聚合物改性過程中物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程

宋 衛(wèi)

（鹽城工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051）

在化學(xué)生產(chǎn)工藝中，生產(chǎn)原料是有限的，為了形成新的化學(xué)物質(zhì)，高分子物質(zhì)或者低分子化合物之間可以進(jìn)行有效的融合形成新的物質(zhì)，在融合發(fā)展組成新物質(zhì)的過程中，其中能量物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程也會發(fā)生變化。為了形成新物質(zhì)新的性能，需要進(jìn)行一系列化學(xué)反應(yīng)、物理反應(yīng)，以及高溫高壓下將物質(zhì)進(jìn)行此次融合。在實(shí)際化學(xué)生產(chǎn)工藝中，聚合物的應(yīng)用非常廣泛，聚合物構(gòu)成了許多生活用品中重要的組成部分，如塑料容器，尼龍制品，橡膠輪胎等。聚合物并不是一個單純的物質(zhì)，而是通過連接許多較小的分子形成長鏈，稱為單體，因此，聚合物是多個分子組合形成的一種物質(zhì)。在人類生存世界中，大多數(shù)聚合物都是通過人工合成，天然的聚合物只有脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），這兩種天然的聚合物組成生物最基本的化學(xué)物質(zhì)。除了這兩種天然的聚合物之外，還有其他天然聚合物，如絲、羊毛、毛發(fā)、指甲、纖維素和蛋白質(zhì)。

1 聚合物的性質(zhì)

聚合物是一種高分子化合物，又稱加聚物，是由多個分子聚合而成，有低分子聚合物，也有高分子聚合物，在實(shí)際化工生產(chǎn)以及實(shí)際生活中，人們應(yīng)用的大多都是高分子聚合物，簡稱高聚物。目前所應(yīng)用的聚合物大多都是人工合成的，天然的聚合物只是構(gòu)成物質(zhì)的化學(xué)基本成分，在實(shí)際生活中起不到實(shí)際作用，只能作用于生物基本化學(xué)構(gòu)成中，真正應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活的還是經(jīng)過合成之后的物質(zhì)，具有多種性能，比如具有高強(qiáng)壓性、耐高溫等。而且很多高聚物都能夠被生物降解，在厭氧環(huán)境下會生成硫化氫、甲烷等污染性物質(zhì)，但是這些物質(zhì)不會對環(huán)境產(chǎn)生長期的影響[1]。人類之所以要研究聚合物的改性使其形成新的化學(xué)性能形成新的物質(zhì)，有很大程度上都是因為組成聚合物的單體都是有毒的，聚合物的單體大多都是從石油中提取而來，其中不乏一些對人體造成傷害的物質(zhì)，影響人體健康?，F(xiàn)在，人們大量研究聚合物改性，降低其污染性質(zhì)，從中加入新的含氧化物，不會對人體造成傷害，而且在被降解之后，也不會對環(huán)境產(chǎn)生危害。另外，高分子聚合物有很多性質(zhì)也不符合工業(yè)化生產(chǎn)條件以及人們應(yīng)用的條件。高聚物由于分子含量很高，展現(xiàn)出很多劣勢，比如，高聚物難溶于其他物質(zhì)，甚至不溶，而且分子間的作用力很大，黏稠性很大，以至于只能以黏稠的固態(tài)或者液態(tài)呈現(xiàn)。其次，分子含量多且大，造成高聚物內(nèi)的分子分散程度也大。[2]

2 聚合物改性的理解

聚合物改性是一個化學(xué)反應(yīng)的過程，通過物理和機(jī)械的方法在聚合物中加入無機(jī)物質(zhì)、有機(jī)物質(zhì)或者其他物質(zhì)，也可以是不同聚合物之間相互混合的一個過程，聚合物是一個多鏈物質(zhì)，由多個單個鏈子組合而成，公鏈、支鏈都可以重新進(jìn)行組合，進(jìn)而形成新的物質(zhì)，用化學(xué)方法將聚合物之間實(shí)現(xiàn)共聯(lián)、相交、共聚，或者也可以將多種方法疊加使用，最后形成低成本高質(zhì)量的化合物，又或者改性后的聚合物具有聲、光、熱、力、電中的特殊性能，能夠用于特殊行業(yè)的工業(yè)原料中。聚合物改性中會涉及對原有物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換的過程，以及讓原有物質(zhì)發(fā)生性能上的變化。在實(shí)際的聚合物應(yīng)用中，大部分都是高分子聚合物，而高分子聚合物在實(shí)際中并不具有太大的功能，相反會對環(huán)境、人體產(chǎn)生一定的傷害，且實(shí)用性并不大。[3]因而，為了讓更多的高分子聚合物應(yīng)用于我們的日常生活中，因此必須對聚合物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)可以改變化學(xué)物質(zhì)本身的性質(zhì)，從而改變其基本性能，使之更能適用于人類基本的生產(chǎn)生活，這也是自然基本物質(zhì)的生存意義，成為人類生產(chǎn)活動中不可缺少的一部分，通過對聚合物改性讓其價值最大化，為人類活動提供便利。

