單元陸:高分子材料

一、高分子材料概論

(一)定義:

高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料。我們接觸的很多天然材料通常是高分子材料組成的,如天然橡膠、棉花、人體器官等。人工合成的化學纖維、塑料和橡膠等也是如此。一般稱在生活中大量採用的,已經形成工業化生產規模的高分子為通用高分子材料,稱具有特殊用途與功能的為功能高分子。

(二)高分子材料的歷史

高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合體。

樹枝,獸皮,稻草等天然高分子材料是人類或者類似人類的遠古智能生物最先使用的材料。在歷史的長河中,紙,樹膠,絲綢等從天然高分子加工而來的產品一直同人類文明的發展交織在一起。

從十九世紀開始,人類開始使用改造過的天然高分子材料。火化橡膠和硝化纖維塑料(賽璐珞)是兩個典型的例子。

進入二十世紀之後,高分子材料進入了大發展階段。首先是在1907年,Leo Bakeland發明了酚醛塑料。1920Hermann Staudinger提出了高分子的概念並且創造了Makromolekule這個詞。二十世紀二十年代末,聚氯乙烯開始大規模使用。二十世紀三十年代初,聚苯乙烯開始大規模生產。二十世紀三十年代末,尼龍開始生產。

在經歷了二十世紀的大發展之後高分子材料對整個世界的面貌產生了重要的影響。時代雜誌認為塑料是二十世紀人類最重要的發明。高分子材料在文化領域和人類的生活方式方面也產生了重要的影響。

二、常用的高分子

按用途一般將通用高分子材料分為五類,即塑料、橡膠、纖維、塗料和黏合劑。通用高分子材料的力學性能參見高分子物理學。

(一)塑料

塑料根據加熱後的情況又可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。加熱後軟化,形成高分子熔體的塑料成為熱塑性塑料,主要的熱塑性塑料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱有機玻璃)、聚氯乙烯(PVC)、尼龍Nylon)、聚碳酸酯PC、聚氨酯(PU)、聚四氟乙烯(特富龍, PTFE)、聚對苯二甲乙二醇酯(PETPETE)、 加熱後固化,形成交聯的熔結構的塑料稱為熱固性塑料:常見的有環氧樹脂, 酚醛塑料, 聚醘亞胺,三聚氰氨甲醛樹脂等。加工的方法:包括注射,擠出,膜壓,熱壓,吹塑等等。

(二)橡膠

橡膠又可以分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠的主要成分是聚異戊。合成橡膠的主要品種有丁基橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、矽橡膠、氟橡膠等等。

(三)纖維

合成纖維是高分子材料的另外一個重要應用。常見的合成纖維包括尼龍、綸、腈綸聚酯纖維,芳綸纖維等等。

(四)塗料

塗料是塗附在工業或日用產品表面起美觀或這保護作用的一層高分子材料。常用的工業塗料有環氧樹脂,聚氨酯等。

(五)黏合劑

黏和劑是另外一類重要的高分子材料。人類在很久以前就開始使用澱粉,樹膠等天然高分子材料做黏合劑。

現代黏合劑通過其使用方式可以分為聚合型,如環氧樹脂;熱融型,如尼龍,聚乙烯;加壓型,如天然橡膠;水溶型,如澱粉。

三、高分子材料的發現與應用

(一)橡膠

1.橡膠的應用

橡膠是一種有彈性的碳氫化合物經聚合而成的巨大分子,未經加工時以乳劑的形態存在。橡膠乳劑可以從一些植物的樹幹汁液中可取得,合成橡膠則是以石化原料以人工方法製造出來的。

在中美洲和南美洲,很久以前已經有人採集橡膠。中美洲的球遊戲便使用橡膠做的皮球。在那出土的橡膠球,有些可追溯至公元前 1600 年。根據文獻記載,這些皮球的彈力極佳,更曾使到訪的西班牙人以為這些皮球有邪靈附身。

橡膠也被用作把木製手柄栓緊於石頭或金屬器具上的帶子,以及手柄的填充物。馬雅人則懂得利用橡膠製造鞋子。

雖然中美洲的土著不像現代人那樣正式地把橡膠硫化,但他們仍能利用有機物去達到近似的效果,例如:把未經加工的乳劑混入不同種類的樹液或一些藤類植物的汁液中(特別是某些種類的旋花科植物),可以增加其彈性的硬度。

巴西一些土著會利用橡膠製造防水布料。曾有傳聞稱有葡萄牙人把這些衣服帶回祖國,把同鄉嚇壞了,結果被控施行巫術而受審判。

橡膠傳入英國後,人們發現這種物料能很有效地擦去鉛筆留下的痕跡。所以現在橡膠的英語 rubber 也被用來形容橡皮擦。有趣的是,現在的美國人習慣以eraser稱呼橡皮擦,rubber卻被用來形容安全套。

