人工合成有机高分子材料的成功,是材料发展史上的一次重大突破．多少世纪以来,人们使用的各种材料,如石器、陶瓷和金属等,都是直接取自大自然的天然物质,或者把一些天然物质进行冶炼、焙烧,加工后制成的．随着生产领域不断扩大,它们的品种和性能都受到很大限制．随着人类物质、文化生活需求不断增加,自然界的“恩赐”已经供不应求了．于是,各种人工合成高分子材料应运而生,把人类物质文明的发展又向前推进了一大步。

人工合成高分子材料弥补了大自然的不足,以崭新的姿态出现在各个工业部门,同时又迅速地打入民用市场、和人们日常生活产生了密切的联系,今天已是“天下无人不识君”了．人工合成有机高分子材料的品种很多,主要包括一般说的“三大材料”,即合成纤维、合成橡胶和合成塑料,此外还包括合成油漆、涂料、胶粘剂和一部分液晶。

一般的无机化合物和有机化合物,其分子只包含几个或几十个原子,最多也不超过二三百个原子,而高分子化合物却不同,每一个分子所含的原子数可达几千或几万,甚至几百、几千万．也就是说它们的分子量特别大,所以叫做高分子。

高分子化合物是通过化学方法以天然气或石油为原料,经过一系列反应得到的．它的分子链形状细长,或者首尾相连,或者含有小支链,相互交连,吸引力非常强,所组成的物质在强度、弹性等方面都比低分子物质优越许多．从结构上看,高分子化合物的分子是由许多相同的单体(链节)重复排列组成,所以又叫高聚物．例如,乙烯的分子量是28,而聚乙烯的分子量可达56万,也就是说,聚乙烯是由大约两万个乙烯链节组成的．乙烯、丙烯和丁二烯等单体都可以合成高分子材料。

合成纤维、橡胶和塑料都是高聚物,它们在形状和性能上有很大差异,但是,它们三者之间并没有严格的界限．同一种聚合物,由于合成方法和工艺不同,就可以分别制成纤维或塑料,如聚酰胺(尼龙)就有这种特点．又如聚氨酯弹性体,同时具有橡胶和塑料的双重性能．下面分别谈谈合成纤维、橡胶和塑料三大材料。

合成纤维

合成纤维是以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料,经化学处理制成的人工纤维．70年代合成纤维的年产量已占世界纤维总产量的一半．合成纤维的主要品种有: 绵纶(聚酰胺)、腈纶(聚丙烯腈)、涤纶(聚酯)、维纶(聚乙烯醇)、丙纶(聚丙烯)和氯纶(聚氯乙烯)等六种,其中前三种产量最大,占整个合成纤维产量的90％．它们都具有强度高、耐磨、比重小、弹性大、防蛀、防霉等优点．除做衣服以外,在工业和其它方面也很有用处．它们共同的缺点是吸湿性和耐热性较差,染色比较困难。

绵纶是最早出现的合成纤维,尼龙66 和尼龙6 先后于1939年和1943年开始工业化生产．特点是比重小、强度高,具有突出的耐磨性,大多用于制造丝袜、衬衣、渔网、缆绳、降落伞、宇航服,轮胎帘布等。

腈纶又称人造羊毛,比重低于羊毛,强度是羊毛的三倍,手感柔软膨松,耐洗耐晒,可以纯纺或同羊毛混纺,制作衣料、毛毯和工业毛毯．腈纶毛线是市场上最畅销的产品之一．近年来,复合材料需用的碳纤维数量日增,常常采用腈纶纤维作为原丝。

涤纶俗称“的确良”,它兼有绵纶和腈纶的特点,强度高、耐磨,混纺后的棉涤纶和毛涤纶成为最常用的衣着用料．在工业上,涤纶还可制作轮胎帘布、固定带及运输带等．涤纶纤维出世较晚,但70年代产量已超过绵纶而居合成纤维首位。

维纶可作医用手术缝合材料等等。

以上各种合成纤维产量大,用途广泛,和人们日常生活关系密切,已为大家所熟悉,被称为通用合成纤维．在制造服装方面,合成纤维除了可制成各种织物和针织品外,还可充当棉絮,具有重量轻、弹性好、不板结、不变形的特点,制成的被辱、座垫、睡袋、沙发和防寒服等可以整洗,并且不怕霉菌和虫蛀,因此在80年代合成棉絮的用量已和天然棉絮平分秋色了。

