化学与新材料

化学与新材料材料的发现、发展和作用是人类文明的标志，从远古的石器时代、青铜器时代到近代的铁器时代，新材料在人类文明进程中都扮演了重要的角色，特别是近代科学的诞生，大大促进了材料科学与技术的发展，现代化的建设，一靠材料，二靠能源，三靠信息。而能源又离不开材料，不仅是能源本身需要材料，而且能源的利用也需要材料。一、无机非金属材料在化工、国防领域的突出贡献。硅材料就是这样一种至关重要的材料。原先的硅材料指的是砖瓦、日用陶瓷、窗玻璃、建筑水泥等传统的硅酸盐材料。可是到了今天的硅酸盐，其含义已发展成为广义的硅酸盐，包括了单一元素的无机非金属材料，也包括了无机化合物材料，又包括了无机盐类材料，以及复合盐类材料，如锆、钛酸盐、铌钽酸盐等。它们的组成、结构与性能诸方面，特别是在用途方面，与传统的硅酸盐材料大不相同，成为新型硅酸盐材料。为了便于区别，新型硅酸盐材料又称无机材料。硅酸盐材料的应用行业涵盖了矿物、化工、食品医药、轻工、农业、新材料建筑、冶金等，涉及粉体颗粒加工设备、过滤分离、干燥、运输系统、测试计量仪器等。在我们的日常生活中，经常接触到一些硅酸材料，陶瓷就是其中之一。紧接着我们把目光拉向不容忽视的新生军——碳纳米材料。碳纳米管的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，与高分子材料复合时，会形成完整的结合界面，得到性能优异的复合材料，表现出极好的强度、弹性、抗疲劳性、抗静电性、吸收微波性等优异性能。碳纳米管复合材料的优异性能可使其广泛应用于塑料、电磁屏蔽材料、合成纤维等诸多行业。基于碳纳米管的优良力学性能可以将其作为结构复合材料的增强剂。初步研究表明，环氧树脂和碳纳米管之间可以形成数百兆帕的界面强度。也可作为金属的增强材料来提高金属的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性等。在适当的淬火工艺下，碳纳米管复合材料的硬度可达到HRC65，比相同工艺下的普通铁碳合金的硬度高出5~10HRC。在高分子材料中只要加入少量的碳纳米管，其电阻将会降低3个数量级以上，使其具有抗静电功能。因而，碳纳米管可用于静电消除材料。碳纳米管用于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电喷涂材料。且碳纳米管有较大的长径比，在塑料熔体中有相互缠结成三维网络结构的趋势，用量在质量分数约2%时，塑料具有良好的导电性，因而不会影响塑料的模塑性、强度和表面光洁度及其它性能。目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料取代原用的工程塑料，简化了制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件。碳纳米管具有较强的宽带微波吸收性能、重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等优点，因而它是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。由于碳纳米管的纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，所以纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用。另外，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用，可用于隐形飞机等电子武器装备。另外，碳纳米管经化学修饰后与聚合物共混纺制的纳米管复合纤维不仅具有导电性和抗静电性，而且其强度和模量远高于现有的合成纤维，可应用于刀枪不入的防弹背心和装甲。二、化学与生物技术日益密切的联系现在还有一种新型陶瓷叫生物陶瓷它是指与生物体或生物化学有关的一类陶瓷。