塑造全新未來的五類聚合物

【中國包裝網(wǎng)訊】正像尼龍纖維如今已在我們的生活中無處不在，我們將介紹五種將改變未來的合成材料。

如圖所示：波音“夢幻客機”的內(nèi)部：從這里我們能夠看到未來高分子聚合物的身影。

圖片來源：Jordan Tan

1939-40年的紐約世博會作為有史以來最偉大的一屆世博會之一，吸引了諸多游客們慕名前往位于昆斯市的法拉盛草原可樂娜公園。在“明日世界”中，游客們首次目睹到了諸如電視、視頻電話和福特野馬等當(dāng)代尖端科技。

這也是人們第一次見識了世界上第一種全部由人工合成的纖維——尼龍。由編織機演示的將尼龍縫制到連褲襪里面，就像兩個模型機展示了一場面料的拉鋸戰(zhàn)。尼龍是由華萊士·卡羅瑟斯（Wallace Carothers）領(lǐng)導(dǎo)的一個杜邦公司的科研機構(gòu)于此四年之前研制成功，在世博會上作為新的針織類產(chǎn)品面市?！叭坑芍T如煤炭、水和空氣這類常用原材料制成”的細(xì)絲，卻有如鋼鐵般的力量。

僅在第一年，杜邦公司就售出6千4百萬雙尼龍絲襪，它的面市取得了巨大的成功。盡管有時不那么時髦或者實用，但相比那些蠶絲之類的自然產(chǎn)品，尼龍因為有著更為優(yōu)越的質(zhì)量，從而在許多方面被投入使用。時至今日，尼龍仍然被廣泛應(yīng)用于纖維織物、家居裝飾用品、體育用品、樂器的弦和汽車零部件中。

尼龍像iPhone一樣暢銷。

圖片來源：Rebecca Abell

自從全合成材料萌芽初現(xiàn)，相關(guān)的研發(fā)進(jìn)展已達(dá)到了材料史上空前的地步。針對某一特定的用途，化學(xué)家們新發(fā)現(xiàn)的催化劑和新研發(fā)的合成方法，用以幫助小分子正確地契合到聚合物的長鏈中。如我們平時制作地毯所使用的聚丙烯纖維，以及各種堅硬的用于制作塑料瓶的聚乙烯。

物理學(xué)家、材料學(xué)家和工程師們也設(shè)計出新的處理方法和新技術(shù)來提高性能，用以生產(chǎn)出像凱夫拉（kevlar）一樣的超級牢固的物質(zhì)。

不容置疑，我們在同一時間內(nèi)的要求會越來越多。希望產(chǎn)品在進(jìn)一步提高我們的生活質(zhì)量的同時，其用料和技術(shù)都能夠走向節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展和減少全球性的污染。這是一個挑戰(zhàn)。

這里我們將介紹塑造全新未來的五類聚合物：

1. 生物塑料（Bioplastics）

眾所周知，不能被降解的塑料是一種常見的環(huán)境污染來源。更糟糕的是，這些我們稱之為單體的塑料的構(gòu)件，來自不能再生的遠(yuǎn)古的原油。

感謝在生產(chǎn)過程中使用的酶和催化劑，它們使得這種情況開始發(fā)生改變。未來極有可能將諸如沼氣等可再生能源轉(zhuǎn)化為制造塑料和合成橡膠的主要構(gòu)件。

由于保存了化石原料，這些材料將變得可持續(xù)，但這只是解決了部分問題。除非它們也能夠被生物降解，否則，對于環(huán)境來說它們?nèi)匀皇且粋€問題。

長在樹上的塑料杯！圖片來源：photokup

2. 塑料復(fù)合材料/納米復(fù)合材料（Plastic Composites/Nanocomposites）

塑料復(fù)合材料是由不同纖維構(gòu)成的更加堅固或有彈性的塑料。舉個例子，你在聚合物中鑲嵌一些碳纖維來增加強度，可以制造出一種用于現(xiàn)代節(jié)能型交通工具的輕質(zhì)材料。

這類纖維增強塑料（fibre-reinforced plastics）的使用正在快速發(fā)展，特別是在航空航天工業(yè)（波音787和空客A360都有50%的復(fù)合材料）。如果不是由于成本過高，這些材料將被用于所有的運輸工具。

最新出現(xiàn)的納米復(fù)合材料，用微粒子代替了其他包括了石墨烯在內(nèi)的物質(zhì)來加強塑料。這種新材料用途潛力無窮，從風(fēng)力渦輪葉片上輕量傳感器到電量更足的電池，再到植入人體的用于加速骨折恢復(fù)的支架。

