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能自我修复的塑料（第1页）

能自我修复的塑料

迄今为止，我们日常使用的塑料易老化、寿命短，因此，开发不易老化的塑料也成为当今材料学的重大课题。

制造抗老化的材料一直是科学家的目标，就拿塑料来讲，尽管做了许多改进，但现在日常看到的塑料的寿命至多也就10年，而由强度很小的物质构成的人类寿命却有百年左右。这是为什么呢？原因在于，我们人体能够一边自我修复，一边继续生存。受此启发，科学家也将生物自我修复的机理移用于人造材料。科学家认为，如果材料果真能自我修复，今后的产品将发生革命性的改变。

美国科学家已经研究出一种能够自我修复内部“劳伤”的全新塑料。这种物质是设计用以填补表层破裂处的一种塑料，在自我修复的过程中需要氧气，有趣的是一旦修复完了，它竟然还能“排泄”。据说，这种全新的塑料产品已经问世。

*塑料强度的奥秘

世上的塑料大体上有三类，即“通用塑料”、“工程塑料”以及“超工程塑料”。其中，通用塑料有聚苯乙烯、聚乙烯以及氯乙烯等，它们大多用于制造日常生活用品，寿命为5~6年；工程塑料则有聚碳酸酯、聚酰胺和聚氧化甲烯等，一般用于制造汽车的零件、电子产品，通常价格比通用塑料高，寿命约为10年左右；超工程塑料仅在特殊环境下使用，价格昂贵，主要用于航空航天用品，其使用寿命可达100年。

我们日常使用塑料往往短寿命，至多在10年左右。其主要原因，就在于塑料内部会出现“劳伤”，这与材料老化有关。

那么老化是怎么产生的呢？塑料是由碳、氢、氧三种元素化合而成的纤维状高分子。这种高分子纤维之间络合在一起，使塑料具有固体一样的强度。普通的塑料里每一条纤维大约有7处络合在一起，这使塑料在使用时具有安全强度。而纤维被切断后会导致塑料老化。这是太阳的紫外线或人类使用时施加的外力造成的。如果络合在一起的纤维正中断开，那么一条纤维就变为二条，这个反应过程被称之为塑料的老化。

不知您有没有过这样的体验：一直在太阳下的塑料桶灌满了水，刚想提起来，却发现提手与塑料桶之间突然断开了。其实，这时的每条纤维都已有多处断裂。塑料的老化会随着使用时间的增长而越来越越严重。为此，制作人员掺入了一些紫外线吸收剂，以抑制老化，或在制品外表涂上油漆以抗老化。尽管如此，塑料仍未停止老化的步伐。

科学家研制的“自我修复塑料”是再自发地接上断开的高分子，以消除老化。当然这并非是说可以无限制延长寿命，但与普通的塑料相比，它的老化进程较慢，使用时间也明显延长了。

*“橡皮膏”与“修补剂”

1997年诞生了一种叫聚苯醚的工程塑料，这是科学家首次开发出来的自我修复塑料，成功的关键是开发了为应急处理伤口用的“橡皮膏”和治伤口的“修补剂”。

修补的原理非常简单，首先假定负分子络合的电子在某些外在因素作用下错开，导致高分子被切断，出现自由的电子，老化由此揭开了序幕。此时，预先置入的修补剂会向这个自由电子靠近。在聚苯醚，铜可以充当修补剂的角色。首先，铜以2价（缺少2个电子）的状态存在，当它从断开部分得到一个电子后变成1价。这个过程略显复杂，但通过这样的氧化还原反应，中断的部分就被恢复成原样。

这时，氢起的是“橡皮膏”作用。为了供给氢从而使聚苯醚具有自我修复能力，可预先在聚苯醚中置入“氢供给剂”，氢会在一旦出现断裂时来到断开部分产生的自由电子处进行结合。

聚苯醚的高分子如果没有氢供给剂的应急处理，内部可能会在各处连锁产生自由电子，这就会使材料遍体鳞伤。

*自我修复不可或缺

虽然自我修复终止了，但反应仍在继续。得到电子变成1价的铜，会继续与大气中的氧发生化学反应，使氧得到一个电子，铜又回到2价，再次获得作为“修补剂”的能力。这时，反应产生的氧离子与“橡皮膏”的氢离子结合，生成的水便成为废物“排泄”出来。通常来说，每克聚苯醚修复产生的水量为几百微克，修补“劳伤”系统的这种有规律循环是自我修复不可或缺的。

此外，科学家还为成功地聚碳酸酯等建立了自我修复系统。聚碳酸酯的修补剂是碳酸钠，这时的排泄物是气味难闻的石炭酸（苯酚）。在材料修复过程中，排泄物的出现是一个非常有趣的事，其实通过改进也可不必排泄。例如，在聚碳酸酯材料中加入起回收站作用的物质，具体地说如果放入碱性的微小硅胶，那么石炭酸就将被硅胶吸附，这样就不会向外释放垃圾了。但是，反应生成的物质又将成为另一问题，类似的研究还在进行中。目前，科学家正全力以赴构筑其他塑料的修复系统。