它包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接和生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。植入陶瓷又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和穿皮接头等。植入陶瓷必须具有以下特征：一要与生物体的亲和性好，即植入的陶瓷被侵蚀分解的产物无毒，不使生物细胞发生变异坏死，不会引起炎症生长肉芽等；二要在体内有长期功能，且可靠性高，即在10~20年的长期使用中，不会降低强度，不发生表面变质，对生物体无致癌作用等；三要易于在短期内成形加工；四要容易灭菌。陶瓷不同于金属，它具有强共价键性质，即使在生物体内苛刻的化学条件下，也具有良好的化学稳定性，排异反应迟缓，具备长期使用的机械性质。与有机高分子材料相比，生物体陶瓷耐热性好，便于进行高压灭菌。生物工艺学陶瓷主要应用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。多孔玻璃用作固定酶的载体；多孔陶瓷可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯，还可用于处理生活用水。总之，随着人类社会和科学技术的发展，新型的无机材料将会有更为广泛的用途，也会有更多的品种有待被我们开发。三、化学新材料在航天领域的广阔前景推进剂是能使推进装置产生推动力的物质。常用的推进剂有化学推进剂，核能推进剂，电能推进剂和太阳能推进剂。它们分别利用化学能，核能，电能或太阳能加热、加速工质液体，使其高速排出，产生使飞行器上天的推动力。化学推进剂是为火箭发动机提供能源和工质的化学制剂，通常含可燃物和氧化剂。可燃物在发动机燃烧室内燃烧，放出化学能。燃烧后产生的高温、高压气体通过喷管喷出，产生反作用力推动飞行器上天。化学推进剂分成液体推进剂、固体推进剂、混合推进剂、胶体推进剂。例如：煤油/液O、液H/液O、偏二甲肼/四氧化二氮为液体推进剂。聚硫橡胶/高氯酸铵、端羧基聚丁二烯/高氯酸铵/铝粉为固体推进剂。目前，国内外火箭、导弹都以固体或液体化学推进剂为动力，但它们各有优缺点。固体推进剂无需贮箱和输送系统，燃料和氧化剂混合后贮放在燃烧室内，点火即燃，一次用完。液体推进剂分别放在氧化剂箱和燃料箱内，工作时由输送系统送入燃烧室，输送速度可调节。固体推进剂密度大，易贮存和运输，使用维护方便，但固体推进剂比冲比冲是单位质量1000g推进燃烧所产生的冲量，是火箭发动机的推力与推进剂单位时间质量消耗量之比。冲量是发动机推力对工作时间的积分值，因此发动机冲量决定于推力大小和工作时间的长短，是综合评定火箭发动机性能的重要参数之一。它直接影响导弹或火箭的有效载荷和飞行距离低，且不能调节燃速，不能多次启用。液体推进剂比冲高，能在导弹飞行过程中调节推力，能多次启用，但液体推进剂密度小，易燃，易爆，有毒，安全性低。掺加胶凝剂的胶体推进剂则兼具液体推进剂和固体推进剂的优点，又克服了它们的缺点，是一类值得推荐的、未来航天器所用的优良推进剂。因此，我们不妨大胆地想象一下这种胶体推进剂的原理及其优越特殊的性能：胶体推进剂是直径为10～10m的胶体粒子或大分子分散在液体推进剂中所形成的特殊分散体系。在液体可燃物或氧化物中掺加胶凝剂可制成各种胶体推进剂。把气态甲烷、乙烷等烷烃与氮气混合，通入液氢中，烷烃凝成固体，分散在液氢中形成胶氢。把铝粉、碳粉或二氧化硅粉等掺入液体和固体火箭液氢可制得金属化胶氢。胶体推进剂是热力学不稳定的多分散体系，长期贮存易分层。选择合适的胶凝剂，按一定比例加入所制得的胶体推进剂具有触变性。四、化学新材料使生活更美好在德国杜塞尔多夫举行的第17届国际橡塑商品展（K展）上，拜耳材料科技公司以“实现愿景―今日和明朝”的口号亮相。占地面积超过1000平米的展位上，展示了该公司多项创新研发成果，以聚氨酯、聚碳酸酯、热塑性聚氨酯、涂料、黏合剂和密封剂为原料制成的120多件展品令观众目不暇接，使人不由得感叹：不断涌现的化学新材料正使生活变得更美好。