突出的导电性是科学家对聚乙炔的性能展开了全面的测定的结果。材料的导电性能常用它的电阻率的倒数——电导率来表示,单位是西门子/厘米。电导率越大,电阻率越小,导电性能就越强。高分子材料通常都是很好的绝缘材料,因此电导率很小,在10-18~10-12西门子/厘米。白川教授他们制成的聚乙炔,电导率为10-10西门子/厘米,比一般高分子材料高了2~8个数量级。导电性的提高加上材料易成型,使得聚乙炔一下子成了材料科学家的“宠儿”。
在白川英树教授成功之后,他深深意识到:个人的力量是很有限的,而且仅仅依靠化学家的力量是不足以解决许多边缘问题。胸襟开阔白川教授,对自己的工作毫不保密,他公开声明欢迎各行各业的科学家与自己合作。白川教授的实验成果引起了美国宾夕法尼亚大学的物理教授麦克第阿密特的巨大兴趣,在仔细参观了白川的实验室后,决定与他携手共同开展对聚乙炔的进一步研究。
先前麦克第阿密特教授主要从事单晶硅的掺杂工作。众所周知,单晶硅本身并没有半导体性质,只有掺入某种元素以后才能制成半导体晶体管。这叫做掺杂。麦克第阿密特教授带领他的工作小组,展开了对聚乙炔的掺杂研究。他们进行了选择合适的掺杂剂,寻找掺杂的最佳条件,确定掺杂工艺等一系列艰难的工作,终于在1977年得到了研究成果:用白川方法制成的聚乙炔薄膜,经碘掺杂后,电导率达到了102西门子/厘米。这就是说,将原先聚乙炔的电导率提高了12个数量级。这是多么了不起的进展!宾夕法尼亚大学聚乙炔研究小组的工作已尽善尽美,用掺杂法提高聚乙炔的电导率也几乎走到了尽头。然而102西门子/厘米仅仅使聚乙炔进入半导体范围,还有更漫长的需要我们去走。
“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村。”纳塔、白川这些高分子化学家无法解决的问题,由物理学家麦克第阿密特等人接过来解决了;现在他们又面临新的挑战,于是又有高分子物理学家和高分子材料专家来接手。其中就包括前联邦德国的纳尔曼教授。
纳尔曼教授用白川催化体系获得聚乙烯后,马上对其进行特殊的熟化和拉伸取向处理,将处理好的聚乙炔薄膜再用宾夕法尼亚大学研究小组的办法掺杂,结果使这种材料的电导率提高到了1.2×105~1.7×105西门子/厘米,又提高了3个数量级,又是一个了不起的进展,从而使聚乙烯进入导体的行列。报道这项工作成就时已到了1987年,为了这小小的3个数量级,科学家们又花了10年时间。在金属中,金和银是最佳导体,而广泛应用的是居第三位的铜,它在室温时的电导率为5.5×105西门子/厘米。纳尔曼的聚乙炔其导电能力已与铜相近了,而且它在空气中能很稳定地存在。
还不仅如此,随后科学家黑格,改进了纳尔曼的方法,并用他们改进了的方法研制成功了电导率竟高达2×106西门子/厘米的聚乙炔,这种导电塑料的导电能力已然超过了铜。
纳尔曼教授从1958年开始研究导电塑料,到1987年成功,整整经过了30年的努力。然而,聚乙炔只是导电塑料的一种。这些年来,对其他导电塑料的研究也有许多成就,每年发表的有关论文达数百篇。据资料显示单是美国,在这几年的美国物理学会和美国化学学会的年会论文中,有近一半是关于导电高分子材料的。研制成功的导电塑料有:聚苯胺、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚对苯乙炔、聚对亚苯基等。
