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第15章 神奇的有机高分子材料(4)

从1958年纳塔教授的研究开始,到1987年纳尔曼教授的成功,经过30年的努力,导电聚乙炔终于诞生了。事实上,聚乙炔只是导电塑料的一种。

这些年来,对其他导电塑料的研究也有许多成就,每年发表的有关论文达数百篇。单是美国,在这几年的美国物理学会和美国化学学会的年会论文中,有近一半是关于导电高分子材料的。研制成功的导电塑料有:聚苯胺、聚噻吩及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、聚对苯乙炔、聚对亚苯基等。

导电聚合物的研究除了在开发品种上,还在导电机制上、导电聚合物的应用、超导聚合物等方面取得了进展。在应用方面已有许多成功的尝试,我们举几个例子。

导电聚乙炔的吸收光谱与照到地面上的太阳光十分相似,也就是说,导电聚乙炔能把太阳光中几乎所有的能量都吸收下来,因此是做太阳能电池的理想材料。

导电聚合物由于掺杂、脱杂,会发生从绝缘体到导电体之间的不同相变化,这种变化同时带来吸收光谱的变化,聚合物的颜色也就发生变化,所以用来做电致变色显示元件是很理想的。

透明的导电聚合物已成为透明导电膜的首选材料。我国访问学者曹镛参与的希格尔小组,已用某种导电聚合物制成了发光二极管。美国军界已把导电聚合物用于隐身飞机。

此外,导电聚合物还在传感器、电磁屏蔽、催化等方面作出了贡献。

目前,从事导电聚合物研究的科学工作者正充满信心,大家一致认为,本世纪导电聚合物研究将有突破性的进展,超导型导电聚合物也有成功的希望。导电聚合物全面造福于人类的日子已为期不远了。

§§§第七节会爬杆的液体

千奇百怪的流动现象

我们知道,气体或液体可统称为流体。这是因为它们没有固定的形状,在外力作用下会发生流动。流动是我们日常生活中司空见惯的现象,但不知你是否知道,有些液体的流动现象十分奇怪。下面就让我们来介绍一些。

当我们用棒快速搅动杯中的水时,会发现水将沿杯壁上升,而棒周围的水面则下降。但如果同样搅动某些高分子溶液或熔体,奇怪的现象发生了:

这些溶液或熔体会沿着棒往上爬,棒转得越快,爬得越高。这就是1948年由韦森堡发现的高分子的“爬杆效应”,又称“韦森堡效应”。

在地质钻探中,需要用泥浆冷却钻头。如果输出泥浆用的泵力量较小,尽管泥浆是液体,却不会从泵口流出,就好像泵被堵塞住了一样。当泵达到一定力量时,泥浆便会突然地倾泻出来。除了泥浆之外,还有一些流体也具有这种性质。由于美国物理化学家宾汉姆研究了这种现象,所以这类流体被称为“宾汉姆流体”。

在塑料和橡胶的挤出加工或纤维的拉丝生产中,人们发现,无论流出口设计成什么形状,流出产品的出口尺寸均会比这流出口的尺寸大,但长度却缩短了,仿佛它们能记住出口前在容器中的形状,并在离开出口后要努力予以恢复似的。人们把这种现象称为“弹性记忆效应”。

一位叫汤姆斯的科学家发现,若在水中加入极少量的某些高分子物质,加入量少到仅为水量的百万分之几,则水的流动阻力会下降75%,输送水管的出水率会因此一下子提高好几倍。若把这种含高分子的水注入油层的岩隙,可使石油的产量提高20%—50%。这种现象称为“汤姆斯效应”。

其实古代人们对液体的流动早有观察和利用。据我国2000年前的《墨经》记载,我们的祖先把陶瓷制成漏斗,灌入沙或水,用流出的沙或水的量来计时,这种“陶钟”的精度竟可同现代的钟表媲美。

无独有偶,埃及人在1500年前制造的“水钟”,不仅可以测量容器中水层高度与时间的关系,还可测定温度对水流黏度的影响,堪称一绝。

各种液体在流动时还有许多其他奇怪的现象,如无管虹吸、挤出畸变等等。于是,一门专门研究材料流动与变形的学科——流变学产生了。流体,特别是高分子流体是很重要的一类材料,因此,在高分子材料技术研究中,流变学研究也十分活跃。

牛顿流体定律

17世纪英国伟大的科学家牛顿,是最早深入研究物质流动和变形之间规律的人。对于水流的研究,他发表了著名的牛顿流体定律。该定律用数学公式表达了流体的流动阻力和切变速率之间的关系。式中的比例系数称为流体的黏度,其单位被定名为“泊”,以纪念对流变学有重大贡献的法国科学家泊肃叶。

