北京保鲜膜价格联盟

(科普)有机物中的明星:高分子化学和聚乙烯

魔鬼新材料2019-09-02 09:44:13

今天让我们一起进入“高分子”的世界。所谓“高分子”,是相对于二氧化碳、氧分子甚至甲烷、乙醇、苯等这些简单的分子来说的,这些高分子含有的原子数多,分子量大,结构却不一定复杂,聚乙烯就是其中一例。

【聚乙烯的结构式】

人们接触到这些“高分子”其实很早,哥伦布发现新大陆的时候,欧洲人发现拉美的土著们在玩一种很有意思的球,这种球弹性很大。原来,这种球是用硬化了的植物汁液来做的。说到这里,你一定想到了,这种树就是橡树。 欧洲人将这种材料视为珍品,运回了欧洲,人们发现这种橡胶球可以擦去铅笔的痕迹,所以给它起了个名字:“rubber”,意思就是擦子,这个名字也一直用到现在。

1839年美国人固特异(这个名字你肯定非常熟悉)发现在橡胶中加入硫磺可以使橡胶更加耐久,从此以后橡胶就走上了工业应用的舞台。

现在我们知道这些天然的橡胶其实是一种聚合物:聚异戊二烯。

【天然橡胶到了今天仍然不能完全被合成橡胶取代,东南亚、拉美是重要的橡胶资源的来源地。】

到了19世纪末20世纪初,酚醛树脂、人造丝、赛璐珞、合成橡胶等材料如同雨后春笋般的被制造出来,人们也认识到淀粉、多肽等有机物是有重复的结构单元的。但是关于这些新型有机物究竟是什么样的结构,还是有很多种意见,大部分人认为这些重复的结构单元是很多小分子通过一些类似于范德华力的“价键”结合在一起的,而不是共价键。因为当时,大部分化学家都熟悉了简单的小分子,对于“大分子”这种概念感到陌生和恐惧。

【一种多肽的分子结构】

一直到了1922年,德国化学家施陶丁格提出高分子是长链的大分子,遭到了很多同行强烈的反对。但是施陶丁格坚持自己的观点,并通过好几年的实验得出了更加强有力的证据,他将天然橡胶加氢,得到的不是烷烃而是加氢橡胶。类似的,他也证明了多聚甲醛和聚苯乙烯也是大分子。1926年,瑞典化学家斯维德贝格测出了蛋白质的分子量竟然有几万到几百万,更是成为了大分子理论的直接证据。1926年底的化学年会上,不支持施陶丁格的化学家只剩下一个人了。

1932年,施陶丁格出版了《高分子有机化台物》,这是高分子化学诞生的标志。对高分子的研究有了理论的指导,再也不像之前是点对点的探索,而是铺开面的大规模研究,各种各样的橡胶、塑料、树脂、纤维如同雨后春笋般的来到我们日常生活的方方面面,改变了我们的世界。施陶丁格也因此获得了1953年的诺贝尔奖。

【施陶丁格,他对高分子化学开创性的贡献一直影响到现在,高分子材料与金属材料、无机非金属材料并称工程材料的三大支柱。】

最早发现聚乙烯的记载可以追溯到1898年,德国化学家Pechmann在研究重氮甲烷的时候,他的同事发现一种白色蜡状物,他们一起研究发现其中含有很长的线性亚甲基(-CH2-)的结构,命名为“聚乙烯”。

一直到1939年,“聚乙烯”才算是搭上了施陶丁格高分子化学的顺风车,英国帝国化学工业公司(ICI)成功的将聚乙烯规模化生产,在二战中发挥了重要作用。

【英德空战中,英德飞机损失比为1:2,英国空军为何能有如此神勇表现,与他们的雷达使用是密不可分的。聚乙烯在雷达中用作绝缘材料,我们是不是可以说:“如果没有聚乙烯,英国雷达就干不过德国,英国就会输掉这场空战,德国就不会有后顾之忧,就可以全心全意发动巴巴罗萨计划攻打苏联,美国也不敢参与欧洲战争,苏联可能灭亡,二战的结果会完全两样?”】

二战以后,聚乙烯在更多的领域得到了应用,取代了聚氯乙烯,成为最为常用的塑料。

【家用的保鲜膜,就是聚乙烯。这里提醒大家,用微波炉加热食物的时候,一定要把保鲜膜撤去,因为在聚乙烯保鲜膜在110度左右会热熔。】

【农用大棚也有很多是用聚乙烯做的】

上面这两种是低密度聚乙烯(LDPE),密度低,材质软,是聚乙烯最早的应用。后来人们又发明了高密度聚乙烯(HDPE),耐温耐油耐蒸汽,绝缘性能好,我们生活中也经常见到。

【这种塑料瓶一般都是聚乙烯做的,比如我们家用的洗发水、洗衣液的瓶子。】

【墨西哥,工人们正在铺设安装用高密度聚乙烯(HDPE)做的雨水道。】

随着科学进步,后来又发明了线型低密度聚乙烯(LLDPE),是让乙烯在聚合的时候引入少量的α烯烃,被称为第三代聚乙烯,它将传统的聚乙烯各方面的性能都提升了,也得到了更多的应用,目前世界上新投产的聚乙烯工厂已经没有生产低密度聚乙烯(LDPE)的了。

【用线型低密度聚乙烯作的包装材料】

聚乙烯的坏处是它的不易降解,这让它背上了骂名,造成了很多“白色污染”。想想,我们每天要使用多少垃圾袋、包装袋吧。由于聚乙烯中碳碳键的超强稳定性,这些聚乙烯塑料制品要过几十年才会分解。目前每年生产出来的聚乙烯接近1亿吨,大部分都被做成了塑料制品,如果人类一直这么发展下去,我们的世界是不是会被这些塑料垃圾包围。在很多地方,比如我国的老铁路沿线,已经成为很严重的问题。

【“白色污染”,盛况空前,你还看得下去吗?】

为了解决这个问题,一方面,要发展新型的可降解塑料制品。另一方面,也要研究如何快速降解聚乙烯制品。

另一方面,不仅要靠科学技术的发展,还得依赖于我们要建立一个回收机制。早在10几年前,我们国家就已经提出了垃圾分类回收的概念,但是执行的怎么样,大家心里都有数,即使是在北上广这些一线城市,有关部门只是在若干地方将垃圾分类回收作为形象试点工程,大众对垃圾分类回收也存在严重的知识缺失。塑料制品大多数是做成生活消费品,如果生活垃圾不能分类回收,废弃塑料就很难集中处理,快速降解也只是空想。

说到这里,我又不得不吐槽科学与人文的脱节。科学再如何发展,人文的落后照样会让我们的生活一团乱麻。

【维也纳郊区的居民区实拍,在维也纳,每个小区外的垃圾箱都有4-5种,按照玻璃、纸张、塑料、金属、食品等分开。我们在向西方发达国家学习的过程中,为什么不能从这些身边的事情做起?】


小测试:

1, 最早使用橡胶的是:

A) 日本人

B) 印度人

C) 埃及人

D) 拉美土著

2, 提出高分子是长链的大分子,并出版《高分子有机化台物》,被视为高分子化学诞生的标志的科学家是:

A) 施陶丁格

B) 基辛格

C) 辛格

D) 格格巫

3, 聚乙烯在哪些地方可以找到?

A) 塑料袋

B) 保鲜膜

C) 农用大棚薄膜

D) 塑料瓶



公众号:魔鬼新材料

ID:nanosphere2014

长按二维码关注我们






点击“阅读原文”