形状记忆塑料.docx

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形状记忆塑料

形状记忆塑料

形状记忆塑料是一种新型的热敏性功能材料。

材料简介

形状记忆塑料是一种新型的热敏性功能材料。

它是在室温以上―定温度下变形，并能在室温下固定形变且长期存放，当再升温至某一特定温度时，它能很快恢复到变形前形状的高分子材料。

浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛教授课题组最新研发的一种新型形状记忆塑料，它能多次“植入”复杂形状记忆，遇热即展现多样形变。

相关论文于2016年1月9日发表在《科学》杂志子刊《科学进展》上。

材料特点

形状记忆塑料的技术特点在于控制形状记忆材料中具记忆功能的分子链段的形变温度在一定范围内，并通过调节形状记忆材料的非记忆功能分子链段，使最终制品的形变温度在一定的温度范围内调节，从而在稍高于室温的温度条件下即可产生形变和形变恢复。

形状记忆塑料是一类能够暂时固定在临时形状，受到外界刺激后回复到初始形状的智能材料，在柔性电子、生物医学和航空航天等领域展示了越来越广的应用前景。

实验室制备的形状记忆塑料具有良好的力学性能和形变能力（形变可达300-400%），优良的形状记忆性能和适当的形变温度（约在60-75?

的范围内）。

与形状记忆合金相比,形状记忆塑料不仅具有变形量大、易加工、形状响应温度便于调整、保温、绝缘性能好等优点,而且不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉,因而获得广泛应用。

市场前景

研究人员认为，这一新型材料具有广阔实用价值和应用前景，研究人员期待它能早日用于诸如生物医疗或柔性电子等高附加值应用领域。

“比如心脏支架，我们希望它在到达植入‘目的地’以后，可以舒展成为一个复杂三维形状。

”

塑料是以单体为原料，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物（macromolecules），俗称塑料（plastics）或树脂（resin），可以自由改变成分及形体样式，由合成树脂及填料、增塑剂、

稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成。

塑料的主要成分是树脂。

树脂这一名词最初是由动植物分泌出的脂质而得名，如松香、虫胶等，树脂是指尚未和各种添加剂混合的高分子化合物。

树脂约占塑料总重量的40%,100%。

塑料的基本性能主要决定于树脂的本性，但添加剂也起着重要作用。

有些塑料基本上是由合成树脂所组成，不含或少含添加剂，如有机玻璃、聚苯乙烯等。

所谓塑料，其实它是合成树脂中的一种，形状跟天然树脂中的松树脂相似，经过化学手段进行人工合成，而被称之为塑料。

塑料是重要的有机合成高分子材料，应用非常广泛。

但是废弃塑料带来的“白色污染”也越来越严重，如果我们能详细了解塑料的组成及分类，不仅能帮助我们科学地使用塑料制品，也有利于塑料的分类回收，并有效控制和减少“白色污染”。

主要特性

大多数塑料质轻，化学性稳定，不会锈蚀;

耐冲击性好;

具有较好的透明性和耐磨耗性;

绝缘性好，导热性低;

一般成型性、着色性好，加工成本低;

大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧;

尺寸稳定性差，容易变形;

多数塑料耐低温性差，低温下变脆，容易老化;

某些塑料易溶于溶剂。

塑料可区分为热固性与热塑性二类，前者无法重新塑造使用，后者可以再重复生产。

热可塑性其物理延伸率较大，一般在50%~500%。

在不同延伸率下力不完全成线性变化。

对于塑料研发机构或企业都有欧标仪器的塑料拉伸实验机。

塑料不同性能决定了其在生活在工业中的用途，随着技术的进步，对塑料改性一直没有停止过研究。

希望不远的将来，塑料通过改性后的可以有更广泛的应用，甚至可代替钢铁等材料并对环境不再污染。

分子结构

基本有两种类型:

第一种是线型结构，具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物;第二种是体型结构，具有这种结构的高分子化合称为体型高分子化合物。

