激光粒度仪在高分子材料粒度检测中的应用

发布时间:2016/6/15 9:47:00


一、高分子材料
    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。
    高分子材料按来源分为天然高分子材料和合成高分子材料。天然高分子是存在于动物、植物及生物体内的高分子物质,可分为天然纤维、天然树脂、天然橡胶、动物胶等。合成高分子材料主要是指塑料、合成橡胶和合成纤维三大合成材料,此外还包括胶黏剂、涂料以及各种功能性高分子材料。合成高分子材料具有天然高分子材料所没有的或较为优越的性能——较小的密度、较高的力学、耐磨性、耐腐蚀性、电绝缘性等。
     高分子材料的结构决定其性能,对结构的控制和改性,可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点,使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能,从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域,并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。很多天然材料通常是高分子材料组成的,如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。一般称在生活中大量采用的,已经形成工业化生产规模的高分子为通用高分子材料,称具有特殊用途与功能的为功能高分子。

二、高分子材料的发展概况
     高分子材料是材料领域之中的后起之秀,是在人们长期的生产实践和科学实验的基础上逐渐发展起来的。几千年前,人们就开始使用棉、麻、丝、毛等天然高分子作丝织物材料。有些加工方法还改变了天然高分子的化学组成,如:天然橡胶硫化,皮革鞣制,天然纤维制成人造丝等。但由于当时受科学技术发展的限制,直到19世纪中叶,人们仍未能探究到高分子材料的本质。
     高分子材料科学的发展萌芽于19世纪后期和20世纪初。当时天然橡胶由异戊二烯,纤维素和淀粉由葡萄糖残体,蛋白质由氨基酸组成的确立,使高分子的长链概念获得了公认,孕育了高分子的思想。1872年德国化学家拜耳(A.Bayer)首先发现苯酚与甲醛在酸性条件下加热时能迅速结成红褐色硬块或粘稠物,但因它们无法用经典方法纯化而停止实验。20世纪以后,苯酚已经能从煤焦油中大量获得,甲醛也作为防腐剂大量生产,因此二者的反应产物更加引人关注。 1907年贝克兰和他的助手不仅制出了绝缘漆,而且还制出了真正的合成可塑性材料—bakelite,它就是人们熟知的“电木”、“胶木”或酚醛树脂。Bakelite一经问世,很快厂商发现,它不但可以制造多种电绝缘品,而且还能制日用品,于是一时间把贝克兰的发明誉为20世纪的“炼金术”。
     1920年,德国人H.Staudinger首次提出以共价键联结为的高分子概念,加上他对高分子其他方面的贡献,获得了1953年度诺贝尔化学奖,他无疑被公认为高分子科学的始祖。
     20世纪30~40年代是高分子材料科学的创立时期。新的聚合物单体不断出现,具有工业化价值的高效催化聚合方法不断产生,加工方法及结构性能不断改善。美国化学家卡罗塞斯(W.H.Carothers)于1934年合成了优良纺织纤维的聚酰胺-66,尼龙(Nylon)是它在1939年投产时公司使用的商品名。这一成功不仅是合成纤维的次重大突破,也是高分子材料科学的重要进展。
     1938年德国研制出聚酰胺-6,即聚己内酰胺;1941年英国制出了聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维,商品名Dacron、“的确凉”或涤纶;1939年德国人又研制出聚丙烯腈纤维,但到1949年才在美国投产,商品名Orlon,我国称腈纶,此后又出现多种新型合成纤维,满足了多种需要,但从应用范围和技术成熟等方面看,仍以上述几种为主,其产量约占总量的90%。
20世纪50年代是高分子工业的确立时期,同时得到了迅速的发展。石油化工的发展为高分子材料开拓了新的丰富来源,人们把从煤焦油获得单体改为从石油得到,重要的烯烃(乙烯、丙烯)年产量为数十万吨级的生产技术日趋成熟。由于出现了齐格勒纳塔催化剂,在这种催化剂的作用下,生产出三种新型的定向聚合橡胶,其中的顺丁橡胶,由于它的优异性能,到20世纪80年代产量已上升到仅次于丁苯橡胶的第二位。
      自30年代出现高分子合成技术到60年代实现大规模生产,高分子材料虽然只有几十年的历史,但发展速度远远超过其他传统材料。世界高分子材料工业的迅猛发展,一方面是由于它们的优异性能使其在许多领域中找到了应用;另一方面也是因为它们生产和应用所需的投资比其他材料低,尤其比金属材料低许多,经济效益显著。特别是到了80年代,工业发达国家钢铁产量已衰退而塑料仍以高速度在发展。在过去的40年里美国塑料的生产猛增了100倍。如果将生产量折成体积计算,塑料的生产已超过钢铁。20世纪末,高分子材料的总产量已达20亿吨左右。在当前的工业、农业、交通、运输、通讯乃至人类的生活中,高分子材料与金属、陶瓷一起并列为三类最重要的材料。我国对于高分子材料科学的研究自50年代开始,主要是根据国内资源情况、配合工业建设进行合成仿制,建立测试表征手段,在此过程中培养了大批生产和研究的技术力量,为深入研究奠定了基础。60年代为满足新技术和高技术的需要,研制了大量特种塑料,如氟、硅高分子,耐热高分子及一般工程塑料,如浇注尼龙、聚碳酸酯、聚甲醛、聚芳酰胺;大品种如顺丁橡胶。其中最突出的成就是1965年用人工合成的方法制成结晶牛胰岛素,这是世界上出现的个人工合成的蛋白质,对于揭开生命的奥秘有着重大的意义。高分子化学和物理也获得较快发展,研究了产品结构和性能的关系。近年来进行了通用高分子的合成和合成机理、功能高分子合成和应用的研究。利用先进技术和测试手段进行结构、性能、加工关系的探索,形成了具有中国特色的新品种和新理论,如稀土催化的顺丁橡胶和高分子反应统计理论等,并加强了国际交流和合作。80年代以来,几十项高分子科技成果获得了自然科学奖、发明奖、科技进步奖,其中个别项目已赶上或超过国际先进水平。在工业技术方面,我国已建成大庆、山东齐鲁、南京扬子、北京燕山、上海金山等十大乙烯工程基地,形成约2.1×106 t/年的乙烯生产能力。