合成纤维绵絮的进一步发展是人造羽绒．取自禽类身上的天然羽毛,由羽片、绒羽和纤羽三部分组成．人们采用粘合法和静电植毛法完全可以仿造出羽毛上的羽轴、羽枝和小羽枝,人造羽绒呈立体结构,富有弹性,膨松保暖．最近,人们对于臃肿的天然羽绒和人造羽绒服的热情开始减退,这主要是出现了一种薄型合成絮片的缘故。

在1983年以后的奥林匹克冬季滑雪运动会上,一些运动员身穿紧身型滑雪装,人体的曲线美充分显露,腾飞的动作更加潇洒利落,滑跑的速度加快,这要归功于薄型合成纤维絮片．原来这类絮片是由超细纤维或发泡纤维制成的,增加了静止空气的储量,减少了热量的对流和传导,只需原羽绒服的一半厚度就足以保暖了．在宇航服的启发下,一些合成纤维絮片还采用厂表面金属蒸发沉积镀层,形成防湿保暧效果极好的辐射屏蔽层．由此可见,通用合成纤维也面临着革命。

在尖端工业中起作用的是特种合成纤维,它们的产量不大,品种却不下数十种,它们具有特殊的物理、机械性能,是天然纤维和通用合成纤维无法达到的。

与“塑料王”氟塑料源出一家的氟纶(聚四氟乙烯),在各种酸碱介质中耐腐蚀性最好,还可耐250℃左右的高温,并保持良好的电绝缘性,在原子能、航空和化学工业中发挥了巨大作用。

号称“合成钢丝”的芳纶(芳香族聚酰胺)在60年代就打入航空和航天领域,是目前有机合成纤维中强度最大、产量最高的纤维．比强度(同样重量材料得到的强度)是钢丝的五倍,用手指粗的芳纶绳就可以吊起两辆大卡车! 有的品种可以在260℃高温下连续使用上百小时．在飞机上,芳纶被制成降落伞、机轮帘布、电绝缘和过滤结构,或作为增强纤维用于复合材料框架、桁条和舱门等；在航天飞机上,芳纶毡毯用于再返大气层时的热防护；宇航员穿的宇航服中有氟纶防火保暖层和芳纶防辐射及防流星层．美国1980年在航空和航天结构上使用了45 万公斤的芳纶纤维。

芳纶坚韧耐磨,刚柔兼备,现在又发展成最有希望的防弹材料．过去的防弹材料主要是防弹铝板和钢板,都比较笨重,使用起来不灵活．现在用芳纶编织的防弹背心重量轻、结构紧凑、层数多、防护力强,适合于警察和公安人员日常穿用．士兵在战场上感到威胁最大的是弹片和散弹,穿上一种内衬陶瓷板的芳纶避弹衣,就可以保证肺、胸、脊骨等重要部位的安全．芳纶编织层能吸收弹丸60％的能量,陶瓷板能使弹丸偏离或碰掉．由80％芳纶纤维和20％树脂制成的“钢”盔,在与真正钢盔重量大致相等的情况下,安全性提高了两倍以上．据统计,芳纶防弹衣和钢盔最少能防护人的60－70％关键部位,使伤亡人数至少降低三分之一。

芳纶陶瓷装甲还普遍应用于坦克、装甲车和直升机,可作为主防护装甲和辅助防护装甲．这些装甲有的单独使用芳纶层压板,有的与铝板复合使用,大大轻于传统的装甲钢板．这种新型复合装甲还可用于民航机上,作为防爆的防护板．此外,芳纶增强塑料还可制造鱼雷发射管、雷达天线罩等。

在康复医学中,使用各种人造合成纤维的数量越来越大．氟纶、涤纶和碳纤维是最常用的,如氟纶人造血等,尼龙中空纤维人工肾、碳纤维人工心脏瓣膜等,都具有良好的生物相容性．人工肺的主要部分是数万根空心丙纶纤维管,每根长30 厘米,直径250 微米,这样小的孔,连血液也不能渗透进去,但却可以让氧气和二氧化碳进行交换,保障人的正常呼吸．可见,合成纤维和人们的关系是越来越密切了。