2.天然的橡膠來源

三葉橡膠樹提供最多的商用橡膠。它在受傷害(如莖部的樹皮被割開)時會分泌出大量含有橡膠乳劑的樹液。另外,無花果樹和一些大戟科的植物也能提供橡膠。德國在第二次世界大戰時由於橡膠供應被切斷,曾嘗試從這些植物取得橡膠,但後來改為生產人造的合成橡膠。

最初的橡膠樹生長於南美洲,但經過人工移植,現在東南亞等熱帶地區也能夠種植大量的橡膠樹。事實上,現今的亞洲已成為世界最重要的橡膠來源地。

(二)塑料

塑料(或塑膠)是指以高分子量的合成樹脂為主要組分,又稱:高分子化合物或聚合物,加入適當添加劑,例如:增塑劑、穩定劑、阻燃劑、潤滑劑、著色劑等,經加工成型的塑性(柔韌性)材料,或固化交聯形成的剛性材料。

1.回收分類標籤:

為方便塑膠的回收,美國塑膠工業學會(The Society of the Plastics Industry)提出利用塑料類型來分類的標籤系統:([Resin Identification Code]), 合成樹脂識認碼(常譯為 塑膠材料編碼 或 塑料編碼)。可回收的塑膠容器均會附有一個以三個箭號圍繞而成的三角形標籤,標籤上會表示塑料的類型。(如表)所示:

:塑膠回收分類標籤

標誌

縮寫

名稱

用途

2-HDPE

PETEPET

聚對苯二甲酸乙二酯,亦常被稱為聚酯

常見於寶特瓶。

3-V

HDPE

高密度聚乙烯

常見於洗劑容器、牛奶瓶、超級市場膠袋。

3-V

PVCV

聚氯乙烯

常見於管道、戶外具、雨衣。

4-LDPE

LDPE

低密度聚乙烯

常見於牙膏或洗面乳的軟管包裝。

5-PP

PP

聚丙烯

常見於瓶蓋、吸管、微波爐食物盒。

6-PS

PS

聚苯乙烯

分為未發泡或已發泡。未發泡即保麗龍,常見於部分飲品(如益力多)容器;已發泡即俗稱發泡膠,常見於包裝用膠粒、一次性保溫膠杯、包裝凍肉盛器、飯盒。

7-OTHER

OOTHER

其他可回收利用的塑料製品

包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC),聚乳酸(PLA)、尼龍(Nylon)及玻璃鋼(FRP)等。

※可回收的塑膠其分子結構屬於長鏈狀的,遇到高溫會破壞分子鍵結而熔化成液體狀態,並可重新製造成新的產品。

 

2.可分解塑膠:

塑膠最大的問題是環保問題,因為塑膠不易被微生物所分解,而塑膠若以燃燒的方式處理時會產生戴奧辛,這會造成空氣及水源等汙染,若以掩埋方式處理時,則無法被微生物分解,所以是嚴重的垃圾問題。

可分解塑膠能於陽光下分解。亦有於塑料中加入澱粉使其更易於生物分解,但分解仍不完全。亦有人利用基因改造細菌產生完全可生物分解的塑料,但成本仍高昂。德國巴斯夫公司(BASF)研究出一種稱為Ecoflex的可生物分解塑料,用於食品包裝。以上的可分解塑料由於成本問題,因此鮮有使用。而這種塑料必需曝露於空氣的情況下才能分解,因此若被掩埋,仍然會導致固體廢棄物的問題。

四、陶瓷與玻璃

()、陶瓷

陶瓷材料,大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等。常見的陶瓷材料有粘土、氧化鋁、高嶺土等。陶瓷材料一般硬度較高,但可塑性較差。在歷史的演變中,陶瓷器的製作技巧成為各個國家的重要科技發展,除了在食器、裝飾的使用上,在科學、技術的發展上亦扮演重要角色,例如:太空梭的外表即是以精密陶瓷做為隔熱材料,提供太空梭返回地球在與大氣高速摩擦時的保護,避免太空梭因高溫而損毀。

陶瓷原料是地球原有的大量資源:粘土,經過取而成。而粘土的性質可謂神秘而具韌性:常溫遇水可塑,微乾可雕,全乾可磨;燒至700度可成陶能裝水;燒至1230則瓷化,可完全吸水而且具有耐高溫和耐腐蝕的特性。其用法之彈性且廣泛,在今日文化科技中尚有各種創意的應用,例如:藝術和超導體…等。