除了在开发品种上的进展外,导电聚合物的研究还在导电机制上、导电聚合物的应用、超导聚合物等方面取得了喜人的进展。现在就让我们去看一下聚合物在应用方面已有的一些成功例子。
导电聚乙炔的吸收光谱与照到地面上的太阳光十分相似,也就是说,导电聚乙炔能把太阳光中几乎所有的能量都吸收下来,因此是做太阳能电池的理想材料。
导电聚合物由于掺杂、脱杂,会发生从绝缘体到导电体之间的不同相变化,这种变化同时带来吸收光谱的变化,聚合物的颜色也就发生变化,所以用来做电致变色显示元件是很理想的。
透明的导电聚合物已成为透明导电膜的首选材料。我国访问学者曹镛参与的希格尔小组,已用某种导电聚合物制成了发光二极管。美国军界已把导电聚合物用于隐身飞机。
此外,导电聚合物还在传感器、电磁屏蔽、催化等方面作出了贡献。
我们科学工作者们正带着饱满的热情、坚毅的态度、十足的信心,积极的进行着导电聚合物研究。新的世纪里,导电聚合物研究定会有突破性的进展,超导型导电聚合物也有成功的希望。导电聚合物为全人类造福的日子,已经来临了。
高分子流体
由于气体和液体没有固定的形状,在外力作用下会发生流动,所以我们常将它们合称为流体。流动是我们日常生活中司空见惯的现象,但不知你是否知道,有些液体的流动现象十分怪异。当我们用棒快速搅动杯中的水时,会发现水将沿杯壁上升,而棒周围的水面则下降。但如果同样搅动某些高分子溶液或熔体时,情况却恰恰相反:这些溶液或熔体会沿着棒往上爬,棒转得越快,爬得越高。这就是1948年由韦森堡发现的高分子的“爬杆效应”,又称“韦森堡效应”。
泥浆是地质钻探中必不可少的东西,它可以冷却钻头的温度。美国物理化学家宾汉姆发现如果输出泥浆用的泵力量较小,尽管泥浆是液体,也不会从泵口流出,就好像泵被堵塞住了一样。一旦泵达到一定力量时,泥浆便会突然地倾泻出来。除了泥浆之外,还有一些流体也具有这种性质。这类流体被称为“宾汉姆流体”。
在塑料和橡胶的挤出加工或纤维的拉丝生产中,人们发现,无论流出口设计成什么形状,流出产品的出口尺寸均会比这流出口的尺寸大,但长度却缩短了,仿佛它们能记住出口前在容器中的形状,并在离开出口后要努力予以恢复似的。人们把这种现象称为“弹性记忆效应”。
科学家汤姆斯发现,若在水中加入极少量的某些高分子物质,仅为水量的百万分之几,则水的流动阻力会下降75%,输送水管的出水率会因此一下子提高好几倍。若把这种含高分子的水注入油层的岩隙,可使石油的产量提高20%~50%。这种现象称为“汤姆斯效应”。
早在古代就有人对液体的流动进行观察和利用。据我国2000多年前的《墨经》记载,我们的祖先把陶瓷制成漏斗,灌入沙或水,用流出的沙或水的量来计时,这种“陶钟”的精度竟可同现代的钟表相媲美。
无独有偶,有着7000年文明的埃及人在公元1500年前制造的“水钟”,不仅可以测量容器中水层高度与时间的关系,还可测定温度对水流粘度的影响,堪称一绝。各种液体在流动时还有许多其他奇怪的现象,如无管虹吸、挤出畸变等等。于是,一门专门研究材料流动与变形的学科——流变学产生了。高分子流体作为一种很重要的一类材料,在高分子材料技术研究中,十分活跃。
最早深入研究物质流动和变形之间规律的人是17世纪英国伟大的科学家牛顿。他发表的著名的牛顿流体定律就是对水流的研究。该定律用数学公式表达了流体的流动阻力和切变速率之间的关系。式中的比例系数称为流体的粘度,其单位被定名为“泊”,以纪念对流变学有重大贡献的法国科学家泊肃叶。
