高分子及其应用 [复制链接]

第5版()
专栏：

高分子及其应用
王葆仁
二十世纪以来，一种新型的材料——高分子材料发展起来了。它不但可以和钢铁相比拟，有些方面还超过钢铁。因此许多人说：“二十世纪的下半纪，人类进入了高分子时代”。
其实，人类接触高分子的时间是很早的，可以说有了人类也就有了高分子。首先人本身就是由许多高分子与低分子化合物组成的，人的头发、指甲、血球、蛋白质等等都是高分子。人身上穿的衣服是由棉花、羊毛、蚕丝或麻等织成的。这些都是天然高分子，不过，人工合成高分子的历史还是很短的，1900年人们才把第一个合成高分子投入了生产，那就是酚醛塑料。第二个是1910年俄国化学家首先合成了丁钠橡胶。第三个是1930年美国化学家合成了尼龙66纤维。高分子成为一门科学是从1920年才开始的，在那一年德国的一位化学家开始了有关高分子的理论研究。
为什么把高分子看作是一种划时代的材料呢？这里就什么是高分子，它有什么用处，以及它的特点和将来的发展趋向等等作一些介绍。
什么是高分子
高分子是一种分子很大的化合物。分子就是物质的最小粒子，它又是由原子所组成的。有的物质的分子由几个原子组成，有的物质的分子由几十个几百个甚至更多个原子组成。每一种物质的分子都有一定的大小，有一定的组成，从而具有一定的性质。它们不能再用一般的机械方法分拆。如果用较大的能量把一种物质的分子拆开，那末这种物质就改变性质成为另外一种物质了，可是高分子并不如此。比如一种低分子化合物，它的每个分子都是一样大小，它的分子量也总是一定的；而一种高分子化合物，构成它的每个分子却不完全是一样大小，平常所谓高分子的分子量只是一个平均数字，即平均分子量。在要求性质不变的前提下，一个低分子是一个不能再分的最小单位；而一个高分子却可以被拉断或者切开，变成为两个分子，其性质仍不变。低分子的分子量一般是几十、几百，很少有几千以上的；而高分子的分子量则很少在几万以下，有的是几十万、几百万，甚至是“无穷大”。高分子不仅是分子量大，单单这样并不能表达出高分子的真正结构特征。高分子的结构特征是：以由结构相同的重复单位所组成的以长链为基础的化合物。所谓结构相同的重复单位，就是说高分子的一个分子是由许许多多结构相同的单元一个一个地以化学键连接组成的。所谓以长链为基础，就是说它可能是由一根一根个别的长链组成的，也可能是由若干根长链彼此间互相连接起来而组成的（也有一些高分子，其重复单位并不见得完全相同，这里暂不去讲它）。当然，组成高分子的这些重复单位，都是有规则地连接起来的。
高分子的长链究竟有多长呢？就一个中等的高分子，例如聚异丁烯橡胶分子来说，平均直径约为5埃（一埃为一千万分之一毫米，一毫米为千分之一米）而其平均长度约为25微米（一微米为千分之一毫米），即其长度约为直径的五万倍。按这样的比例，假如其直径为1毫米，则其长度约在50米左右。
如果高分子是由一根根个别的长链而组成的，就叫作线型高分子。如果在长链与长链之间还有一些短链把它们连结起来，就叫做体型高分子或网状高分子。不管是线型的或是体型的，它都是以结构相同的重复单位组成的，并且都以长链为基础的。
由于高分子具有这样的结构特征，所以它有一些性质与低分子截然不同。第一，一般低分子的形状可以认为是球形或椭圆球形的，因为它们的分子长度对直径的比例不大，二者很相近。这些球堆集在一起，球与球之间只有在接触点上才相互有些作用，力量也很微弱。因此，低分子几乎没有强度，不能作为结构材料来使用。例如我们所吃的盐和糖，就是球形的低分子堆集构成的，分子之间的作用力很小，所以强度就很差。高分子就不同了，在一个分子中可能有几万个或几十万个原子。由于一个分子是由这么多个原子构成的，分子与分子间作用力大就发生了强度。另外，分子是要运动的，在运动中就要互相碰撞。不难想像，像一根直径为1毫米、长为50米的细线，是不可能保持直线状态的，同样，在分子互相碰撞的情况下高分子链也不可能保持直线状态，它必然是蜷［quán］曲的。因此，我们可以想像，它们的分子和分子之间必然是互相纠缠在一起的。据此，我们可以说：高分子的分子间吸引力大，又是相互纠缠在一起的，因此它有强度，可以作为材料来使用。
第二，由于许多长链互相纠缠在一起，分子之间既可以相互吸引，又可以相互排斥，就像许多丝纠缠成一团一样，结果必然具有弹性。这是高分子的另一个特点。不管是线型或体型的高分子，它都具有弹性，最显著的就是橡胶。