(四)玻璃

玻璃,在中國古代亦稱:琉璃,是一種透明、強度及硬度頗高而且不透氣的物料。玻璃在日常環境中呈化學惰性,亦不會與生物起作用,性質穩定,因此在生活中的用途非常廣泛。玻璃一般不溶於酸例外:氫氟酸會與玻璃發生化學反應,反應後生成SiF4,從而導致玻璃的腐蝕但溶於強鹼,例如氫氧化銫。玻璃是一種非晶形固體。溶解的玻璃迅速冷卻,各分子因為沒有足夠時間形成晶體而形成玻璃。

普通玻璃主要是非晶的二氧化矽(SiO2),亦即石英,或砂的化學成分。純正的矽土溶點為攝氏2000度。因此製造玻璃時一般會加入兩種材料:碳酸鈉 (Sodium Carbonate,Na2CO3 ,即蘇打粉)及碳酸鉀(Potash鉀鹼)。這樣矽土溶點將降至1000度左右。但是因為碳酸鈉會令玻璃溶於水中,因此通常還要加入適量的氧化鈣CaO,使玻璃不溶於水。

對可見光透明是玻璃最大的特點。一般的玻璃因為製造時加進了碳酸鈉,所以對波長短於400奈米的紫外線並不透明。若果要讓紫外線穿透,玻璃必須以純正的二氧化矽製造。這種玻璃成本較高,一般被稱為石英玻璃。純玻璃對紅外線亦是透明的,可以造成數公里長,作通訊用途的玻璃纖維。

常見的玻璃通常亦會加入其他成份。例如看起來十分閃爍眼的水晶玻璃Lead glass),是在玻璃內加入鉛,令玻璃的折射指數增加,產生更為目的折射。至於派來克斯玻璃(Pyrex),則是加入了硼,以改變玻璃的熱及電性質。加入亦可增加折射指數。製造光學鏡頭的玻璃則是加入釷的氧化物來大幅增加折射指數。倘若要玻璃吸收紅外線,可以加入鐵。例如放映機內便有這種隔熱的玻璃。玻璃加入則會吸收紫外線。

在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物亦可以改變玻璃的顏色。例如少量錳可以改變玻璃內因鐵造成的淡綠色。多一點錳則可以造成淡紫色的玻璃。硒亦有類似的效果。少量可以造成藍色的玻璃。錫的氧化物及砷氧化物可造成不透明的白色玻璃。這種玻璃好像是白色的陶瓷。銅的氧化物會造成青綠色的玻璃。以金屬銅則會造成深紅色、不透明的玻璃,看起來好像是紅寶石。鎳可以造成藍色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。鈦則可以造成黃色。微量的金(0.001%)造成的玻璃是非常鮮明,像是紅寶石的顏色。鈾(0.1 2%)造成的玻璃是螢火黃或綠色。銀化合物可以造成橙色至黃色的玻璃。改變玻璃的溫度亦會改變這些化合物造成的顏色,但當中的化學原理相當複雜,至今仍然未被完全明解。

有時在火山溶岩中會出現天然的玻璃,稱黑曜石或火山玻璃。黑曜石可以用來造成簡單的尖刀。

玻璃種類:

1.退火玻璃

世上大約90%的平面玻璃都是使用1950年代由皮爾金頓玻璃公司(Pilkington)的阿士達皮爾金頓爵士發明的「浮法玻璃」製成。這種玻璃亦稱退火玻璃,方法是把玻璃溶液倒進缸溶解的錫內,玻璃浮上錫面後自然形成兩邊平滑的表面,慢慢冷卻及成長帶狀離開錫缸。之後經過火打磨便成為接近完全平的玻璃。通常玻璃會以標準的厚度生產,分為2345681012151922毫米

把普通退火玻璃用在建築上會構成潛在危險,因為當這種玻璃破裂時,會成為大塊,鋒利的碎片,可以造成嚴重的人員傷亡。多數地方的建築條例會禁止在玻璃可能被打破的地方使用普通退火玻璃。例如:浴室、玻璃門、落地式玻璃窗、走火通道等等都不可使用這種玻璃。

在浮法玻璃發明以前,退火玻璃亦會以吹、捲壓法生產。這些方法很難製成全平的玻璃,除非加以成本很高的機械打磨。

2.強化玻璃

強化玻璃、淬火玻璃或鋼化玻璃(Tempered Glass)是由退火玻璃經熱處理而成。退火玻璃先被切割成所需的大小,打磨好邊緣或鑽好洞,然後進行強化處理。玻璃被放在滾筒桌上,推入超過退火溫度攝氏600度的爐,然後以空氣迅速冷卻。玻璃表面被冷卻至退火溫度以下,快速硬化及收縮;而玻璃內部則在短時間內仍作流動。當玻璃內部收縮,會在表面造成壓應力,玻璃內部則成張應力。

