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遇热就化,塑料这么脆弱?
Fice    来源社团:MoMoKe工作室
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【摘要】矿泉水瓶接触热水就会变形,而塑料水杯却不会,除杯壁厚度的因素外,更根本的应是因为塑料材质不同。高分子材料通过改变玻璃化转变温度,甚至已经广泛应用在了航空航天方面,塑料远没有印象中的那么脆弱。

秋去冬来,气温骤降,矿泉水的冰凉使它难以下咽,“那就兑开水进去!”。开水灌入,只见接触热水的瓶身仿佛受到挤压,拧作一团。塑料也太脆弱了。我的矿泉水瓶已惨不忍睹,一旁的同学却能用同是“塑料”的水杯装满开水毫发无损,是因为水杯的杯壁更厚才不会变形?不可否定厚度的量变会引起耐热能力的质变,但更根本的原因在于矿泉水瓶与水杯所用的“塑料”不同。稍微观察一下不难发现矿泉水瓶和水杯底部都会有一个三角形圈住数字的图案,不同数字就代表着不同的材质。通常矿泉水瓶下是“1”,代表PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯),而水杯下是“7”,主要代表PC(聚碳酸酯),不同的材质就决定了他们对同样的“热”有不同的反应。

图1|受热的矿泉水瓶图1|受热的矿泉水瓶

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图2|瓶底的数字

就像炒菜用不同食材、调料与烹饪方式呈现不同的菜品, “塑料”同样也会因原料、辅料与加工方式不同而产生不同的产品,具有天差地别的耐热性。可上九天揽月,可下五洋捉鳖。

学过高分子化学就知道,“塑料”只是一个通俗的统称,更准确的称呼该是“高分子/聚合物”,是由单体加聚或缩聚反应聚合成大分子长链、再盘曲折叠形成,就像冬天盖的大棉被中的棉絮一样。温度升高,分子间距增大,就像被芯经过暴晒变得蓬松,塑料也会变软、液化;温度降低,分子间距减小,就像被芯经过长时间挤压变得“瓷实”,塑料也会变硬、固化。显然塑料早在液化前,在开始变软时就已经不适合使用了。那么就需要找到这个“变软”的温度,也就是“软化温度”。

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图3|棉絮

•赏你几“针”!

可是软到什么程度才叫“软化”?人和人的体质不能一概而论,有的人能“一拳打穿50米厚的钢板”,就是“软”,有的人却只能捏动橡皮泥,也是“软”,这时显然就需要一个客观的方法测试塑料的软化温度。

无论是“打穿钢板”还是“捏橡皮泥”,他们本质上其实都是对物体施加超过承受能力的压强,维卡耐热也是运用这一原理,只不过是固定压强升高温度。首先为确保压力是垂直施加在试件上,要将试件水平放置,而且这个平台可以保持水平浸入热浴槽。然后就可以对试件施加压力,但总不能用几十斤的铁块压吧?压上几次人都累没了。既然需要的压强是一定的,而压强又是压力与接触面积的商,那么就可以通过减小接触面积使需要施加的压力也变小,从而方便测试,所以用1 mm2的针头对水平放置的待测物施加1 kg或5 kg的压力,同时在热浴槽中以5 ℃/6 min或12 ℃/6 min的速度对试件升温,当针头插入1 mm时的温度就是这一材料的维卡耐热温度。

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图4|维卡软化图解

除维卡耐热之外,还有马丁耐热和弯曲负载热变形温度,都是测量高分子材料软化温度的方法。

•口香糖还会摔碎?

不论是维卡耐热、马丁耐热还是弯曲负载热变形温度,都是以标准方法测量温度对高分子材料的微小变化,一般在使用时并不会感到这种微小变化。但是爱嚼口香糖的人一定对高分子温度和力学性能的关系颇有感慨。

春秋季,尤其是夏天时,即使没嚼过的口香糖也会比较柔韧,甚至有时会直接粘在包装纸上,想吃都困难;然而到了深秋、冬天,口香糖又会变的坚硬,尤其是某箭的传统片状包装,甚至会在你不小心时摔的粉碎,放到嘴里嚼一嚼却又变的柔韧、富有嚼劲。