有些高分子带有支链，称为支链高分子，属于线型结构。

有些高分子虽然分子间有交联，但交联较少，称为网状结构，属于体型结构。

两种不同的结构，表现出两种相反的性能。

线型结构，加热能熔融，硬度和脆性较小的特点。

体型结构硬度和脆性较大。

塑料则两种结构的高分子都有，由线型高分子制成的是热塑性塑料，由体型高分子制成的是热固性塑料。

材料特性

〈1〉耐化学侵蚀

〈2〉具光泽，部份透明或半透明

〈3〉大部分为良好绝缘体

〈4〉质量轻且坚固

〈5〉加工容易可大量生产，价格便宜

〈6〉用途广泛、效用多、容易着色、部分耐高温

优点

1（大部分塑料的抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。

2（塑料制造成本低。

3（耐用、防水、质轻。

4（容易被塑制成不同形状。

5（是良好的绝缘体。

6（塑料可以用于制备燃料油和燃料气，这样可以降低原油消耗。

缺点

1.回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上不合算。

2.塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。

例如聚苯乙烯燃烧时产生甲苯，这种物质少量会导致失明，吸入有呕吐等症状，PVC燃烧也会产生氯化氢有毒气体，除了燃烧，就是高温环境，会导致塑料分解出有毒成分，例如苯等。

3.塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。

4.塑料埋在地底下几百年、几千年甚至几万年也不会腐烂。

5.塑料的耐热性能等较差，易于老化。

6.由于塑料的无法自然降解性，它已成为人类的第一号敌人，也已经导致许多动物死亡的悲剧。

比如动物园的猴子，鹈鹕，海豚等动物，都会误吞游客随手丢的1号塑料瓶，锅炉管www.lclp.cc最后由于不消化而痛苦地死去;望去美丽纯净的海面上，走近了看，其实飘满了各种各样的无法为海洋所容纳的塑料垃圾，在多只死去海鸟样本的肠子里，发现了各种各样的无法被消化的塑料。

生物降解

“塑料在黄粉虫肠道快速生物降解，揭示了丢弃在环境中塑料废物的新命运。

”北京航空航天大学杨军教授说。

塑料在环境中难以自然降解，而聚苯乙烯又是其中之最，由于高分子量和高稳定性，普遍认为微生物无法降解聚苯乙烯类塑料。

2015年北京航空航天大学杨军教授研究组、深圳华大基因公司赵姣博士等在环境学科领域的权威期刊《EnvironmentalScience&Technology》上合作发表了两篇姊妹研究论文，证明了黄粉虫（面包虫）的幼虫可降解聚苯乙烯这类最难降解的塑料。

该研究显示，以聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食源，黄粉虫幼虫可存活1个月以上，最后发育成成虫，其所啮食的聚苯乙烯被完全降解矿化为CO2或同化为虫体脂肪。

这种发现为解决全球性的塑料污染问题提供了思路。

世界难题

石油化工生产的塑料废物污染是世界环境难题。

大部分塑料一次性消费使用后即被丢弃。

迄今为止学术界认为，塑料产品由于物理化学结构稳定、在自然环境中可能数十至数百年不会被分解。

杨军教授介绍，2013年全球消费2.99亿吨塑料，其中聚苯乙烯类塑料占7%，每年消耗约2100万吨，常见的塑料饭盒、咖啡杯等可承受开水温度的材料即为聚苯乙烯。

权威的调查已经表明，聚苯乙烯这种塑料在土壤、污泥、腐烂垃圾，或粪肥微生物群落里，4个月仅降解0.01%-3%的范围。

每年全世界有4000万吨的废弃塑料在环境中积累,中国每年约有200万吨废弃塑料丢在环境里。

以农田用农膜为例，我国农膜年产量达百万吨,且以每年10%的速度递增,无论覆盖何种作物,所有覆膜土壤都有残膜。

据统计,我国农膜年残留量高达35万吨,残膜率达42%，大量残膜遗留在农田0-30厘米的耕作层。

也就是说,有近一半的农膜残留在土壤中,食品安全方面是一个极大隐患。

“塑料在土壤中完全被微生物同化,降解成CO2和水实现无机矿化,可能需要200-400年时间,从而造成在环境中的积累。

”杨军教授告诉羊城晚报记者。

虫子帮忙

2005年起，杨军团队开始研究塑料生物降解。

主攻最难降解的聚苯乙烯等塑料降解。

科学家此前使用几种土壤无脊椎动物实验，如蚯蚓、千足虫、蛞蝓、蜗牛等看看其能否吃掉塑料。

在饲喂14C标记的塑料如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），结果显示无法降解。

杨军认为，生物降解塑料的思路要开拓，不能只局限于微生物,可以考虑鳞翅目昆虫、白蚁等,海洋中的蛀船虫和钻孔蚌能侵蚀聚乙烯和海底电缆，也可考虑从这些生物中分离并克隆能产生活性基团的关键酶及其基因。

