塑料知识简介

第一节　塑料知识简介

一、塑料发展简史

1846年瑞士的巴塞尔大学化学教授舍拜恩偶然在厨房里发现了第一种有实用价值的硝酸纤维素塑料，1907年比利时籍的美国化学家贝克兰德第一次人工合成酚醛树脂。自此以后，化学家经历了近半个世纪关于聚合物性质的争论。1929年德国化学家施陶丁格制得了聚苯乙烯，并测出其分子量高达6万，为现代高分子科学奠定了基础，人类迈进了材料科学的一个新时代。随后是一连串的新发明：1933年，英国帝国化学公司的超高压反应基础研究小组的福西特和吉布森得到聚乙烯；1935年2月哈佛大学的卡洛泽斯在杜邦公司制成了尼龙66；1936年，德国的罗姆－哈斯公司首先在飞机上应用有机玻璃聚丙烯酸酯；1938年，美国俄亥俄州立大学的化学博士普鲁姆凯特制得了塑料之王——聚四氟乙烯；1945年，美国化学家罗桥在普通电化学实验中制得有机硅烷，它成为生产硅油及硅橡胶的材料。下一个该领域最重要的发明是德国化学家齐格勒的常压乙烯聚合方法。1953年他在研究有机金属化合物与乙烯的反应时，提出了四氯化钛和三乙基铝组成的二元催化剂体系，以此可以顺利制得聚乙烯，开创了塑料工业的又一个黄金时代。常压合成氨的研究从1913年以来的90多年未见突破，比较起来，齐格勒的成功的确是很了不起的。过去需要1×10⁵千帕以上的压力才能使乙烯聚合，如今在常压下就能实现，这使得聚乙烯成为世界上产量最大的塑料。稍后，意大利米兰工学院的化学家纳塔在齐格勒工作的启发下，利用三氯化钛和三乙基铝做催化剂，成功地制得了聚丙烯，聚丙烯无毒而耐热，用途广泛。继1953年施陶丁格获得诺贝尔奖后，1963年齐格勒和纳塔又一起获此殊荣。

从20世纪60年代以来，塑料正以其优异性能逐步替代金属、木材、陶瓷、玻璃甚至棉麻等久已使用的材料。它弥补了大多数金属材料笨重、钢铁锈蚀、木材腐烂、陶瓷性脆、玻璃易碎、棉麻不耐磨的缺陷，同时赋予制品许多新的强化特征，从而在工农业、国防建设和日常生活的各个领域大显身手。

继19世纪制出赛璐珞（硝酸纤维素，主要用于生产乒乓球）、赛璐玢（醋酸纤维素，主要用于制造胶片）等以天然纤维素改性为基础的塑料后，20世纪初，人们以酚醛塑料这第一种人工合成的高聚物为新的起点，开发了这一新材料的多方面应用。迄今酚醛树脂以其轻便、足够的强度和硬度、质地紧密等特点用做电器插头、电闸、旋钮等绝缘器件和各种仪表的外壳。

目前产量最大的塑料是聚乙烯，起初是用高温（170℃～180℃）、高压（10⁵千帕）得到的，其常压大量生产是齐格勒的杰作。

随生产工艺的不同，聚乙烯的品种也不同，主要可分为三种：高密度、低密度和线型低密度，这是由于聚合物分子中存在不同长度的支链。聚乙烯的应用范围非常广泛，主要用做薄膜、容器、管板材、绝缘材料。用它纺制成的合成纤维称为乙纶，耐酸碱腐蚀，可制渔网和防弹背心。其类似物主要有聚丙烯、聚氯乙烯。聚丙烯的熔点达167℃，比聚乙烯高，可用水蒸气消毒，所以适于制作医疗器械；其强度高，是做捆扎用绳的主要材料；它无毒耐热，是生产快餐盒的上品。聚丙烯纤维商品称为丙纶，多用于编织地毯。聚氯乙烯一般可分硬质和软质两大类：前者在加工过程中不加增塑剂，质硬，软化温度为80℃～85℃；后者则在加工时加入大量增塑剂（如磷酸三甲酚酯），柔软、富有弹性、透光性极佳，可在较低温度下加工。硬质品可制硬管、板材如门窗等建筑材料；软质品适于做农膜、包装袋、充气玩具、雨衣、商标、涂层（如塑料封皮）等，其纤维商品称为氯纶，易于摩擦起电，制成内衣对关节炎症有抑制效果。

二、塑料的品种

按应用类型来介绍塑料，其中质地最轻的材料是泡沫塑料，强度最高的是工程塑料，还有耐腐蚀的塑料之王聚四氟乙烯，耐磨冠军尼龙66，以及有机玻璃、合成橡胶、功能高分子等。

泡沫塑料（简称泡塑）是由大量气泡分散于固体塑料中形成的一类高分子材料，具有质轻、隔热、吸音、减震等特性，是在塑料加工过程中引入气体制成的。虽然各种塑料均可做泡塑的基质，但它目前主要用聚氨酯、聚苯乙烯和聚氯乙烯制得。

