高分子材料的应用初窥与实验探析
时间：2020-12-28 12:02:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：高分子材料主要分为人工高分子材料和天然高分子材料。人工高分子材料在工程、生活等多领域均有着较高的应用范围。其制备方法的原理是聚合反应，以有机玻璃的制备为代表的自聚合反应是最基本的聚合反应。
关键词：高分子；有机玻璃
材料是当代文明的三大支柱之一。自古至今，材料便与人们的生活以及工业的发展息息相关。在古代，人们很早意识到了材料改进的重要性。东汉的蔡伦改进了造纸术，使纸张更为轻便。而丝绸之路的辉煌也是建立在选用蚕丝这一新型纺织材料的基础上的。21世纪的今天，随着科学的高速发展，人们对新型材料的需求越来越高，高分子材料的出现满足了人们的需要，进一步推动了社会发展。高分子材料也称为聚合物材料，是以高分子化合物为基体，再配有其他添加剂（助剂）所构成的材料。
高分子材料可以分为人工高分子材料和天然高分子材料，其中天然高分子主要是由自然界的物质通过各类反应（如光合作用等）形成的，其又可分为作为大分子类高分子（如蛋白质、淀粉等）和天然材料（如羊毛、蚕丝等）。人工高分子主要是人工合成的各种有机材料，如橡胶、合成橡胶及合成纤维等，工程上使用的高分子材料主要指这类高分子材料，本文主要针对这类材料进行初步分析与实验探讨，以探究其优点和应用范围。
1 高分子材料发展史
高分子材料的雏形最早可追溯到19世纪30年代末期，在那一阶段首次出现了半人工合成的高分子材料。而随着人类科技的进步和对化学、材料科学认知的提高，1870年，美国科学家Hyatt用樟脑等材料制得的赛璐珞塑料，该材料具有划时代意义，直到现在仍广泛用于台球、乒乓球等用品的制作中。1907年出现合成高分子酚醛树脂，真正标志着人类应用合成方法有目的的合成高分子材料的开始。1953年，德国科学家Ziegler等人发明了配位聚合催化剂，该催化剂大幅提高了聚乙烯和聚丙烯这类常用高分子材料的合成效率，使其得到广泛推广，他们也因此荣获诺贝尔化学奖的殊荣。而如今，高分子材料已比肩金属材料和无机非金属材料，成为科学技术、工业建设中的重要材料。
2 高分子材料特点及应用简析
不同种类的高分子材料，具有其独特的优良特性，因此可根据特定材料的优点来进行针对性的开发利用。这里选取三类典型的高分子材料，来介绍其特点及对应的应用范围。
2.1 生物降解类高分子材料
顾名思义，生物降解类高分子材料是指在特定条件下能被细菌或藻类等微生物降解的高分子材料。其具有无毒、可生物降解及良好的生物相容性特点，而这些特点亦广泛应用于生活中的种种领域。在餐饮行业，可以利用此种材料无毒、可降解的特点，通过代替一次性塑料保证食品的安全性，并且能为企业节约大量成本，实现经济可持续发展与环境保护的优良结合；在药物医学领域，这种特点亦有望代替现在的金属材料而作为骨内固定装置。与金属材料相比，其良好的生物相容性特点，能够降低人体的免疫排斥，而在创伤愈合过程中可以自动讲解，缩减了手术的步骤，让患者无需免受无需二次手术的痛苦，更好地体现人性化服务。
2.2 糖类高分子材料
糖类高分子材料存在于一切动植物细胞中，因此它的价格低廉、来源广泛，并且绿色环保。这类高分子材料在生活中的应用颇多，例如淀粉因其良好的生物降解性和可加工性因而常被用做增稠剂、粘合剂和胶凝剂等；甲壳素作为重要的海洋生物资源，具有极强的吸附功能，广泛应用于香烟过滤的过程中，而其良好的生物相容性与抗菌性，使其作为医药纤维在临床医学中被广泛应用。
2.3 有机玻璃类高分子材料
作为高分子材料中的支柱，有机玻璃类高分子材料自然有其不可取代的位置。有机玻璃透光率高，能透过73%的紫外线，普通玻璃的紫外透光率仅为0.60%。这一良好特性使其透光率最高能达到92%，也是目前最优良的高分子透明材料， 透光率达到92%。不仅如此，有机玻璃还具有很高的机械强度，其抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7～18倍。有机玻璃的上述优良性能使其被广泛用于飞机制造（如舱盖、风挡和弦窗）、光学镜片和日用品等领域。例如，各种玩具、灯具也都因为有了彩色有机玻璃的装饰作用，而显得格外的美观。此外，研究人员还发现，有机玻璃还可被用于制造人工角膜。可以治疗白白內障等疾病。
3 高分子材料制备方法
高分子材料制备主要原理是聚合反应。聚合反应本身分类众多，因此没有明确的分类标准，但常见的聚合反应主要分为本体聚合法、乳液聚合法、溶液聚合法和悬浮聚合法。其中本体聚合法最为基础，整个工艺中基本不添加其他介质，只有单体、引发剂（或催化剂）参与聚合反应，因此工艺简单，产品纯净，适合于制作板材、型材等透明制品。而其他三种方法则都需要溶剂的引发。当然，这里以有机玻璃这一典型材料为例，介绍本体聚合法的实验室制备方法。整个实验所用材料主要为甲基丙烯酸甲酯（MMA）和过氧化苯甲酰（BPO）等。
整个实验的原理主要为聚合反应，包含链引发，链增长和链终止。随着反应的进行，整个体系黏度会逐步加大，这使得在反应中期大分子的链终止受到抑制，而小分子的扩散和链引发则不受影响，从而使得产物相对分子质量增加，整个分子链更长。而反应后期，过高的黏度使得大分子和小分子的运动均受到抑制，产物分子量降低。这一反应前中后期的对比使得整个聚合物分子量分布不均一。加之甲基丙烯酸甲酯的密度低于有机玻璃，极易出现收缩。因此，为避免这一情况，需要在普通聚合工艺前引入预聚工序，避免体系过度收缩和散热。主要工艺步骤如下：
3.1 预聚
预聚应称取25g新蒸馏过的甲基丙烯酸甲酯单体，放入锥形瓶中，向瓶中加入引发剂过氧化苯甲酰30mg以引发集合。由于预聚过程中水汽可能会进入锥形瓶内影响预聚效果，故可在瓶口贴保鲜膜并用橡皮圈扎紧。预聚合的适宜温度为70℃至80℃，可用水浴加热至该温度，在此过程中应不时摇晃锥形瓶，观察体系的粘度。当观察到瓶内预聚物粘度已较高时（类似室温下的甘油），应立即停上加热，用冷水冲洗瓶身，使预聚物冷至室温，以终止聚合反应。