合成纤维的发展,只不过四、五十年的历史．1940年,世界棉花产量为690 万吨,合成纤维只有5000 吨．到1963年,合成纤维产量急剧增加到130万吨,二十多年增加了259 倍．现在,人类的衣服原料已进入化学纤维时代。

合成橡胶

天然橡胶不仅在数量上,而且在性能上均不能满足人们的需要,只有大力发展人工合成橡胶才是出路．人们将石油中的多种碳氢化合物分离出来,利用化学方法聚合得到合成橡胶．人工合成橡胶具有一定的优越性,不仅可以制造出许多结构和性能相当于天然橡胶的普通橡胶,而且还能合成许多优于天然橡胶的特种橡胶。

合成橡胶问世已有半个多世纪的历史．在20年代,人们首先合成了丁二烯橡胶,它具有很高的弹性和耐寒性,到了30年代,合成橡胶工业蓬勃发展．目前,合成橡胶的数量和性能都大大超过了天然橡胶。

采用合成橡胶的经济效益也非常显著,例如,每生产1000 吨天然橡胶需要300 万株橡胶树,为此要占用五百多名劳动力和数千亩土地,而且也非一年可得．而生产同等数量合成橡胶的小工厂,每年只要数十名熟练工人和一定数量的石油。

在通用合成橡胶中,最常用的有丁苯、丁基、氯丁、丁腈橡胶等,它们都可以代替天然橡胶制成日常橡胶制品如轮胎、救生艇、密封件、电缆、软管和油箱等．丁苯橡胶在合成橡胶中产量最高,主要用于制造汽车和飞机轮胎等；氯丁橡胶弹性和加工性好,可制造密封件和减震零件；丁腈橡胶具有耐热、耐油和耐老化的特点,可制作耐油胶管和油箱。

特种合成橡胶在国防尖端工业中起着重要作用,它们产量不大但品种繁多,包括丁丙橡胶、异戊橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、丙烯酸橡胶、氯醇橡胶等。

乙丙橡胶是乙烯和丙烯单体共聚制得的橡胶,由于它的分子链基本上是饱和的,所以能耐氧和臭氧老化、透气性小,耐化学介质和耐液压油性好,使用温度范围为-60－150℃,最高可达170℃,可用于制造汽车散热管及发动机零件．在航空上常用作液压系统的密封件和软管、火箭燃料和氧化剂的密封件和容器。

聚硫橡胶是含硫原子的合成橡胶的总称．具有优良的耐油、耐老化及透气小的特性．用于飞机座舱、整体油箱、电器设备的密封,它还可以做成密封腻子,用于建筑物的防水。

氟橡胶由于分子链中有一部分被氟原子取代,形成与碳原子更紧密的结合,因而使其具有耐高温、耐各种油类及腐蚀介质的能力．例如氟—26 橡胶的使用温度范围为-40－200℃,氟—246 橡胶可在250o℃高温环境中使用,氟醚橡胶可在300℃油中和液氧、液氢中使用．氟橡胶在飞机上用作耐热、耐油密封零件,在火箭上用作密封件和容器,由于它具有突出的耐热性,在原子能和化工上也有广泛的用途。

硅橡胶由于其主链中具有硅—氧链而获得高的耐热性,是一种使用温度范围最广的橡胶,为-100－300℃,加以具有优越的耐大气老化性和电绝缘性,广泛用于航空、造船、化工和建筑,作为密封、减震和电绝缘件．在飞机上,透明硅橡胶用作飞机座舱的多层有机玻璃的中间夹层．正在发展的硅硼橡胶和硅氮橡胶,耐热性可达500℃。

硅橡胶在人体中具有很好的生物相容性,是制造人工器官比较理想的材料,已用于人体内的有人造血管、人造瓣膜和人造心脏等；在体外应用的有人工心肺机、人造肾脏、输血导管等。