杨军团队的2014年研究发现，蜡虫（印度谷螟幼虫）能够咀嚼和进食聚乙烯PE薄膜，幼虫肠道分离出能够降解PE薄膜的两种菌株，即肠杆菌属YT1和芽孢杆菌YP1。

随后研究团队发现，黄粉虫幼虫是一种吃掉塑料更为厉害的动物，其尺寸比蜡虫更大（通常长35毫米，宽度3毫米），其可以将泡沫塑料作为唯一食品。

黄粉虫有4个生活阶段:

卵、幼虫、蛹和成虫。

黄粉虫又叫面包虫，在昆虫分类学上隶属于鞘翅目，拟步行虫科，粉甲虫属（拟步行虫属）。

原产北美洲，50年代从前苏联引进中国饲养，黄粉虫被誉为“蛋白质饲料库”。

其干品含脂肪30%，含蛋白质高达50%以上，此外还含有磷、钾、铁等多种元素。

干燥的黄粉虫幼虫含蛋白质40%左右、蛹含57%、成虫含60%。

在中国国内，黄粉虫实际上类似蚕，人类可以直接食用，炒着吃，也可以用来做饲料，黄粉虫作饲料喂养的蝎子、蜈蚣、蛤蚧、蛇、热带鱼和金鱼，不仅生长快、成活率高，而且抗病力强，繁殖力也大大提高。

养殖黄粉虫十分容易，养殖户可用新鲜燕麦、小麦糠、苹果养殖。

虫子吃掉塑料

杨军教授的团队从中石化燕山分公司购买了聚苯乙烯塑料原料，这些原料中没有添加剂和催化剂。

而α-13C、β-13C标记的聚苯乙烯塑料样品则从美国购买。

黄粉虫从北京大兴、河北秦皇岛等昆虫养殖场购买，用谷物饲养，这些虫子位于3-4虫龄（即褪了3-4次皮）。

这些黄粉虫被放置在一个有泡沫塑料块的聚丙烯塑料容器里。

实验人员定期测量被黄粉虫吃掉的泡沫塑料块重量，对照组是常规麦麸饲养的黄粉虫，实验中500个黄粉虫以5.8克的泡沫为唯一食物，在控制条件的温室中单独饲养（25?

1?

C，80?

2%湿度，和16:

8光/暗周期）。

在孵化过程中，死亡的黄粉虫立即去除。

杨军等人在实验中，以泡沫塑料为单一食源喂养黄粉虫幼虫。

对比正常饲养（喂食麸皮）和停食的幼虫，结果发现，在16天实验期内，幼虫干重尽管并未如正常饲养的幼虫显著增加（+33.6%），仅小量增加了0.2%（这是由于相比麸皮，泡沫塑料的水含量和营养价值较低），但也未像停食的幼虫干重明显降低（-24.9%），并且对比喂食塑料和麸皮两组的幼虫存活率，并无明显差异。

100只黄粉虫每天可以吃掉34-39毫克的泡沫塑料。

在16天的试验期，虫子摄入泡沫塑料中47.7%转化为CO2。

而残留（约49.2%）被转化为类似兔粪便的生物降解颗粒被排泄出体外。

试验用α-13C或β-13C标记的聚苯乙烯塑料证实其被矿化为碳13标记二氧化碳和脂类。

幼虫肠道内聚苯乙烯泡沫停留时间不超过24小时就降解。

用聚苯乙烯泡沫塑料作为唯一食物的幼虫，与那些喂以正常食物（麦麸）的虫子过了1个月后，健康情况一样，最后发育成甲壳成虫。

黄粉虫在泡沫上吃出了一个一个洞。

通过虫子的肠道后，摄入的泡沫塑料的化学结构和组成发生变化。

通过采用凝胶渗透色谱（GPC）、碳13的核磁共振光谱，热重傅里叶变换红外光谱，证实了幼虫肠道中聚苯乙烯长链分子断裂形成虫子代谢产物随着粪便排出。

实验还进一步在幼虫肠道中成功分离出可以利用聚苯乙烯为唯一碳源进行生长的聚苯乙烯降解细菌——微小杆菌YT2（Exiguobacteriumsp.YT2）。

该菌株已保存在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心和国家基因库，是国际上报道的第一株保存在菌种中心的聚苯乙烯降解细菌。

能吃所有塑料

研究团队给出了黄粉幼虫啮食降解聚苯乙烯机理:

第一步，泡沫塑料首先被黄粉幼虫嚼噬成细小碎片并摄入肠道中;第二步，嚼噬作用增加了聚苯乙烯泡沫与微生物和胞外酶的接触面积，所摄食的碎片在肠道微生物所分泌的胞外酶作用下，进一步解聚成小分子产物;第三步，这些小分子产物在多种酶菌和黄粉幼虫自身酶的作用下，进一步降解并同化形成幼虫自身组织;第四步残留的泡沫碎片与部分降解中间产物，混合部分肠道微生物，以虫粪的形态排泄出体内，在虫粪中泡沫塑料可能还会进一步继续降解。

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成分

成分简介

我们通常所用的塑料并不是一种纯物质，它是由许多材料配制而成的。

其中高分子聚合物（或称合成树脂）是塑料的主要成分，此外，为了改进塑料的性能，还要在高分子化合物中添加各种辅助材料，如填料、增塑剂、润滑剂、稳定剂、着色剂、抗静电剂等，才能成为性能良好的塑料。

塑料助剂又叫塑料添加剂，是聚合物（合成树脂）进行成型加工时为改善其加工性能或为改善树脂本身性能所不足而必须添加的一些化合物。

例如，为了降低聚氯乙烯树脂的成型温度，使制品柔软而添加的增塑剂;又如为了制备质量轻、抗振、隔热、隔音的泡沫塑料而要添加发泡剂;有些塑料的热分解温度与成型加工温度非常接近，不加入热稳定剂就无法成型。

因而，塑料助剂在塑料成型加工中占有特别重要的地位。

合成树脂

合成树脂是塑料的最主要成分，其在塑料中的含量一般在40%,100%。

由于含量大，而且树脂的性质常常决定了塑料的性质，所以人们常把树脂看成是塑料的同义词。

例如把聚氯乙烯树脂与聚氯乙烯塑料、酚醛树脂与酚醛塑料混为一谈。

其实树脂与塑料是两个不同的概念。

树脂是一种未加工的原始高分子化合物，它不仅用于制造塑料，而且还是涂料、胶粘剂以及合成纤维的原料。

而塑料除了极少一部分含100%的树脂外，绝大多数的塑料，除了主要组分树脂外，还需要加入其他物质。

填料

填料又叫填充剂，它可以提高塑料的强度和耐热性能，并降低成本。

例如酚醛树脂中加入木粉后可大大降低成本，使酚醛塑料成为最廉价的塑料之一，同时还能显著提高机械强度。

填

料可分为有机填料和无机填料两类，前者如木粉、碎布、纸张和各种织物纤维等，后者如玻璃纤维、硅藻土、石棉、炭黑等。

填充剂在塑料中的含量一般控制在40%以下。

增塑剂

增塑剂，或称塑化剂可增加塑料的可塑性和柔软性，降低脆性，使塑料易于加工成型。

增塑剂（塑化剂）一般是能与树脂混溶，无毒、无臭，对光、热稳定的高沸点有机化合物，最常用的是邻苯二甲酸酯类。

例如生产聚氯乙烯塑料时，若加入较多的增塑剂便可得到软质聚氯乙烯塑料，若不加或少加增塑剂（用量<10%），则得硬质聚氯乙烯塑料。

稳定剂

稳定剂主要是指保持高聚物塑料、橡胶、合成纤维等稳定,防止其分解、老化的试剂。

为了防止合成树脂在加工和使用过程中受光和热的作用分解和破坏，延长使用寿命，要在塑料中加入稳定剂。

常用的有硬脂酸盐、环氧树脂等。

稳定剂的用量一般为塑料的0.3,0.5%。

着色剂

着色剂可使塑料具有各种鲜艳、美观的颜色。

常用有机染料和无机颜料作为着色剂。

合成树脂的本色大都是白色半透明或无色透明的。

在工业生产中常利用着色剂来增加塑料制品的色彩。

润滑剂

润滑剂的作用是防止塑料在成型时粘在金属模具上，同时可使塑料的表面光滑美观。

常用的润滑剂有硬脂酸及其钙镁盐等。

抗氧剂

防止塑料在加热成型或在高温使用过程中受热氧化，而使塑料变黄，发裂等。

除了上述助剂外，塑料中还可加入阻燃剂、发泡剂、抗静电剂、导电剂、导磁剂、相容剂等。

以满足不同的使用要求。

抗静电剂

塑料是卓越的绝缘体，所以很容易带静电，而抗静电剂可以赋予塑料以轻度至中等的电

导性，从而可防止制品上静电荷的积聚。