3 聚合物改性的方法

3.1 物理方法和化學(xué)方法

聚合物改性的方法有很多種，大體上可以分為物理方法和化學(xué)方法，物理方法不會改變物質(zhì)的基本性質(zhì)。因此，物理方法一般用于兩種物質(zhì)的相互融合，兩種物質(zhì)可以互補(bǔ)，在性能上可以相互補(bǔ)充，在進(jìn)行高溫高壓的融合之后就可以形成具備新的性能的新的物質(zhì)。高分子聚合物是由很多鏈子形成的，而改變其化學(xué)性質(zhì)的主要方法就是改變這些主鏈、支鏈的分布連接結(jié)構(gòu)，以及讓大分子鏈之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一種改性方法。因此，化學(xué)方法可以適用于大多數(shù)的高分子化合物進(jìn)行改性，也是因為這種改性方法具有很多的優(yōu)勢，一般情況下，運(yùn)用化學(xué)改性方法得到的聚合物化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，改性效果維持時間長，但是不同于物理改性方法，化學(xué)改性方法通常采用化學(xué)反應(yīng)，因此操作過程非常復(fù)雜，且成本高。但是在實(shí)際化工實(shí)驗廠內(nèi)還是多以化學(xué)方法為主，化學(xué)方法中涉及的物質(zhì)、材料、器材等都非常復(fù)雜，也需要操作人員具有較高的操作工藝，因此，化學(xué)方法涉及的成本較高。因此，化學(xué)方法的應(yīng)用只適用于某些化工廠。[2]

3.2 其他改性方法

共混改性，共混改性是將兩種及兩種以上的高分子聚合物經(jīng)混合制備均勻混合物質(zhì)的一個過程，在共混改性方法下，可以分為物理共混改性和化學(xué)共混改性。同樣的，物理共混改性是在不改變原有物質(zhì)化學(xué)性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行混合的一個過程，并沒有涉及物質(zhì)內(nèi)部的性能發(fā)生變化。而化學(xué)共混改性是化學(xué)反應(yīng)的一個過程，比如在高溫高壓下，將兩種物質(zhì)有效的融合在一起，在高溫高壓下，可以改變混合物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，比如，在高溫高壓下，高分子聚合物的支鏈結(jié)構(gòu)可以被分離，重新和其他支鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，從而得到一種新的物質(zhì)。因此，共混改性適用于兩種或多種高分子聚合物在性能上的互補(bǔ)。

填充改性，顧名思義就是填充一種材料來達(dá)到改性的一種方法，在聚合物中填充一種材料，比如，無機(jī)粉體或者纖維，在加入某種材料后，原有聚合物的性質(zhì)就得到了改變，某些性能得到了改善。這種方法一般不需要對聚合物進(jìn)行大規(guī)模的性能改動，而且填充的材料一般都在化工工廠能夠接受的價格之內(nèi)，因而這種方法還有的一大優(yōu)勢就是節(jié)省成本。不僅節(jié)省了很多制作過程中的成本，而且填充材料簡單易得。填充改性這種方法并不經(jīng)常使用，填充改性必須要求兩種物質(zhì)的性能能夠有效地融合，如果性質(zhì)不能融合，那么就不能得到新的物質(zhì)。而在實(shí)際環(huán)境中，兩種物質(zhì)的性質(zhì)能夠完全融合的例子并不多見。因而，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中并不多見。[1]

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，聚合物改性過程一般都是應(yīng)用有機(jī)或者無機(jī)物質(zhì)為輔助材料進(jìn)行改性的過程，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料就是以有機(jī)聚合物為基體，用纖維類增加材料為增強(qiáng)劑的一種復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種合成的復(fù)合材料，聚合物本身就是一個高分子物質(zhì)，這是因為這一特性也使得很多聚合物在性能應(yīng)用方面存在很多的缺陷。在實(shí)際化工生產(chǎn)過程中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料經(jīng)常被應(yīng)用在各種聚合物中，利用有機(jī)物質(zhì)或者無機(jī)物質(zhì)使其性能更加完善，或者形成新的物質(zhì)。

