一种可以自我修复的高级塑料叫什么(聚苯醚)
人类可以发明出自我修复的塑料吗,如果已经老化的塑料可以自我修复那个多好。最近,这方面取得了进展。科学家已经开发出一种新的塑料,可以修复内部的“疲劳”。这种塑料它在自我修复中会需要一些氧气,比较有意思的是,一旦这种塑料修复完成,它随即还会产生一些“排泄物”。据说这种新塑料已用于特定产品。
到目前为止,我们日常生活中使用的塑料容易老化,产品寿命短。抗老化材料的制造一直是科学家们追求的目标。就塑料而言,尽管已经做了许多改进,但目前使用的塑料寿命最多为10年。研究者们相信,假如塑料材料的自我修复功能一旦成功,它也许可以对未来的材料产生比较甚远的影响。
塑料强度的秘密
世界塑料可分为三大类:通用塑料、工程塑料和超级工程塑料。一般塑料包括聚苯乙烯、聚乙烯和氯乙烯,用于制造日用品,使用寿命为5~6年。工程塑料包括聚碳酸酯、聚酰胺和聚甲醛,通常用于制造汽车零部件、电气和电子产品,价格一般高于普通塑料,使用寿命约10年。超级工程塑料仅用于特殊环境。它们主要用于航空航天产品。它们价格昂贵,使用寿命长达100年。
我们一般使用的普通塑料为什么寿命比较短呢?那是因为普通塑料内部会产生“疲劳现象”那么,“疲劳”是如何发生的呢?
塑料是由碳、氢和氧组成的纤维聚合物。这种聚合物的纤维复杂地复合在一起,这是塑料作为固体的强度。在普通塑料中,每种纤维大约在7个位置进行复合,以确保塑料的安全强度。
塑料的老化是由纤维切割引起的,纤维切割是由太阳紫外线或人们在使用过程中施加的外力引起的。假设七根纤维在中间断裂,一根纤维变成两根纤维。这种反应过程称为塑料的老化。
你可能会有这样的经历:暴露在阳光下的塑料桶装满了水。就在你想提起它的时候,你只听到嘎嘎声,把手被塑料桶打碎了。这种情况可以说是每根纤维都已断裂多次。通常情况下,随着使用时间的延长,塑料会变得更严重。因此,一些紫外线吸收剂被添加到正在加工的产品中以抑制老化,或者产品涂有油以抵抗老化。尽管如此,老龄化仍在继续。
科学家开发的“自愈性塑料”能够自动连接断开的聚合物,以消除老化。其实呢,这并不意味着这种塑料的寿命超长,但是它和普通的塑料相比,其老化的速度相当的慢,使用的寿命也会明显增长。
橡皮膏与修补剂
早在1997年,材料科学家们首次研发了一种“自愈塑料”,这种材料叫做“聚苯醚”。成功的关键是开发用于急救的“软膏”和用于伤口治疗的“修复剂”。修理的原理很简单。首先,假设在一些外部因素的作用下,负责分子结合的电子交错排列,导致聚合物被切断,自由电子出现,并开始老化。因此,预先放置的修复剂接近这个自由电子。在这种材料中,铜元素则起着“修复剂”的作用。起初,铜以2价态存在(缺少2个电子)。当它从断开的部分得到一个电子时,它变成了一价。简单的来说,通过这样的氧化又还原得反应,那些中断的部分就会恢复到原始的状态。在这个时候,氢作为“石膏”是很重要的。为了提供氢气,使聚苯醚具有自愈能力,提前在聚苯醚中设置了“氢气供应商”。当断裂发生时,氢进入断开部分产生的自由电子进行键合。
如果不对供氢剂进行紧急处理,聚苯醚聚合物中可能会出现“以牙还牙”的现象,因此到处都会产生自由电子链,这可能会造成材料的“伤痕”。
自我修复不可缺
自愈已经结束,但反应仍在继续。电子变成一价铜,并在大气中继续与氧气氧化。此时,氧得到一个电子,铜返回到价态2,并再次获得充当“修复剂”的能力。此外,由反应产生的氧单体和“软膏”的氢离子的组合产生的水作为废物“排出”。每克聚苯醚修复产生的水量为几百微克。这种修复“应变”系统的定期循环对于自我修复是必不可少的。
科学家们还成功地为聚碳酸酯和其他材料构建了自愈系统。这个“聚碳酸酯”它的修补剂是“碳酸钠”。这时,它是石碳酸(苯酚)的排泄物,而且气味很难闻。排泄物的出现是材料修复过程中非常有趣的事情。事实上,它不能通过改善而排泄。例如,在聚碳酸酯材料中添加充当垃圾桶的物质。具体来说,如果添加碱性微硅胶,则碳酸将被硅胶吸附,垃圾不会释放。然而,反应产生的物质已成为另一个问题,研究仍在进行中。目前,科学家们正全力以赴地建造其他塑料的修复系统。
或许诞生一门全新学科
现在我们知道,上述材料的自愈合是通过催化剂(如铜)在受伤部位的作用完成的,但塑料是固体。像铜这样的原子或分子真的能流到断裂处吗?许多研究人员认为,催化剂不能流向固体中的断开部分,但一些专家认为,催化剂存在于5~10nm区域会导致自愈反应。
对于一些化学的反应条件,大多数的人都认为它只能溶于水或者变成气态,这一常识阻碍了对自愈反应的理解。其实,“材料的自我修复”引起的化学反应和一般的化学反应不太一样,也许这是一个新的科学领域,需要进一步的理论研究。
此外,在这项研究中,科学家还发现,自愈反应优先发生在最老化的部位。一旦聚合物的断裂部分增加,就会引起更多的修复反应。因此,应优先修复严重老化的零件。因此,专家们开始将研究方向转向延长塑料的使用寿命。
自2000年以来,日本约有10家企业推出了以自愈塑料为原料的产品。这些产品主要是电化学产品,因为这些产品经常暴露在光线下,容易老化。此外,使用自愈塑料后,汽车零部件的使用寿命显著延长。
自我修复延伸寿命
科学家预测,在未来,不仅塑料,而且包括金片和陶瓷在内的所有人造材料都可能具有自我修复能力,并能独立处理老化问题。在材料研究中,所谓的“自愈”概念以前就存在过,但我们从未见过真正的物体。科学家们创造了一个真实的物体来证明“自愈”是可能的。因此,科学家们对各种材料的自我修复进行研究。如果每天使用自愈材料,或许很快,自愈将被用作产品的标准,因为产品的使用寿命显著延长,产品的可靠性和性能得到提高。
今天地球上的资源日益减少,有效使用“自愈材料”这样就可以有效的延长商品的寿命,在另外的方面,这样也可以解决比较严重的环境。
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