第三，低分子化合物在受热之后，到一定的温度就可以完全熔化成为液体，即低分子有一定的熔点。可是，高分子在受热以后不是一下子就完全变成液体的，而是先经过一个软化的过程。这是因为，高分子是由许多条很长很长的链子构成的。当链的某一部分受热时，这一部分结构单位的运动量就要增加；可是由于高分子是不易传热的，除这一部分以外的其他结构单位则受热不多或甚至还未受热，这些部分的运动量就不大。因此，高分子不能一下子达到由固相转移为液相的变化。这就是高分子具有塑性的原因。
综上所述，我们也可以说：高分子是一种具有弹性和塑性而同时又具有强度的材料。弹性、塑性和强度这三项是高分子的基本的特点。此外，高分子还具有一些其他特性。例如，高分子具有良好的对电绝缘性能。这是因为高分子大都是有机化合物，分子中的化合键都是共价键，不能电离，不能传递电子。高分子对热也是绝缘的。这是因为它的分子是细长的，而且呈蜷曲状态，互相纠缠在一起，在受热之后不易振动起来，所以不易传热。同样，高分子对声也是“绝缘”的，这也是因为高分子的分子不易振动起来的缘故。
以上所谈都是高分子的物理性质。高分子的化学性质也是比较特别的。对低分子来说，只要某一种化学试剂能与它分子中的某一基团起化学反应，那么这种低分子化合物在这种试剂的作用下就要发生化学变化。但是，高分子的分子链是纠缠在一起的，许多分子链上的基团被包在里面了，因此纵然接触到能与它分子中的某一基团起反应的试剂时，只有露在外边的基团才比较容易地与试剂起反应，而被包围在里面的就不易发生变化。所以高分子的化学反应性能很差，对化学试剂都比较稳定。另外，高分子也是耐高能射线的，它对多种射线和中子流等的抵抗能力都比低分子强得多。这也是因为它的分子是互相纠缠在一起的。当受到高能射线的辐射时，它的表面可能发生分解，而内部却仍保持完好。根据以上所谈，可以明了高分子之所以和低分子在基本性质上有这许多差别，都是和高分子的基本结构有关的。
高分子的应用
高分子所包括的东西，从应用上来分类，主要有三类，就是通常所说的塑［sù］料、纤维和橡胶。此外，还有树脂、胶粘剂等等。
在工业、农业、日常生活、文体卫生等各方面，高分子都有很大的用处。
塑料主要有两大用途，一是作为结构材料，一是作为绝缘材料。绝缘材料对电器工业是绝对重要的。由于合成高分子具有良好的绝缘性能，用高分子作绝缘材料，马达的体积就大大缩小了。同样大小的马达，其功率就可比以前大大地提高。
在电讯方面，如远距离控制、远距离通讯等等，都需要高频绝缘材料。但是在自然界，天然的高频绝缘材料是很少的。如果没有高分子的出现，人们就不可能大量取得这种耐高频的绝缘材料。许多电子元件，没有绝缘材料是作不成的。
如果没有高分子，轧钢机的生产效能就不可能有今天那么大。用高分子作成的大型轧钢机的轴承，性能比青铜要好得多。这是因为高分子在合成以后，它的分子是蜷曲而杂乱的；而磨擦则可以把蜷曲的分子拉直，并使其排列得更加整齐，这样分子与分子之间的吸引力就增大了。因此经过磨擦的高分子不是被磨坏了，而是磨好了。合成纤维制品强度大而耐磨，不霉不烂，并且，它的生产周期短，产量也大。目前，正在进行关于直接把高分子作成薄膜制成衣服的研究。这种
“无纺布”的出现，必将引起纺织工业的革命。
在化学工业中腐蚀是一个严重的问题。随着高分子的发展，这个问题已逐渐获得解决。除了金属管道反应器等用高分子防腐以外，现在还用塑料制成管道和反应器等等，它们不仅能耐腐蚀，又有很好的强度。
大家都知道，生土的颗粒是松散的，水少了会漏掉，水多了又会板结，因而生土上长不出好庄稼，必定要年年加肥料，使生土渐渐变成熟土。土壤的改良需要一定的耕种时间。现在有一种高分子，加到生土中可以把生土变成熟土。它能使生土粉末互相粘结成有一定大小的颗粒，能保持水分和肥料，适于种植。苏联正在大力进行这项试验。
在医疗卫生方面，高分子的用处也很多。除了熟悉的假牙义眼等外，比如大血管断了，可以用塑料管接起来。肾脏坏了，可以用塑料作一个人工的来代替。还有用胶粘剂接骨的，二三天内就可以把骨头粘牢。甚至头骨坏了，也可以用塑料补好。
上面所列，只是几个比较大的方面。在新技术、尖端技术的领域中，高分子也能发挥重要的作用。
