书城科普神奇的新材料
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第20章 现代生活中的高分子材料(1)

自合成高分子材料大量问世以来,高分子材料即以其实用性和装饰性极大地美化和改善了人类现代生活的品质,使衣食住行的各个环节都发生了日新月异的变化,给人们带来了缤纷多彩的现代化生活。

1.从人造棉到仿毛仿丝

说到衣着,无论是城市还是农村,人们对漂亮实用的合成纤维制品都不陌生。“的确良”织物制成的服装挺括美观、易洗免烫;尼龙袜坚固耐磨;腈纶棉质轻保暖,不蛀不霉,便于洗涤;维尼纶织物透气干爽,穿着舒适。

这里所列举的就是目前合成纤维中大量生产的“四纶”,即由聚对苯二甲酸乙二醇酯纺制的涤纶;由聚酰胺制成的尼龙;由聚丙烯腈纺成的腈纶和由聚乙烯醇缩甲醛制得的维尼纶。除了“四纶”以外,还有近几年兴起的聚丙烯纤维。在解决聚丙烯的纺丝技术后,纺制出来的超细丙纶,其织物柔软如蚕丝,同时具有单向透气和透水性,其出现又将给人们带来更舒适美观的衣着。自1935年人们研究成功尼龙纤维,1947年制成涤纶纤维,1950年和1953年先后制成腈纶纤维和维尼纶纤维以来,合成纤维的品种不下30种。人类告别了单纯依靠大自然赋予的棉、麻、毛、蚕丝编织衣着的时代,开创了纤维史上的第三次革命。到1990年世界合成纤维的产量已达1770万吨,占全部纤维的45%,2000年合成纤维的产量已达3500万吨。一座年产1万吨合成纤维工厂的产量相当于30万亩棉田的年产量。由此可见,合成纤维对人类现代生活的贡献是不言而喻的。

所谓合成纤维是指自然界原本不存在,靠人类聪明才智,通过化学方法合成得到高分子以后纺制出来的纤维。而将天然纤维进行二次加工,经化学和物理方法处理以后纺制出来的纤维称为人造纤维(即所谓的人造丝),它不属于合成纤维之列。理论上讲,所有的线型高分子都可以纺制成纤维,但要成为符合穿着的纤维还有许多问题需要解决。首先要求相对分子质量足够高,在纺制成纤维后要经过进一步的拉伸和热定型处理,使高分子链沿轴向排列,这样才能获得足够高的强度,使制成的衣料耐穿耐用。其次是纤维应该具有很好的染色性,可以用不同的染料染色,而且色泽鲜艳,色调均匀,着色牢固,色谱齐全,可为人们提供丰富多彩的花色品种。

作为服装面料使用的纤维的另一重要要求是希望它们有很好的亲水性,即可以吸收水分并能将其向邻近的纤维输送,这也就是我们常说的吸汗和透气,从而达到调节体温和保护机体的目的。除了上述几个要求以外,作为服装用的纤维还希望它们不起静电(导电)、阻燃、织物手感好等等。

自20世纪40年代,尼龙、腈纶、涤纶这几种主要纤维相继工业化之后,它们的染色方法、亲水化方法有了很大发展,例如,非极性的聚丙烯(PP)纤维是难以染色的,人们通过纤维的化学改性,在PP 大分子链及其侧链引入SO3H—NR2等着色基团或添加含有金属离子的助剂,使之与染料形成配合物而染色。也可以在纺丝过程中加入异相高分子以疏松PP 的内部结构,以提供染料扩散和渗透的孔道使之着色。此外,在纺丝液中混入着色剂经纺丝后即获得有色彩的纤维(称原液着色)。具体方法是利用与PP 树脂有良好相容性的树脂为颜料的载体,与颜料混合挤压成色母粒,此种色母粒与粒状PP 树脂混合纺丝,即得到所需要的有鲜艳颜色的纤维。合成纤维的亲水性可以通过化学和物理的方法得到改善。化学方法包括大分子的亲水处理、与亲水性单体接枝改性以及在纺丝后的纤维上涂敷一层亲水性化合物的表面处理方法等。物理方法则主要是使纤维表面粗糙化、横截面异形化及多孔化等。例如日本旭化成公司生产的腈纶短纤维是通过多孔法改善其亲水性的,而东洋纺织公司生产的聚酯短纤维则采用中空法增加其亲水性。

为了使合成纤维更能满足人们的需要,人们对其实用性(免烫、易洗、吸汗、透气、保温绝热)、装饰性(色泽齐全、挺括悬垂、手感好)、耐用性(耐虫蛀、耐摩擦、不褪色、不变形)等方面提出越来越高的要求。自20世纪70年代以后,差别化纤维成为合成纤维的一个重要发展方向。上面列举的PP 原液着色就是差别化纤维的一个例子。所谓差别化纤维是指在常规服装用纤维中采用某种物理或化学改性技术,赋予其更良好性能的纤维,其结果是使同一品种纤维性能多样化。例如通过化学和物理方法使涤纶纤维在热处理时获得的高收缩涤纶(收缩率达20%~50%),用它与羊毛混纺可以获得手感丰满的产品。将高收缩涤纶与普通长丝交织,可以得到美观舒适、新颖大方的提花针织物。通过改变喷丝孔形状而获得的纤维不是一般的异形化纤维,它包括三角形、变形三角形、三叶形、五角形和中空异形等,它们使各种织物更多姿多彩。三角形截面纤维的织物光泽夺目,具有闪光效应;变形三角形纤维具有立体卷曲性,与毛混纺时手感温和、色泽文雅,适于做灯芯绒;而中空纤维织物则以质地轻松、柔软保暖著称;由双十字截面纤维编织的袜子则不会脱垂下落;五角形截面纤维可以做仿毛、仿麻、仿丝绸等。这些差别化纤维的发展给现代生活带来丰富多彩、接近或超过天然纤维的衣物,极大地丰富了人们的衣着品种。差别化纤维使合成纤维产生了高的附加值,使织物更加高档化和多功能化。20世纪70年代,差别化纤维只占合成纤维总量的1%,现在已达30%,而在合成纤维较发达的日本,其差别化率达50%。