*期待全新学科的诞生

现在我们知道，上述材料是铜等触媒在受损伤处完成自我修复的。但塑料是固体，铜等原子或分子真的能到达断裂处吗？虽然有许多研究者认为，触媒不可能在固体中流动到断开部分，但也有专家提出，如果在5~10纳米的区域中有触媒，就可以引起自我修复反应。

很多人认为，在水溶液或气态环境中，自我修复反应才能发生，这个常识使我们对自我修复反应产生了误解。其实，与普通的化学反应完全不同，材料自我修复引起的化学反应涉及到的只有1023数量级的分子，也无法适用“化学平衡”等概念，也许这还是一门全新的科学领域，需要从理论上进一步研究。

另外，科学家们在研究中还发现，自我修复反应首先发生在老化最严重的部分。专家开始将研究方向转移到延伸塑料的寿命上，因为正常来说，高分子断开部分增加，有待发生的反应也增多，但结果却是老化严重的部分优先修复。

2002年以来，多家日本企业为了解决光热条件下电化产品易老化的问题，开发了相应的自我修复型塑料产品。汽车部件在使用这些自我修复塑料后，使用寿命也得到了明显的延长。

*人造材料都能自我修复吗

科学家预言，不但是塑料，今后包括金属和陶瓷等一切人造材料，都有可能具有自我修复性，自主地应对老化。虽然以前在材料研究中就有“自我修复”概念，但是从未见过实物。后来，科学家果真制造出了具有“自我修复”特性的实物，并由此开展了自我修复性的深入研究。或许人们不久以后就会把自我修复性视为产品的标准。毕竟，产品的寿命延长也就意味着它们的可靠性和性能的提高。

有效地利用自我修复性，延长物品的使用寿命，在资源日趋减少的今天，也算是从另一个方面缓解了日趋严重的环境问题。

新知博览——认识生物塑料

生物塑料指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料。生物塑料的身影在我们的生活中随处可见，大到电视机的支架、电脑框体，小到小摆件、厨房垃圾袋等。

生物塑料可以分为三类，分别是自毁型生物塑料、强耐耗性生物塑料和可耐高温生物塑料。

在给人类带来各种方便的同时，化学塑料制品也给人们带来难以想象的麻烦。由于在自然条件下有些废弃塑料不会降解，又会在燃烧时释放出有害气体，因此给生态环境造成了难以治理的污染。因此，各国科学家开始研制可以自行分解的自毁或自溶塑料，以解决这个问题。有人把它称作“绿色塑料”。

美国密茨根大学生物学家最早提出了“种植”可分解塑料的设想，他们用土豆和玉米为原料，植入塑料的遗传基因，使它们在人工控制下生长出不含有害成分的生物塑料。利用细菌，美国帝国化学工林公司把糖和有机酸制造成可生物降解的塑料。其方法与生产出乙醇的发酵工艺相似，但用的细菌是产碱杆菌属，能把喂食的物质转变成一种被称为PHBV的塑料。就像人类和动物积存脂肪一样，细菌积累这种塑料是作为能量储存。当达到它们体重的80％时，细菌积存的PHBV就用蒸汽把这些细胞冲破，把塑料收集起来。PHBV具有与聚丙烯相似的性质，这种材料在废弃后，即使在潮湿的环境下也是稳定的，但在有微生物的情况下，它将降解为二氧化碳和水。

耐耗性强塑料坚硬、重量轻、环保，可以用来生产汽车门、船壳、婴儿保育器等。普通塑料的半衰期为数千年，此计划研究的塑料原料采用的是植物，是一种无害的合成塑料，也是第一次利用可再生资源制造结构材料和产品，其半衰期很短。现今，自然纤维只有填充成型短纤维和压缩成型的垫子纤维两种，但这两种都不能为制造结构部件提供足够的强度和硬度。向自然纤维纱注入粘性热塑树脂会很困难，因为它通常都是拧在一起的。这个计划将经过加工的麻纤维和亚麻纤维要纺成连续的纤维，再织成高性能的纺织物。把这些纺织物与自毁型生物塑料如聚乳酸结合，然后通过真空袋成型和压缩成型使之成型为各种部件。最后还要进行表面处理，加强纤维与树脂之间的粘合。

作为一种新型生物塑料，可耐高温生物塑料的耐热性大大提高，热变形温度超过100℃，在一次性餐饮用具、一次性医疗用品等一次性器具，电子器件等产品的包装，以及农用薄膜、农药及化肥缓释材料等农用领域可广泛用。