近年来国内外兴起的美容整形手术广泛采用有机硅胶填料,使塌鼻和扁平的乳房隆起,赋予有缺陷的女性必要的曲线美,手术安全而简便．胶粘剂和涂料也是有机高分子化合物的重要应用领域,在许多新型机械、电工和电子产品中都离不开它们．各种胶粘剂不仅可用于木材、皮革、纺织品、塑料、玻璃、陶瓷自身和相互间的胶接,还适用于金属自身和与上述材料相互间的胶接,甚至在医学上划破的伤口、人工骨与天然骨之间也采用了胶接。

结构用胶粘剂主要有改性环氧、改性酚醛及聚酰亚胺．它们的特点是强度、韧性和耐久性良好．50年代起,在飞机上开始大面积使用胶接蜂窝夹层结构的舵面、安定面、机翼、机身壁板和直升机旋翼等．在推广先进连接工艺方面,胶铆、胶焊、胶接——螺接等复合连接方式大量代替了铆接和焊接,大大提高了疲劳强度和耐久性,减轻了结构重量．这些先进的连接工艺已推广至汽车、自行车、火车车厢和船舶制造业。

某些特殊用途的胶粘剂,如厌氧胶粘剂,在空气和氧气中不固化,一旦隔绝空气和氧气后即固化．它们被用于紧固防松、密封防漏和装配固定．压敏胶粘剂具有类似医用橡皮膏的特性,在室温下长期保持粘性,使用时只要对胶带轻微加压,即能粘附于物体表面,不用时又可撕去而不留痕迹．它们被用于电缆接头的包扎、零件临时定位和防止表面磨损,如直升机旋翼前缘贴上压敏胶带可以防止砂蚀．导电胶粘剂用于波导管及导电元件的胶接,无损于电气性能。

有机高分子涂料在国防尖端工业中也获得了广泛的应用．例如,在飞机机头雷达罩、机翼前级和直升飞机旋翼上,涂有合成橡胶和氟弹性体组成的抗侵蚀涂层；在宇宙飞船和航天飞机的座舱内,涂有芳香族聚合物或有机硅——硅酸盐组成的抗辐射涂层；在人造卫星、宇宙飞船和高速飞机上,都必须有硅酸钾二氧化钴或有机硅氧化锌温控涂层．此外,还有防雨涂料、防雷击涂料、雷达吸波涂料等,都是为了满足特定目的而设计的．在民用方面,防水、防锈、防雷、发光涂料和油漆使用的例子就更多了。

塑料

在人工合成的有机高分子材料中,塑料诞生最早,发展最快,产量最高,和人们生活的关系也最密切,因此有些学者认为: 人类已处于塑料时代．塑料的显著特点是具有可塑性和可调性．可塑性是指采用最简单的工艺,就可以用在短时间内制造出形状极复杂的塑料制品；可调性是指生产过程中,可以用改变工艺、变换配方等方法来调整塑料的各种性能,以满足不同的需要．此外,塑料还具有重量轻、不导电、不怕酸碱腐蚀、不传热的优点,可做成透明、不透明或各种颜色的制品。

1838年,人们就在实验室里合成了聚氯乙烯,1863年,合成了酚醛塑料(电工)．到了本世纪40年代以后,塑料进入蓬勃发展阶段．据统计,1930年全世界塑料的年产量为10 万吨,1950年达160 万吨,1960年达740 万吨,1970年达3000 万吨,预计2000年将达3.5 亿吨。

现在的塑料有三、四十大类,三百多个品种．按其热性能可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类．顾名思义,前者的特点是遇热会软化或熔化,产生热塑料,冷却后又会变硬；而热固性塑料是在一定条件下起化学反应后,形成固化塑料,再不能软化或熔化。

更为流行和方便的是从使用的角度来划分,把塑料分为通用塑料和工程塑料两大类．从70年代中期开始,又逐渐从工程塑料中分出高性能工程塑料．这三大类品种的划分至今没有定论,各国在划分上也略有差异,但大体上可以采用如下分类:

通用塑料——聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛塑料和氨基塑料等。

工程塑料——聚酰胺、聚甲醛、ABS、聚碳酸酯、聚酯、改性聚苯醚等．高性能工程塑料——聚芳醚、聚芳砜、聚芳酯、聚芳杂环类、聚芳酰胺、聚对二甲苯、含氟材料等。

除此之外,还有特种透明塑料和新近发展起来的功能高分子材料等．通用塑料的产量较大,占塑料总产量的80％以上．它们共同的特点是价格低、用途广,可制成生活用品、一般零件和包装材料,以代替纸和木材,并部分代替金属．聚乙烯能制造容器、管材和家具；聚丙烯用来制造汽车、电视机零件和食品包装袋；聚氯乙烯可以制成各种硬质、软质的泡沫塑料、农用薄膜等．将来,一张轻巧柔软的薄膜可以代替装淡水的大容器,使海岛和舰船上的人大受裨益；如果在汽车上装上一层气体分离膜,就可提高发动机功率,节约大量能源。

工程塑料是指机械性能好,可以代替金属制造机械零件,并且能在一些特殊环境,如高温、低温、腐蚀、大载荷条件下长期工作的一类塑料．工程塑料的出现是60年代塑料应用方面的重大突破,它既可用作电工器材,又可应用于机械工业,作钢铁和有色金属的代用品．广泛使用工程塑料的工业部门包括: 机械制造、电子、化工、汽车、飞机制造、原子能和建筑等．例如,一吨聚氯乙烯塑料可代替五吨铅或七吨半不锈钢,或六吨半黄铜；尼龙塑料可以制成有良好润滑性的轴瓦,比铜瓦耐磨；聚甲醛材料,具有很高的刚性和硬度,耐疲劳性也很好,已用来制造电机、无线电、机械、汽车、原子能、航空航天等方面的某些零件．在汽车用材中,1978年塑料仅占4％(重量),1985年已达到10％．目前,工程塑料的使用温度在300℃以下,抗拉强度低于20 千克每平方毫米,作为结构材料还不能与钢铁等金属相抗衡．国外约60％用于建筑和包装,约20％用于汽车和化工．国内在机械产品中用作轴套、密封件、导管、导轨、罩壳、油箱以及受力小的仪表构件等．预计到2000年,某些塑料耐热性可达500℃以上,强度可与普通钢铁匹敌,那时也许会由塑料代替大部分钢材和有色金属。

高性能工程塑料又称特种工程塑料,它同军事工业和尖端技术的发展密切相关,因此,虽在世界塑料总产量中比例很小,仅占1％左右,但它们的作用是别的任何材料都无法比拟的,具有不容忽视的地位。

特种工程塑料大多是60年代进入工业化生产的,其工艺还不够成熟,产量不高．例如聚芳醚的价格低于聚碳酸酯和尼龙,而综合性能优于ABS 等工程塑料,在80年代上升为主要的品种。

在提高耐热性方面,现有一系列的特种工程塑料可以满足要求,如聚砜的长期使用温度为150℃,短时为180℃,能够用于电绝缘而代替云母,增加电机的容量并缩小体积；聚芳砜在-240－280℃温度范围内有良好的强度和电性能,可制成连接器、开关部件和印刷电路板；聚苯砜长期使用温度为180℃,是砜族系统中耐热性最好的聚合物。

芳杂环的特点是耐热、耐辐射和突出的高温综合机械性能,目前进入商业化生产的有聚酰亚胺、聚海因、聚仲斑酸等,耐热性最高达350℃,而正在研究中的聚苯并咪唑、聚喹噁啉、聚噁二唑等,耐热性可望达到500℃,目前仅限于宇航方面的应用。

60年代的特种工程塑料倾向于追求高性能,特别是耐热等级；70年代以来,各企业都转向注重加工性和降低价格,向综合性能和通用用途发展；80年代的主要研究工作是通过化学——物理方法,对现有品种进行改性．在未来的节能型小汽车和旅客飞机上,塑料和树脂基复合材料的用量将大大超过金属材料。

随着新技术革命和医学科学的发展,需要塑料具有光、电、磁的特性和人体的某些生理功能．在医学上,多年来人们一直想用人工器官代替病人的器官,这种愿望直到合成高分子材料广泛应用的今天才得以实现．据专家们估计,将来人体至少有一半以上的组织器官可用合成高分子材料代替。