牛顿流体学的研究对象是水或气体等小分子流体,牛顿流体定律中的比例系数即粘度是一个不变的常数。这类流体称为“牛顿流体”。随着现代科学技术的发展,出现了大量新型的流体,若套用牛顿流体公式,将发现它们的粘度不再是一个不变的常数,人们将这类流体称为“非牛顿流体”。
对非牛顿流体的深入研究大大推动了流变学的发展,也提高了物质生产的水平。例如,我们在油漆家具或粉刷墙面时,当然希望涂层越均匀越平整越好。但在垂直面上要做到这一点却并不容易。其实,油漆和涂料就是非牛顿流体,它们的粘度是可变的。我们选定油漆、涂料的配方时,可要求配成的油漆或涂料在涂刷时粘度(阻力)很小,而一旦刷子停刷,粘度又变得很大,不会自行下流。这样,就可做到既涂刷省力又质量上乘。油漆与涂料的这种特性,用术语就称为“触变性”。也就是说,这种非牛顿流体当有外力的作用时粘度很小,没有外力时又变得很大,具有这种流变性能的流体称为“剪切变稀流体”。相反,在塑料、橡胶、皮革、纤维及食品等工业中,不少流体在流动中随外力的增大,粘度随之增大。这类流体称为“剪切增稠流体”。
宾汉姆流体也属于非牛顿流体的一种,但又与牛顿流体有相似之处:当施加的外力超过一定值后,宾汉姆流体从不流动变成像牛顿流体一样流动,粘度不再变化。究其微观原因,宾汉姆流体具有一种胶状结构,颗粒间相互连结。若外力不能破坏这种连结,它就不流动;而一旦破坏了,颗粒就像小分子一样欢畅地流动起来。
让我们再回来看看韦森堡发现的爬竿现象。高分子液体或熔体在旋转时会沿中心杆向上爬。如果将高分子流体置于两个转动的平板中间,它又会把两块平板分别向上、向下推挤。
如果把高分子流体放在一个圆锥板粘度计中,流体向上爬的高度随位置的不同而不同,越近中心爬得越高。原来,这些高分子流体不仅具有粘性,而且具有弹性。它们在流动时不仅有切向应力(沿流动方向),还会产生法向应力(垂直于流动方向)。流体的弹性成分越大,其法向应力就越大,也就能往竿上爬得越高。不同的高分子流体,由于它们的分子量、分子量分布,以及流动速度不一样,弹性就不一样,爬竿的能力也就不一样。
过去的电线上面总是穿着一层纱包线,过程复杂、成本高、效果还不太好;韦森堡效应被发现后,人们利用它让赤裸的电线直接包裹上塑料,廉价、方便、安全、耐用。
在进行塑料挤出成型、橡胶拉片、纤维拉丝时出现的弹性记忆效应,是什么原因造成的呢?其实,高分子溶液或熔体的分子一般都是长链分子,由于它们的长度比它们的直径大得多,通常就像线团那样一团一团地蜷曲着。然而当这些完全不规则的胖胖的线团不得不通过模具的小孔时,由于体积不能变化,故只得把自己拉长(分子链被迫拉伸);而一旦冲过模孔,它们便努力恢复自己原来自由松散的状态。武侠小说家领悟这一点可能比较深刻,在他们的作品中常有高手使用“缩骨功”,得以穿过本来无法与人身体相适应的孔洞,过后又重新恢复正常一样。
高分子流体的这种弹性恢复一般在0.02秒里就能完成。现代的科学手段进一步证实,它与法向应力之间也存在一定的关系。有了这些科学理论根据,人们就能更准确地制造高分子产品,把它们的尺寸控制在我们所要求的范围之中。
