术作品呢?许多人都在摸索着,试验着,法国明兴大学的福克斯教授便是其中之一。
1818年,福克斯教授在他的实验室里熔炼成了一种新玻璃,其原料采用的是沙粒和苏打,不含石灰石的成分。这种玻璃看上去和普通玻璃没什么区别,同样的坚硬、明亮和透明;不过,如果把它浸到热水中,过不多久,它就熔解了,成了一种灰色的粘性液体。根据这一性质,福克斯给它取了个名字,叫做“水玻璃”。
水玻璃具有十分奇特的性质,如果用它来调白垩粉,就会凝固起来变成坚硬的白垩石;如果将它涂到树皮上,树皮立刻就会包上一层薄而坚硬的玻璃膜,就像穿了一件玻璃外衣。
于是,福克斯很有把握地向壁画家们建议,在画画之前,先用水玻璃溶液刷一次墙,然后在墙粉中也掺一些水玻璃,待墙粉干了以后再描图绘画;最后,当壁画完成后,在其表面再涂一层水玻璃溶液,这样处理的壁画就可以大大延长保存的时间了。
同时,福克斯又用水玻璃抢救濒临毁坏的壁画,他将水玻璃溶液涂在壁画的表面,也取得了很好的效果。
以后,人们发现水玻璃还具有其他意想不到的功能呢!
例如,将鸡蛋在稀薄的水玻璃溶液中浸一下,蛋壳外就“穿”上了一件密不透风的“外套”,这种鸡蛋不用冷藏也可保鲜一年,而且风味丝毫不变;大炮、坦克、军舰表面涂上油漆是为了防止生锈,但油漆容易燃烧,如果在油漆中掺入水玻璃,那么普通的油漆也就具有耐火性了;60多年前,前苏联莫斯科正在修建地铁,有一次,当地铁通过共产国际大厦底下时,疏松的地层使大厦发生了倾斜,在这关键时刻,科研人员建议将水玻璃溶液通过管子注下地下,使原先松散的沙土凝结成一个整体,终于使大厦化险为夷。
四、红外玻璃和紫外玻璃
太阳光中除了可见光之外,还有一系列肉眼看不见的光线,“红外线”和“紫外线”便是主要的两种。