如果我們成功地將納米復(fù)合材料在嚴(yán)密控制的工作條件下加工生產(chǎn)，將是令人心潮澎湃的一件事情。如果我們觀察自然材料例如木材的結(jié)構(gòu)，你會發(fā)現(xiàn)它們驚人得復(fù)雜。相比之下，我們現(xiàn)有的復(fù)合材料和納米材料是那么得不成熟。

3.有自愈能力的聚合物（Self-Healing Polymers）

基于對承受機械壓力以及環(huán)境適應(yīng)能力的考量。無論我們?nèi)绾稳绾巫屑?xì)地為工程應(yīng)用挑選材料，在撞擊或疲勞等因素所造成的老化、退化和機械完整性損失的影響下，這些材料都會不可避免地失敗。而我們不僅要付出昂貴的花費，有時還會帶來一場災(zāi)難，就像2010年在墨西哥灣“深水地平線”鉆井平臺爆炸事件那樣。

源于生物系統(tǒng)的靈感，科學(xué)家正在研發(fā)具有自愈能力的新材料。這可以用修復(fù)以往被人們認(rèn)為不可逆轉(zhuǎn)的損傷。盡管聚合材料不是唯一擁有自愈能力的材料，但是它在這方面尤為擅長。距離世紀(jì)之初這一能力第一次被發(fā)現(xiàn)，短短幾年內(nèi)，他們已經(jīng)提出了多項創(chuàng)造性的治療系統(tǒng)

視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=1i3yoK0C9Ag#action=share

由于有自我修復(fù)能力的聚合物所需要的設(shè)計比以往的聚合物要復(fù)雜的多，要想將這些概念推廣大量應(yīng)用，仍舊是個巨大的挑戰(zhàn)。但這似乎是生產(chǎn)既耐用又能容錯的材料的最終路線，可用于包括鍍膜、電子產(chǎn)品和運輸之類的產(chǎn)品。

4. 塑料電子（Plastic Electronics）

大多數(shù)聚合物是不導(dǎo)電的絕緣體。艾倫?麥克戴米德（Alan MacDiarmid）、艾倫?黑格（Alan Heeger）和白川英樹（Hideki Shirakawa）發(fā)現(xiàn)了一個名為聚乙炔的聚合物，通過摻雜過程將雜質(zhì)引入其中后可導(dǎo)電。在2000年諾貝爾獎的頒獎禮后，聚合物研究的這個領(lǐng)域又一次高潮涌起。

這一過程不僅能使其他類似聚合物導(dǎo)電，其中一些甚至還可以轉(zhuǎn)化為發(fā)光二極管（LED），提升了可彎曲電腦屏幕的前景，如下所示。

Plastic Logic展示的可彎曲屏幕。圖片來源：CC BY-SA

聚合物仍然面臨來自同行各業(yè)的巨大挑戰(zhàn)和激烈競爭，例如硅和有機發(fā)光二極管。不過，要尋找便宜的可彎曲電子設(shè)備替換件，聚合物是很好的選擇，因為它們很容易在溶液中進(jìn)行處理，并且可以用來3D打印。

在半導(dǎo)體中，聚合物可以作為其他物質(zhì)的載體，例如導(dǎo)電油墨。這種將聚合物作為導(dǎo)電部分仍然需要大量研究。

5. 智能聚合物和反應(yīng)性聚合物（Smart And Reactive Polymers）

凝膠和合成橡膠可輕松地對外部的刺激做出形狀上的調(diào)整，這也意味著他們能夠?qū)Νh(huán)境的改變做出響應(yīng)。外部的刺激通常會是溫度或酸堿性的改變，也可能是光、超聲波或者化學(xué)藥劑。在設(shè)計智能傳感器的材料、藥物運輸設(shè)備和眾多其他應(yīng)用程序上，這也被證明是非常有用的。

如果刻意設(shè)計，可以極大地擴(kuò)展聚合物對各種刺激的本能反應(yīng)。例如，機械響應(yīng)聚合物(mechanophors)，通過分子單位收到機械力可以改變聚合物的性質(zhì)。這些是具有廣闊潛力的工業(yè)應(yīng)用，特別是將自愈技術(shù)加入以后。

其他智能聚合物的應(yīng)用還有許多，包括可以窗戶臟后自動擦窗戶的鍍膜，以及當(dāng)傷口愈合時自動消失的醫(yī)療針。（翻譯：云上的甜甜圈審校：彌生）