三、高分子材料按应用功能分类   
    高分子材料按特性分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。

  ①橡胶是一类线型柔性高分子聚合物。其分子链间次价力小,分子链柔性好,在外力作用下可产生较大形变,除去外力后能迅速恢复原状。有天然橡胶和合成橡胶两种。  ②高分子纤维分为天然纤维和化学纤维。前者指蚕丝、棉、麻、毛等。后者是以天然高分子或合成高分子为原料,经过纺丝和后处理制得。纤维的次价力大、形变能力小、模量高,一般为结晶聚合物。 
 ③塑料是以合成树脂或化学改性的天然高分子为主要成分,再加入填料、增塑剂和其他添加剂制得。其分子间次价力、模量和形变量等介于橡胶和纤维之间。通常按合成树脂的特性分为热固性塑料和热塑性塑料;按用途又分为通用塑料和工程塑料。
  ④高分子胶粘剂是以合成天然高分子化合物
为主体制成的胶粘材料。分为天然和合成胶粘剂两种。应用较多的是合成胶粘剂。  ⑤高分子涂料是以聚合物为主要成膜物质,添加溶剂和各种添加剂制得。根据成膜物质不同,分为
油脂涂料、天然树脂涂料和合成树脂涂料。  ⑥高分子基复合材料是以高分子化合物为基体,添加各种增强材料制得的一种复合材料。它综合了原有材料的性能特点,并可根据需要进行材料设计。 
 ⑦功能高分子材料
功能高分子材料除具有聚合物的一般力学性能、绝缘性能和热性能外,还具有物质、能量和信息的转换、传递和储存等特殊功能。已实用的有高分子信息转换材料、高分子透明材料、高分子模拟酶、生物降解高分子材料、高分子形状记忆材料和医用、药用高分子材料等。  高聚物根据其机械性能和使用状态可分为上述几类。但是各类高聚物之间并无严格的界限,同一高聚物,采用不同的合成方法和成型工艺,可以制成塑料,也可制成纤维,比如尼龙就是如此。而聚氨酯一类的高聚物,在室温下既有玻璃态性质,又有很好的弹性,所以很难说它是橡胶还是塑料。
四、激光粒度仪在高分子材料粒度检测中的应用
   锦州市海洋与渔业科学研究所位于辽宁锦州凌南东里60号,主要经营海淡水产养殖科研,技术推广,技术服务。 锦州市海洋与渔业科学研究所与济南微纳合作,使用Winner2008湿法激光粒度仪针对高分子材料粒度检测取得了良好的效果。本次实验测试如下:
 激光粒度分析仪