目前,流变学已在现代机械制造、冶金、地质勘探、化工生产、新材料设计等多个领域中起着指导作用。不过,新问题新现象也在不断涌现,比如有的高分子溶液会自动地爬上容器壁而流淌出去,气泡通过高分子溶液或熔体时会变成扁形、椭圆形等无法理解的形状。
流变学研究领域中,还有许许多多的谜等待着我们去揭开。随着流变学不断地向前发展,也将不断地指导有关的工业部门生产出最优质的产品。我们可以相信流变学的明天肯定是灿烂的绚丽多彩的。
合成纤维的功用
《圣经》中记载了很多美丽的故事,其中就包括人类的老祖先亚当和夏娃在恶魔的引诱下偷吃伊甸园善恶果之事。亚当和夏娃偷吃禁果之后,羞耻之心油然而生,不过他们只能用无花果叶子编成裙子,遮盖赤裸的身体。这个神话故事说明了这样一个道理:衣服不仅是人类抵御寒冷、保护身体的工具,更是人类文明进步的标志。
以前,人类用棉花、羊毛、麻、丝这些天然纤维来纺纱织布,缝制衣服,这同亚当和夏娃用无花果叶子来遮体在本质上是一回事,用的都是大自然的现成材料。
合成纤维诞生后,一度风靡世界,曾经人们以穿一身尼龙衣服来显示身价。不过到1960年世界总人口达到30亿时,合成纤维却仅仅占所有生产生活用纤维的4%,人们织布制衣依然主要依靠天然纤维。
不过到1990年,全世界合成纤维所占的百分比已达到了45%。当时世界人口猛增至53亿,而棉田和牧场的面积却无法再增加,纤维作物的产量也已经达到了最大值,人们的衣着再也无法仅仅依靠天然纤维去满足了。由此,社会的需要使的合成纤维工业得到了迅猛的发展。据统计,到2000年,世界人口将达到64亿,人均纤维的消费量大幅度增加,天然纤维远远不能满足人类的需求的,唯一的出路是合成纤维。
今天的布店里,到处写的都是“涤纶”、“腈纶”、“锦纶”、“丙纶”等人们十分熟悉的名字。在高分子行业中,有专门的名词命名这些合成纤维,但到了纺织行业及人们日常生活的方便和通俗易懂,一律把各种合成纤维称为“纶”。如今,以上述四大“纶”为主,在加上许多新成员,牢牢占据着衣料市场。它们可以满足人们对衣着的质量、数量、品种等各方面的要求。
被公认为最主要品种的合成纤维是涤纶,它是用聚对苯二甲酸乙二醇酯纺丝织成的。从诞生至今,涤纶在质量、使用性能、使用范围等方面都大有发展。就拿涤纶真丝来说,第一代产品仅仅在外观上同真丝质地十分相似;第二代产品则进一步在染色性、覆盖性、悬垂性等方面有了很大的提高;第三代,在颜色和手感上几可乱真;到了第四代产品,直接从结构和性能上着手改进,吸湿性和穿着舒适性已同真丝一样,而强度却远远高于真丝。
第二大合成纤维是腈纶,它耐酸、氧化剂和一般有机溶剂,但不耐碱。它的制成品蓬松性好、保暖性好、手感柔软、有良好的耐气候性和防霉、防蛀性能。它的保暖性比羊毛高15%左右。腈纶可与羊毛混纺,产品大多用于民用方面,如毛线、毛毯、针织运动服、蓬布、窗帘、人造毛皮、长毛绒等。腈纶还是高科技产品——碳纤维的原料。
纺织业中将由聚酰胺纺出的丝称为锦纶。纺织业中用的主要是尼龙6和尼龙66。锦纶的用途广泛,因为它的强度高,宜于织成袜子,不仅在20世纪70年代流行的“锦纶袜”,当今女性们爱穿的丝袜也全是它制得的。还有家家户户少不了的尼龙绳,细细一根,却能挂很重的东西而不怕断。还有一类叫丙纶,是由聚丙烯纺丝而得到的,虽发展较晚,却异军突起。它原料易得,性能优异,有着很广阔的前景。
除了这四大类“纶”之外,还有维尼纶、氯纶、乙纶等。所有这些合成纤维布的生产都需要纺织机,所以人们也称它们为“化纤布”。