一般強化玻璃比退火玻璃四至六倍。原因是玻璃表面的輕微裂痕都會被應力所緊壓,而內層可能出現裂痕的可能性亦較低。但是強化玻璃亦有缺點。因為玻璃內的應力需要平衡,所以如果強化玻璃上出現任何損壞或裂痕,整塊玻璃都會碎成指甲大小,沒有尖角的碎片。所以強化玻璃要在進行強化處理前事先切割及打磨。而且與退火玻璃相比,強化玻璃的硬度較低,較容易被刮花

強化玻璃在建築上的用途甚多,很多無框組件如玻璃門,玻璃幕場等都經常使用強化破。需要負重的玻璃亦會採用強化玻璃。

強化玻璃碎裂時形成的碎片細小及呈圓型,令人受傷的機會較少。故此被視為安全玻璃之。但是強化玻璃在受撞擊時可能突然爆裂的特點,令強化玻璃在某些場合下不合適。

強化玻璃被擊碎後只會形成小顆粒,而不是尖銳的大塊碎片。強化玻璃在數百年前已被發現,但當時並不知道其原理。十七世紀時,英國的魯伯特王子把熔解的玻璃液滴進水內造成玻璃珠。這種淚滴形的玻璃非常堅硬,就算以槌敲打也不會破碎。但是只要把玻璃滴尾部弄破,它便會突然爆碎成粉末。這種玩意還被帶到朝庭上,用來戲弄人,稱為「魯伯特水滴」(Rupert's drop)。魯伯特水滴製作及爆炸影片

3.夾層玻璃

夾層玻璃是1903年由法國化學家愛德華班尼迪克特斯Edouard Benedictus)發明。他在做實驗的時候無意在玻璃瓶內鋪上一層硝化賽璐珞(Cellulose nitrate,之後發現玻璃瓶跌在地上時裂而不破。他想把有塑膠夾層的玻璃應用在汽車的擋風玻璃上,以減少汽車意外所造成的傷亡。最初汽車生產對他的發明不太感興趣,最先使用這種發明的反而是第一次世界大戰時所生產的防毒面具。到了1936年改良使用聚乙烯醇縮丁(Polyvinvl butyral PVB)作為夾層後,夾層玻璃才在汽車上大行其道,之後更成為政府強制的安全標準。

現代的夾層玻璃是以兩層或更多層的普通退火玻璃造成,中間的夾層多數仍是PVB。把PVB 放在兩層玻璃之間,加熱至攝氏70度左右,然後以滾軸把中間的空氣壓出,讓PVB把兩層玻璃緊在一起。一般的夾層玻璃是以兩層3毫米的玻璃,中間夾上0.38毫米的夾層。總厚度為6.38毫米。亦可以用更多層、更厚的玻璃來增加強度。例如防彈玻璃即是用多層厚的玻璃夾成,總厚度可達50毫米

當夾層玻璃上的玻璃被碎裂時,夾層仍然會把兩層玻璃黏著,避免整塊玻璃碎成可以傷人的碎片。夾層玻璃亦被稱為安全玻璃。

夾層玻璃中間的PVB層亦令玻璃的隔音效果增加,且可阻隔99%以上的紫外線。

汽車的檔風玻璃都是夾層玻璃。但車上大部分其他的玻璃,例如側面及後面的玻璃則是強化玻璃。如果留心看,便會發現汽車的擋風玻璃遇碰撞後只會裂而不破。其他玻璃則會碎成小粒。

4.自潔玻璃

這是一種由皮爾金頓公司發明的新科技玻璃,主要應用在建築物、汽車上。玻璃外層表面塗上約50奈米厚的鈦氧化物,在紫外光下會催化玻璃上的有機物分解。此外玻璃表面的親水性協助下雨時在玻璃上形成一層水膜,可以把分解的有機物沖走且不留水跡,達到自潔效果。

五、其他

(一)水泥:

水泥,俗稱紅毛泥、石屎

水泥是一種水硬性膠凝材料,誕生於1824年,是當今世界上最重要的建築材料之

水泥的種類繁多,按其礦物組成分為矽酸鹽水泥(又名波特蘭水泥,Portland Cement)、鋁酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥以及少熟料或無熟料水泥等。而按其用途和性能又分為通用水泥、專用水泥和特種水泥三大類。