非牛顿流体

牛顿的研究对象是水或气体等小分子流体,牛顿流体定律中的比例系数即黏度是一个不变的常数。这类流体称为“牛顿流体”。随着现代科学技术的发展,出现了大量新型的流体,若套用牛顿流体公式,将发现它们的黏度不再是一个不变的常数,人们将这类流体称为“非牛顿流体”。

对非牛顿流体的深入研究大大推动了流变学的发展,也提高了物质生产的水平。例如,我们在油漆家具或粉刷墙面时,当然希望涂层越均匀越平整越好。但在垂直面上要做到这一点却并不容易。其实,油漆和涂料就是非牛顿流体,它们的黏度是可变的。我们选定油漆、涂料的配方时,可要求配成的油漆或涂料在涂刷时黏度(阻力)很小,而一旦刷子停刷,黏度又变得很大,不会自行下流。这样,就可做到既涂刷省力又质量上乘。油漆与涂料的这种特性,用术语就称为“触变性”。也就是说,这种非牛顿流体当有外力的作用时黏度很小,没有外力时又变得很大,具有这种流变性能的流体称为“剪切变稀流体”。

相反,在塑料、橡胶、皮革、纤维及食品等工业中,不少流体在流动中随外力的增大,黏度随之增大。这类流体称为“剪切增稠流体”。

宾汉姆流体也属于非牛顿流体的一种,但又与牛顿流体有相似之处:当施加的外力超过一定值后,宾汉姆流体从不流动变成像牛顿流体一样流动,黏度不再变化。究其微观原因,宾汉姆流体(如泥浆)具有一种胶状结构,颗粒间相互连结。若外力不能破坏这种连结,它就不流动;而一旦破坏了,颗粒就像小分子一样欢畅地流动起来。

韦森堡效应

让我们再回到韦森堡发现的爬竿现象上来。高分子液体或熔体在旋转时会沿中心杆向上爬。如果将高分子流体置于两个转动的平板中间,它又会把两块平板分别向上、向下推挤。

如果把高分子流体放在一个圆锥板黏度计中,会发现在黏度计的不同位置,流体向上爬的高度不同,越近中心爬得越高。

原来,这些高分子流体不仅具有粘性,而且具有弹性。它们在流动时不仅有切向应力(沿流动方向),还会产生法向应力(垂直于流动方向)。流体的弹性成分越大,其法向应力就越大,也就能往竿上爬得越高。不同的高分子流体,由于它们的分子量、分子量分布,以及流动速度不一样,弹性就不一样,爬竿的能力也就不一样。

人们已经利用韦森堡效应,让赤裸的电线直接包裹上塑料,完全淘汰了过程复杂、成本高昂的沙包线工艺。

高分子流体的“缩骨功”

前面说过,在进行塑料挤出成型、橡胶拉片、纤维拉丝时,会出现产品厚度(或尺寸)增大,而长度缩小的现象,这就是弹性记忆效应。那么,这种弹性记忆效应的原理是什么呢?

原来,高分子溶液或熔体的分子一般都是长链分子,由于它们的长度比它们的直径大得多,通常就像线团那样一团一团地蜷曲着。然而当这些完全不规则的胖胖的线团不得不通过模具的小孔时,由于体积不能变化,故只得把自己拉长(分子链被迫拉伸);而一旦冲过模孔,它们便努力恢复自己原来自由松散的状态。这就像武侠小说中的高手,有一种“缩骨功”,得以穿过本来无法与人身体相适应的孔洞,过后又重新恢复正常一样。

高分子流体的这种弹性恢复一般在0.02秒里就能完成。现代的科学手段进一步证实,它与法向应力之间也存在一定的关系。有了这些科学理论根据,人们就能更准确地制造高分子产品,把它们的尺寸控制在我们所要求的范围之中。

今天,流变学已在现代机械制造、冶金、地质勘探、化工生产、新材料设计等多个领域中起着指导作用。同时,新问题新现象也不断涌现,比如有的高分子溶液会自动地爬上容器壁而流淌出去(这称为无管虹吸现象),气泡通过高分子溶液或熔体时会变成扁形、椭圆形等无法理解的形状。

由此可见,在流变学研究领域中,还有许许多多的谜等待着人们去揭开。

可以相信,流变学将不断地发展,也将不断地指导有关的工业部门生产出最优质的产品。有志献身于流变学研究的人,一定会大有作为。