聚氨酯泡塑强度好、刚性高，抗压、抗湿，绝缘性能优良，并能透过雷达射线，适宜做雷达罩，也适于做船舶、车辆、冷藏库的隔热壳以及包装填料。聚苯乙烯泡塑产量仅次于聚氨酯泡塑，轻便、柔软，成型性尤佳，特别适于做家电、仪表及各种易碎物的包装材料，还可制作金属铸造用的模具。泡塑憎水、浮力大，可建造浮桥，便于应急时使用，还可用于打捞沉船。用聚氯乙烯做的泡沫人造革，花纹与手感近似真皮，适于做沙发、汽车、火车客车坐椅的椅面，其回弹性好，可替代弹簧。

工程塑料指高强度的结构材料高聚物，主要品种有聚酰胺（即尼龙）、聚碳酸酯、聚甲醛等。它们的特点是：密度小，为钢铁的1/4，有利于全面减轻车辆和飞行器的重量；具有自润滑性，耐磨；抗冲击、抗疲劳性能优良。工程塑料代替钢铁和其他金属的潜力巨大，例如尼龙齿轮，减震、消声；各种聚酯板材可代替钢板，制汽车、火车、飞机的外壳；聚碳酸酯透明度达85%～90%，可用于制造超音速飞机的风挡和座舱罩。

为了寻找能代替不锈钢的高度耐腐蚀的高分子化合物，人们终于制得了聚四氟乙烯。

除熔融的碱金属外，它几乎不受任何化学试剂的侵蚀；它不吸潮、不着火，耐热性特别好，热至300℃仍不变形。这些优异性能使它得到了塑料之王的美称。它的耐腐蚀性能远优于不锈钢，用聚四氟乙烯精馏塔生产单晶硅，纯度比用不锈钢塔提高100多倍。利用聚四氟乙烯的突出的非黏性，即表面光滑、不黏附其他物质的性质，可制造“不粘锅”炊具、雪橇及滑雪板等运动器材，其类似用途还在不断扩大。

聚酰胺系用己二胺和己二酸缩合聚合而得，俗名为尼龙66，化学式为：

－HN－（CH₂）₆－NH－OC－（CH₂）₆－CO－

上式表示己二胺和己二酸中均有6个碳原子。聚酰胺的商品名为锦纶，亦称耐纶，是世界上第一种合成纤维，是高分子化学中的一项重大发明。它的特点是耐磨性极佳，比棉花高10倍，比羊毛高20倍。人们首先用它来制造袜子。1939年10月24日杜邦公司推出首批尼龙丝袜，这种袜子既薄且轻又非常结实，立即风靡全球，经久不衰。二战中降落伞、军用背包绳的大量需求，进一步刺激了它的生产，并为整个合成纤维工业奠定了坚实的基础。

另一重要品种是涤纶，俗称的确良，学名是聚对苯二甲酸乙二酯：

主要用于衣着和室内装饰，还用于制造轮胎的帘子线、工业绳索、传动带、渔网等。

下一种有趣的合成纤维是聚丙烯腈：

俗称腈纶或奥纶，蓬松卷曲，酷似羊毛，故又称合成羊毛。与前述锦、涤、腈合称四大纶的维纶，学名是聚乙烯醇：

吸湿性和透气性均好，宜做服装，国际商品名为维尼纶。合成纤维是一大家族，丙纶即其新秀，其相对密度最小（0.91），用做飞机上的毛毯、宇航员的衣服，可减轻升空重量。

高分子透明材料作为玻璃的代用品有巨大的市场潜力，其中的聚甲基丙烯酸甲酯化学式为：

俗称有机玻璃，首先用于取代赛璐珞塑料做飞机座舱罩和风挡玻璃。其耐冲击强度比无机玻璃高7～18倍，且韧性好，用钉穿透时不裂，被子弹击穿后不碎，故可做防弹玻璃。它的透光性好、化学性质稳定、无毒，可制成人工角膜并已普遍用于临床。

随着汽车和飞机以及摩托和自行车的产量日增，轮胎市场日益繁荣。自20世纪初人工合成橡胶就实现工业化了，主要有丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶等，用于制造轮胎、胶管、垫片、胶粘剂、耐油垫圈，是汽车、航空、石油工业中不可缺少的弹性材料，还可用于水利设施，简便、快速、实用。

除了上述通用高分子材料外，人们还发展了以有机硅聚合物为基础的有特殊用途的新物质：如人工心脏、人工膀胱及其他人工器官、隐形眼镜、牙科物料等高分子生物材料；用硅橡胶做成的宇航服，经硅油整理过的潜水衣、雨衣等防水服；耐低温的有机硅密封垫、润滑剂等。这类聚合物最初是在普通化学实验中将硅－铜合金与有机氯化物反应制得的：