在每一種品種的水泥中,又根據其膠結強度的大小,而分為若干強度等級。當水泥品種及強度等級不同的時候,其性能也有較大差異。

(二)棉花:

棉花屬於錦葵科棉屬,由四個栽培棉種組成,即亞洲棉、非洲棉、大陸棉(又叫細絨棉)、海島棉(有叫長絨棉)。

(三)木材:

木材是能夠次級生長的植物,如喬木和灌木,所形成的木質化組織。這些植物在初生生長結束後,根莖中的維管形成層開始活動,向外發展出韌皮,向內發展出木材。木材是維管形成層向內的發展出植物組織的統稱。

木材對於人類生活起著很大的支持作用。根據木材不同的性質特徵,人們將它們用於不同途徑。

(四)生物材料:

1.皮革:

皮革是指製處理的動物皮膚,特別是豬、牛、羊的皮膚,是一種服裝和工藝材料。帶有毛髮的皮革稱為皮毛;其中作為服裝的又稱皮草

20世紀以來還用聚氨酯、聚氯乙烯等合成高分子製造外觀模仿皮革的材料,稱為「人造革」。因此來自動物的皮革也被稱為「真皮」,與人造革相對。

2.骨頭:

骨骼是組成脊椎動物內骨骼的堅硬器官,功能是運動、支持和保護身體;製造紅血球和白血球;儲藏礦物質。骨骼由各種不同的形狀組成,有複雜的內在和外在結構,使骨骼在減輕重量的同時能夠保持堅硬。骨骼的成分之一是礦物質化的骨骼組織,其內部是堅硬的蜂巢狀立體結構;其他組織還包括了骨髓、骨膜、神經、血管和軟骨。

人體的骨骼起著支撐身體的作用,是人體運動系統的一部分。成人有206塊骨。骨與骨之間一般用關節和韌帶連接起來。

(五)紙:

紙是一種由植物分解出來的纖維粘連而成的平整、均勻的薄片狀製品,是書寫、印刷的載體,也可以作為包裝、衛生等其他用途,如衛生紙、面紙等等。紙的發明對於人類文明有非常重要的意義。

1. 紙的定義:

紙是用薄紗網將懸浮在水中的已分解的植物纖維抄起的薄層,濾除水份後從薄紗網剝離出的薄片後而成的製品。

古埃及人莎草紙(papyrus)和中國紙的最大區別,在與莎草紙只將莎草片粘連而成,莎草纖維並未分解,纖維的排列仍然保留自然的次序;中國紙中纖維既不同於植物界纖維的有序排列,又不同於紡織品的幾何排列,而是無交叉的排列。

2.歷史:

古代文明曾採用過各種材料書寫文字。古巴比倫人的楔形文字刻在泥板上,古埃及人在莎草紙上書寫,古印度人用貝葉寫佛經,古近東人用野獸皮書寫,而古代中國的甲骨文刻在龜甲和獸骨上,西周銘文刻在青銅器上,秦漢陶文刻在陶器上,以後還有,刻石、竹簡、木片、絲帛等等作為過書寫的載體,但是它們各有缺點:或是太沉重,或是太昂貴,不能大量使用。

3.造紙術:

一般將造紙術的發明歸功於中國東漢時的宦官蔡倫。蔡倫首創用樹皮和麻頭造紙。

(六)複合材料:

複合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經過複合工藝而製備的多相材料。複合材料由連續相的基體和被基體包容的相增強體組成。

金屬基複合材料 金屬基複合材料(Metal Matrix CompositeMMC)一般是以金屬為連續相而顆粒或纖維形式的第二相組成的複合材料。目前其製備和加工比較困難,成本相對較高,常用在太空航空和軍事工業上。

(七)混凝土:

混凝土是由膠凝材料、粗細骨料和水按適當比例配置,再經硬化而成的人工石材。通常是指水泥混凝土,在路面工程中,瀝青混凝土也是一種常用的混凝土。

水泥混凝土是以水泥(或水泥加適量活性摻合料)為膠凝材料,與水和骨料等材料按適當比例配合拌製成拌合物,再經澆築成型硬化後得到的人造石材。新拌制的未硬化的混凝土,通常成為混凝土拌合物(或新鮮混凝土)。經硬化有一定強度的混凝土稱硬化混凝土。

因為混凝土構造物非常堅固耐久,耐震,耐火,耐氣候變化,容易造型且經濟等特性,所以主要用於房屋建築、橋樑、公路面、飛機跑道、鐵路枕木、電線桿、擋土牆、護堤、涵洞、水壩、水箱、水塔、油槽、渠道、水溝、碼頭、防波堤、軍事掩體、核能發電廠及建構物基礎樁、及連續壁等構造物。

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