口香糖的这种性质正是由主要原料——树胶决定的,树胶也是一种高分子,其他的高分子材料同样具有坚硬和柔韧这两种状态,区分这两个状态的温度称为玻璃化转变温度。温度低于玻璃化转变温度时,高分子材料的性质与玻璃相似,硬且脆,因此称为“玻璃态”,一般水杯、包装盒等所用的塑料就是在这个状态,也就是室温比它的玻璃化转变温度低;温度高于玻璃化转变温度时,高分子就会变得柔韧、有弹性,被称为“高弹态”,一般文件袋、手机壳等所用的橡胶就是处于这个状态,也就是室温高于它的玻璃化转变温度。通过升温、降温改变高分子材料状态的手段也广泛应用在生活中,比如加热水管使水管与水管或连接件能紧密的套在一起、衣服上的口香糖在冰敷后就能较容易清理下来,等等。

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图5|坚硬的塑料与柔韧的橡胶

对于塑料来说,玻璃化转变温度可以视为适合工作、使用的最高温度,当高于这个温度后塑料就会软化,失去本身坚固的物理性质;对于橡胶来说则相反,当低于玻璃化转变温度后,橡胶也会变的僵硬,从而失去原本所需的柔软、密封性好等特点。那么可以从哪些方面考虑使塑料适应更高的温度、使橡胶适应更低的温度呢?

•集合!解散!

分子永不停息的做无规则运动,这是记录在书本的知识。对小分子物质而言,状态不同的微观差异在于分子振动的幅度、分子运动的剧烈情况,就像体育课时集合站队与解散活动时的区别。对高分子来说,虽然每个单体都与小分子类似,但是它的单体间通过化学键相连,形成分子量极大的化学物质,就像体育课上所有人都被一条绳子牵住。因此,高分子的玻璃化转变温度的改变就不能只考虑每个单体的热运动,要考虑的因素更复杂。

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图6|集合!!!

同样是体育课解散活动时被牵住,牵在一根钢管上与牵在一根软绳上时同学们的活动分散程度显然不一样。高分子材料亦是如此,高分子主链的柔性越好,分子就越容易变形、发生移动,玻璃化转变温度就越低。因此可以通过改变主链的柔性使玻璃化转变温度提升,比如引入杂原子(-Si-O->-C-O->-C-C-)、引入双键(孤立双键>单键>共轭双键),从而使高分子材料能在更低的温度下工作、使用。

在被牵住的同时,同学们的双手也不一定空闲,可能拿着、抓住一些东西,这就是侧链对整个高分子的影响。比如一个同学手里端了一碗臭豆腐或者榴莲等让人避之不及的东西时,其他人就都会选择尽可能远离他,活动空间就相对少一些,这就类似于极性基团的影响,会增加分子的内旋活化能与分子间作用力,使单体的运动不那么灵活,从而使玻璃化转变温度升高;或者同学手里没有拿让人不愿接近的东西,但是抓住了一辆车、一堵墙,那么其他人同样不能在这些区域活动,这就相当于非极性基团的影响,虽然不会本能的排斥其他部分,但是庞大的体积也会由于空间阻碍效应使主链的柔性下降,从而使玻璃化转变温度升高。

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图7|好难闻!

•我已升空,感觉良好!

对高分子材料玻璃化转变温度的改变也绝非纸上谈兵,由于高分子材料本就具有远低于金属材料的密度,且可以通过改变玻璃化转变温度适应更多环境,高分子材料早已经成为航天工业中不可或缺的重要材料。

(1)“冻不硬”的橡胶

羧基亚硝基氟橡胶(CNR)是一种从上世纪50年代开始发展起来的一种橡胶,早在上世纪就已经被使用在美国阿波罗飞船上,我国长征系列运载火箭也在逐步应用。一方面,由于它的主链上含有大量亚硝基(N-O)结构,主链柔性很好,并且结构中有大量CF3侧基,所以具有比普通氟橡胶好得多的耐低温性能,玻璃化转变温度在-41℃以下,即使在不低于-40℃的低温环境中也能满足密封应用要求;另一方面,除了低温,CNR同样可以承受高温,可以在180~200℃长期使用、在250℃短期使用。此外CNR的耐强氧化剂性能使它能作为耐N2O4(推进剂成分之一)的密封材料使用。