在兰色光调的“今日馆”，各种新产品使参观者大饱眼福。最大的聚碳酸酯汽车部件新款smartfortwo的车顶模件，表面积为1.2平方米。随着油价的不断上涨，以及环境保护意识的提高，汽车制造商需要构造轻巧、功能性强且易于设计的汽车车身部件。拜耳的这款高品质车顶模件的外表面，由透明聚碳酸酯模克隆制成。较之使用钢板和玻璃材料的同类设计，重量可降低40%左右。对已成为汽车制造第三大国的中国来说，车顶模块和其它透明部件采用聚碳酸酯的设计，具有广阔的应用前景。用于高速铁路的聚氨酯泡沫材料轨道系统它由德国Frenzel-Bau集团研制，由拜耳材料科技与亨内基股份公司合作开发而成，被称为未来铁路轨道建设革命性的变化。这一创新系统完全填实了碎石道渣间的缝隙，避免了铁路车辆产生的动力所造成的常见碎石道渣移位现象，也避免了因道渣移位产生的铁轨磨损，铁路附近的居民可免受车轮滚动所产生的噪音侵扰。介绍者说，这种铁轨系统具有非凡的降噪性能和较长的使用寿命，中国未来开建的多条高速铁路，可以采纳这一系统。来自可再生资源的聚氨酯原材料，拜耳材料科技已开发并大规模生产用于硬质和黏弹性体聚氨酯泡沫材料的可再生原材料，这些可再生材料的含量，已超过产品总重量的70%。拜耳材料科技用植物油开发了多元醇产品，并具有良好的特性，使用这些产品配制而成的泡沫材料，具有与传统产品相当甚至更好的性能。记者看到，展示的获A+级能源效率的海尔高端电冰箱、仿森林地毯等家用产品，都应用了由拜耳开发的新型含有多元醇成分的冷固化泡沫塑料。用聚碳酸酯材料制造的高清晰格式数据存储器：全球媒体对于日渐增多的数字数据的存储需求不断增长，特别是在电视机技术领域，高清晰格式的推出刺激了对存储新材料的需求。美国新兴企业InPhase和拜耳材料科技正在合作开发能永久存储全息数据的材料，其全息数据存储系统用于永久存档数据。这种数据存储器比一张普通光盘大1厘米，但它的数据载体具有300G存储容量。据介绍，此产品预计将很快投入生产，并投放市场。电致发光新型薄膜：在一个20平方米的暗房内，参观者可以看到演示的五颜六色、各种形状的发光体。这些是用聚碳酸酯作为基料、加入荧光粉及其它添加剂制成，在通电后薄膜会根据荧光材料的性能发出各种暗光。电至发光薄膜发光时不产生热量，且具有设计的广泛自由度。它由拜耳的一家子公司负责开发、生产，可以将薄膜注塑成各种形状，因而创造出无数设计的可能。最大的潜力市场之一是汽车业，是汽车内饰不可或缺的材料。针对某些区域地震频发，我们还可以在聚氨酯原材料中加入增强材料，用于建筑。这样密度小的房子即便倒塌也伤亡很小，还方便搬运与救援。化学新材料还有更大的开发及利用空间。化学一直在推动着人类社会的发展，在历史中功不可没。举个简单的例子来说，在有机化学初步建立的时期，科学家们都以为所谓的有机物就是含碳化合物，并且只能从生物体中提取出来，科学家们也都信以为真，认为有机物一定是在天然动植物的体内提取的，那是一种“生命力”，一定是实验室里无法合成的。尽管没有人能证明这个猜想，但这个错误的观念还是延续了很长一段时间。然而在1828年，德国化学家弗里德里希维勒，成功的在实验室里合成了尿素。从此，生命力学说也告一段落，科学家们开始全力以赴，向更深层次的有机化学领域进行探究。从中得到很大启发：不能直接得到的物质，可以通过化学反应得到，利用几种物质的优越性质加以合成，合成的物质是全部优越性质的集中体现。这就相当于烃基亲油，羧酸根离子与钠离子结合可以亲水，这样一头是烃基，一头是羧酸根和钠离子的物质遇到油时，一头的烃基就会立即把油包起来，聚成团状，外部伸着许许多多的羧酸钠盐的一头，它们亲水。于是就将油分散成一小部分和一小部分，形成小颗粒的乳浊液被洗去。设想一些人们在很早以前就设想的具有某种优越性能的物质，现在要把它们通过化学途径去研究并合成，是完全可以实现的。新材料。这正是21世纪从事化学研究的人们积极开展的科目。如：酚醛树脂的合成，开辟了高分子科学领域。20世纪30年代聚酰胺纤维的合成，使高分子的概念得到广泛的确认。后来，高分子的合成、结构和性能研究、应用三方面保持互相配