表面改性，從字面上來看，就是對聚合物表面進(jìn)行改性的一種方法，改性過程只發(fā)生在聚合物表面，而不深入內(nèi)部。表面改性適用于利用表面性質(zhì)進(jìn)行化工生產(chǎn)的聚合物，比如，對聚合物表面的光澤、硬度、耐磨、防靜電等性能的改性，適用于對外部表面要求較高的高分子聚合物。因此，只對表面進(jìn)行改性的方法主要有表面氧化處理、表面電暈處理或者表面熱處理等，這些方法只會作用于聚合物表面，不會對其內(nèi)部進(jìn)行改變。又比如說，一種高分子聚合物表面的性能分布不均勻，利用表面改性的方法可以均勻高分子聚合物表面哦性能，使其分布均勻。表面改性適用于某些外部功能過于強(qiáng)大或者為物質(zhì)的應(yīng)用帶來了負(fù)面影響，只能將物質(zhì)的表面性質(zhì)進(jìn)行改善。在某些行業(yè)要求中，對應(yīng)用的物質(zhì)具有一定的特殊要求，必須擁有較強(qiáng)的光澤、硬度、耐磨等性質(zhì)。因此，表面改性也只是對于部分聚合物適用。

4 聚合物改性過程中的能量轉(zhuǎn)換

在聚合物改性過程中，有的是應(yīng)用化學(xué)方法，有的是應(yīng)用物理方法中的理論，物理方法并不會改變其物質(zhì)中的基本性能，只是對某種表面性能進(jìn)行改變，并不會改變其內(nèi)部性能。兩種或多種物質(zhì)進(jìn)行有效的融合就可以改變其中的性能。因此，物理方法一般來說并不會涉及能量轉(zhuǎn)換的過程，相反會把某些物質(zhì)溶于另一種物質(zhì)中，將一種物質(zhì)轉(zhuǎn)換為能量，轉(zhuǎn)換為聚合物的一種化學(xué)性質(zhì)。另外，聚合物改性也會應(yīng)用化學(xué)方法，化學(xué)方法可以改變聚合物的性能，是兩種能量轉(zhuǎn)換的過程，利用化學(xué)方法可以實(shí)現(xiàn)將一種物質(zhì)的光能轉(zhuǎn)換為動能，或者將動能轉(zhuǎn)換為電能，能量轉(zhuǎn)換過程意味著破壞了物質(zhì)原有的基本結(jié)構(gòu)，破壞了它的分子結(jié)構(gòu)以后，進(jìn)入到微觀層界面，將分析重新進(jìn)行排列組合。而在高分子聚合物中，就是將其中的主鏈、支鏈結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新組合，組合形成新結(jié)構(gòu)的同時也可以形成新的性能。目前來說，我國的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了納米級別的處理技術(shù)，因此，對于分子層面的處理技術(shù)來說，在聚合物改性過程我國的技術(shù)已經(jīng)到了純熟的程度。

5 結(jié)束語

聚合物是一種基礎(chǔ)的化學(xué)物質(zhì)，作為一個可以填充的聚合物基，可以往內(nèi)部填充進(jìn)入其他物質(zhì)，這樣可以形成一些具有特別性質(zhì)的復(fù)合材料，這些復(fù)合材料在我國各行各業(yè)中都有應(yīng)用，極大地提高了我國化工制造業(yè)方面的技術(shù)水平。聚合物中大多都是高分子聚合物，高分子聚合物由于其數(shù)量規(guī)模龐大的分子結(jié)構(gòu)，在基本應(yīng)用中并不具有太多的性能，相反會給環(huán)境及人體帶來很大的傷害，在降解之后也會對環(huán)境產(chǎn)生時間較長、危害較大的影響。因此，在化工生產(chǎn)中，一般都會對高分子聚合物進(jìn)行改性，改變其原有的性質(zhì)，或者在原有性質(zhì)的基礎(chǔ)上不斷完善，使其能夠成為人類生產(chǎn)生活的實(shí)際用品。改性過后形成的聚合物應(yīng)用于生產(chǎn)生活的方方面面。本文對聚合物的性質(zhì)進(jìn)行了闡述，發(fā)現(xiàn)其中某些性質(zhì)并不符合工業(yè)生產(chǎn)化條件。并對聚合物改性過程進(jìn)行深入解讀，了解改性過程究竟是一個什么樣的變化過程。然后，提出了幾種目前擁有的改性方法，包括物理方法、化學(xué)方法、填充改性、表面改性等等，這些方法各有各的技術(shù)特點(diǎn)，也適用于不同的聚合物進(jìn)行改性，因而，在改性的過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)原有物質(zhì)的基本構(gòu)成與性質(zhì)進(jìn)行改造。未來，聚合物形成的復(fù)合材料在能源催化方面還可以與其他技術(shù)相結(jié)合，尤其是目前的人工智能和數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，與新技術(shù)的結(jié)合可以推動其在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，也推動能源催化的發(fā)展研究與應(yīng)用，為我國的化工工藝提供更多的技術(shù)支持。