差别化纤维主要是巧妙地利用了各种技术,赋予纤维及其织物以更优良的性质,其发展方向为:仿毛、仿麻、仿真丝等仿天然纤维;仿鹿皮型的超细纤维;低伸度特殊混纺纤维;抗静电(导电)、高吸水、阻燃、抗菌防臭、中空保温、高弹性、感温变色、光变色等新功能型纤维和简化纺丝和染色工艺的原液着色纤维等。随着高分子材料的发展,合成纤维将为人们提供更新、更实用、更有魅力的产品。新型的化学合成纤维将从目前的“仿真”阶段向“超真”阶段过渡。到那时,有益于人类身心健康的抗菌防臭、防蛀除污、透气透湿、防缩防皱、抗静电、难燃的多功能纤维,冬暖夏凉的纺织品,光变色或温度变色织物将陆续走进我们的生活。

此外,上面提到的合成纤维在美化人们衣着中所发挥的重大作用,已使其工业化产量多年来大幅度增加,显著减少了人们对棉、麻等天然纤维的依赖。据统计,每生产1万吨合成纤维相当于30万亩棉田的棉花产量,节省土地所带来的效益是不言而喻的。

除了合成纤维大规模走进人们的服装行列之外,高分子材料在衣着中其他方面的应用也毫不逊色。单举衣服中光彩夺目的仿珍珠纽扣来说吧,它们就是利用不饱和聚酯,并加入人造的或天然的珍珠颜料,然后精巧地将它们排列成所需要的色彩图案,通过浇注或离心法得到棒料或薄片,切割或冲压成所需形状,最后经抛光得到的。

2.从农业地膜到不粘锅

人类生活中的一个重要环节——“食”与高分子材料的关系也十分密切。高分子材料的应用不但给人类带来更多更丰富的食品,也极大地丰富了我们的生活。我国北方乃至西藏等高寒地区常年能吃到丰富的蔬菜品种,寒冬过后能提前品尝到鲜甜的瓜果,首先得益于塑料大棚。塑料地膜覆盖既保温又保湿,能带来粮食、蔬菜及棉花等作物的增产效果,已成为国内外农业增产的重要技术措施,是许多寒冷和干旱地区农民脱贫致富的重要手段。塑料地膜与化肥、农药一起已成为现今农业生产中的三大化工材料。据统计,我国用于农膜生产的聚乙烯(PE)约占全部PE 产量的1/4。虽然由于PE 在自然条件下不易降解,长期使用会给土壤带来污染,但高分子材料的科学工作者已想出不少办法来解决这个问题。在不久的将来,生物降解型的地膜将会问世,农用塑料膜将继续为农业作物的持续稳产高产做出重要贡献。

在“食”问题上,高分子材料的另一重要作用是解决海水淡化问题,芳香聚酰胺或醋酸纤维素制成的反渗透中空纤维膜,可以使海水和苦咸水淡化。在目前海水淡化的各种技术中,反渗透法的能耗最低,因此,利用这种中空纤维膜淡化海水是解决沿海地区及岛屿农田灌溉和生活用水的有效途径,对中东波斯湾一带缺淡水的国家具有特别重要的意义。

在解决农用水问题上有重要意义的另一类高分子材料是高吸水性高分子。现在已合成出吸水为自重数百倍甚至上千倍的高分子材料。我们熟悉的婴儿用的“尿不湿”以及妇女、住院病人用的卫生材料就是用这类高分子制成的。它们一般为轻度交联的带有大量亲水基团的聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸及其盐类和聚乙烯醇类高分子化合物。将这些高分子材料应用于农业生产,可以持续不断为农作物生长供应必需的水分。在干旱地带造林时,若将树苗根部浸上一层吸足水的高分子,树苗的成活率将显著增加,并减少了植树后的浇灌次数。近年来,我国利用吸水性高分子进行农田保湿的大规模试验已取得成功。

高分子材料用于日常食品的包装、储存、运输、保鲜等方面已为人们所熟知。超级市场琳琅满目的各类食品,除了少数罐装食品仍用金属、玻璃包装外,随手就可取到高分子材料包装的食品。它们大多数是聚乙烯、聚丙烯、聚酯等高分子的制品,这些包装材料以其重量轻、不易碎、免回收、免洗涤、装饰性强、美观大方而大量取代过去的玻璃包装。其中聚乙烯薄膜以其水气透过率小,无毒而大量应用于干燥食物。对于一些吸入氧气后易于变质的厌氧食品,则采用层压方法将聚乙烯与干燥状态下透氧率极低的玻璃纸压成复合膜,然后再在其上涂一层聚丙烯而成为极端厌氧食品的包装材料,使食品的保鲜期大大延长。高分子材料在食品包装中的应用,便利了食品的储藏和运输,使人们不出家门就可以品尝到天南海北各个地方的鲜美食品,给旅行和居家生活带来了很大的方便。

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。