一、探空技术，对于人造卫星和宇宙飞船的结构材料来说，满足飞上去的要求一般问题不大。这是因为摩擦决定于火箭的速度和空气的密度，上去时火箭的速度虽然逐渐加快，而空气的密度却越来越稀薄了，所以摩擦生热的问题不那么严重。但是当由空间返回地球时，情况就不同了。尽管装在飞船上的自动控制系统能使速度变慢，但由于大气层越来越稠密，阻力越来越大，由摩擦所产生的温度就非常之高，估计总在三千度以上。什么材料能经受得起这样的高温呢？钢到一千几百度就熔化了，合金钢顶多能耐到二千度，陶瓷到二千多度也不行了，因此这些材料都不能用。如果飞船外边的材料是一层比较厚的体型高分子材料，那末在高温下尽管它的外层烧起来了，而且还要被一层一层地烧下去，但是由于它是热的绝缘体又不熔化，所以外面的温度即使高达几千度，而内部的温度却仍不会发生变化。此外，高速飞行的发动机，例如喷气涡轮，其温度也可以达到二三千度，所以它也不能用金属材料，也在试用高分子材料来制造。总之，在探空技术方面有许多问题都是需要用高分子材料来解决的。
二、和平利用原子能。用化学方法提取放射性的原料，成本贵，效果也不好，如果应用离子交换树脂去分离铀和钍［tǔ］等放射性原料，则效果很好。还可用离子交换树脂来除去废水里所含的放射性物质。对于放射性的防护，也需要利用很多高分子材料。
三、电子技术。高频绝缘材料必须使用高分子，没有高分子材料，遥控、遥测就不可能。只有在高分子绝缘材料出现之后，人们才造出了雷达。
四、半导体。用塑料制造半导体虽然还在试验研究中，但这是一个很好的方向。目前的半导体，一般都用锗和硅来制造。这些材料只能作成很小的元件。如果用高分子作成半导体，那么就可以得到很大的材料了。大的半导体材料具有很大意义。比如半导体具有光电效应，设想我们把有机半导体作成像漆一样的东西，在屋顶涂上一层，利用光电效应，就可把电引下来。这时，发电厂、输电线等等就都可以省去了。
高分子的发展前景
目前全世界的有机化学工业中，高分子的年产量居第二位，仅仅次于石油。当然，单纯从产量上来比较高分子和石油是不合适的，因为石油是生产出来后就烧掉了，而高分子材料生产出来后还要用一个相当长的时期，所以它的年产量也不一定非要达到石油那么高。
高分子材料的发展速度是非常迅速的。如果把资本主义国家1940年的产量作为1，那么1957年的产量为5．4（十七年间增长4．4倍）。如果把1950年的产量作为1，那么1957年即为2．1（七年间增长1．1倍）。
在最近十几年间，虽然航空事业和电器工业的发展对铝和铜的需要量大大增加，但是铝和铜的增长速度还没有高分子材料快。就铝而论，如果把1940年的产量作为1，那么1956年即为4．1；就铜而论，如果也把1940年的产量作为1，那么1956年只为1．3。其他有色金属如锌也仅增加半倍，铅则仅增加10％多些，锡甚至减少了。如果把有色金属的总产量和高分子材料作一比较，那就更可看出，有色金属的增长速度远远落在高分子的后边。由1940年到1956年的十六年间，有色金属仅增长零点六倍，而高分子材料由1940年到1957年的十七年间增长四点四倍。
作为材料来讲，体积是有效数字，重量不是主要的。如果再从体积上把塑料和有色金属作一比较，那就更可看出高分子材料的发展速度了。例如：在1940年资本主义国家生产的有色金属的总重量为六百四十五万吨，折合成体积约为九十二万立方米；在同一年塑料的重量为三十五万吨，体积约为二十六万立方米。这就是说，在1940年从重量上塑料仅相当于有色金属总产量的5．4％，而从体积上则相当于有色金属总产量的28％。可是到了1956年，情况就大变了。有色金属的年产总量为一千零四十三万吨，体积为一百九十万立方米。这时塑料年产重量为三百六十万吨，体积是二百六十七万立方米。从重量上塑料相当于有色金属总产量的35％，而从体积上则为有色金属总产量的137％，已经超过了有色金属。因此有人预计，十五年到二十年之后，高分子的总产量要超过一切金属冶炼量的总和，包括钢、铁在内。这也就是说，如果今天一个国家的力量是以钢铁产量来衡量的话，那么十五至二十年之后就要用高分子产量来衡量了。
高分子的材料增长得这样快，主要的原因是：高分子的品种多，性能好；生产不受资源和地区等自然条件的限制；加工方便，可以快速生产。
我国是一个六亿五千万人口的大国，我们需要生产多少高分子材料呢？根据一些资本主义国家的数字，1959年西德每人每年有十二点一公斤高分子材料，占世界第一位；美国每人每年十一公斤，占世界第二位；瑞典九点七公斤，占第三位；丹麦八点四公斤；英国七点五公斤。我国每人每年恐怕至少也要十公斤左右才够用。按六亿五千万人口计算，这就要每年生产六百五十万吨高分子材料，这差不多等于资本主义国家1957年全部产量的四分之三。这是摆在我们面前的一个光荣而艰巨的任务。