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图8|长征系列火箭

“热不化”的塑料

聚四氟乙烯(PTFE)同样是一种在航天领域广泛应用的高分子材料,被用来制备窗口、支架、绝缘套管、垫圈等许多部件。聚四氟乙烯是四氟乙烯的高结晶聚合物,四氟乙烯中原本的四个氢原子全被氟原子取代,因此聚四氟乙烯具有了让普通聚乙烯望尘莫及的性能。首先由于碳-氟键有远比碳-氢键高的键能,PTFE具有更广的使用温度范围,可以在-190~260 ℃的温度范围内使用,相比聚乙烯的使用温度几乎“热不化”;其次由于氟原子半径比氢原子更大,是氢原子的两倍以上,原本聚乙烯中平面、伸展的曲折结构变成了PEFT的螺旋结构,将碳原子保护在内部,使它具有了其他材料无法比拟的耐溶剂性、化学稳定性;同时,PTFE大分子间相互引力小,且表面对其他分子的引力也很小,因此摩擦系数非常小,在机械运转中可以极大的减小磨损,从而降低损耗。

如果说工业伊始是笨重的铁皮包裹出的“钢铁洪流”,那么如今的工业就是轻盈的高分子组装成的“塑料城堡”。相比传统的无机材料,高分子材料本身就具有低密度的优势,同时经过改性、复合更能具有绝缘、导电、坚固、柔软等无限的可能性。从吃饭的餐具到乘坐的地铁,从小孩手里的玩具到科学家研究的航天飞机,高分子材料早已在各种方面取代无机材料,上天入地无所不能。

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图9|老式火车

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图10|现代高铁

手中的矿泉水瓶遇到开水都会变形,但是同为高分子材料的聚四氟乙烯却能上太空傲游。这样一想,高分子材料在我的印象里也不那么脆弱了。

参考资料:

[1]张克惠.塑料材料学,西安:西北工业大学出版社,2000年

[2]平郑骅,汪长春.高分子世界[M].复旦大学出版社,2001:27-29

[3]赵亚奇,冯巧,杜玲枝, et al.关于影响高分子材料玻璃化转变温度因素的教学分析%Teaching Analysis of the Affecting Factors to Glass Transition, Temperatures of Polymer Materials[J]. 高分子通报, 2012, 000(006):107-108.

[4]赵云峰.航天特种高分子材料研究与应用进展[J].中国材料进展,2013(04):217-228.

[5]谢苏江.聚四氟乙烯的改性及应用[J].化工新型材料,2002,30(11):26-30.

-完-
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遇热就化,塑料这么脆弱?
Fice

学校:武汉工程大学

学历:本科

专业:高分子材料科学与工程

社团:MoMoKe工作室

职业:学生

评委点评 评语汇总

从日常生活中观察到的现象起笔,由浅入深畅谈高分子材料及其应用。阐释科学原理时善用比喻,讲解通俗易懂、生动谐趣,是一篇内涵丰富的科普佳作。

2020-11-09 22:26 匿名 ——

本文介绍了塑料与高分子化学材料的种种特性与应用,内容繁杂,知识点较多,每一个点都可以展开详谈,具有较好的题材选择范围,但结构编排较杂乱,希望把更多的知识介绍出来却未能能够突出重点,从而使得读者思路变化太快,语言上的转承有些生硬,虽然文章的末尾做了修补但中间各部分的衔接不够顺畅。层次需要调整。

2020-11-07 18:48 匿名 ——

塑料在我们生活中扮演了极其重要的角色,但很多人不是很了解它,甚至有许多误区。文章很好地为我们介绍了塑料这种高分子材料,是一篇很好的科普文章。

2020-11-07 11:19 匿名 ——

本文内容表述清晰有理、结构分明,图文并茂地为我们科普了关于塑料背后的诸多高分子材料的知识。但在文学创作上面,作者缺乏发挥而使得文章略显枯燥。总的来看,还是一篇不错的通俗科普文章!

2020-11-05 11:55 匿名 ——

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