天然高分子材料的优点范文

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较详细地评述了高分子材料的研究方向和应用发展方向.

关键词：高分子材料 应用 现状 发展

高分子材料（macromolecular material），以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看作是高分子的集合。

高分子材料按来源分为天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类应用合成高分子材料的开始。现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。

高分子材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性的高分子材料。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等

目前，高分子材料的应用现状主要有以下几个方面：

1.传统产品

如纤维、橡胶、塑料等等

2.高分子分离膜

高分子分离膜是用高分子材料制成的具有选择性透过功能的半透性薄膜。采用这样的半透性薄膜，以压力差、温度梯度、浓度梯度或电位差为动力，使气体混合物、液体混合物或有机物、无机物的溶液等分离技术相比，具有省能、高效和洁净等特点，因而被认为是支撑新技术革命的重大技术。

3.高分子磁性材料

高分子磁性材料，是人类在不断开拓磁与高分子聚合物(合成树脂、橡胶)的新应用领域的同时，而赋予磁与高分子的传统应用以新的涵义和内容的材料之一。早期磁性材料源于天然磁石，以后才利用磁铁矿(铁氧体)烧结或铸造成磁性体，现在工业常用的磁性材料有三种，即铁氧体磁铁、稀土类磁铁和铝镍钴合金磁铁等。它们的缺点是既硬且脆，加工性差。为了克服这些缺陷，将磁粉混炼于塑料或橡胶中制成的高分子磁性材料便应运而生了。这样制成的复合型高分子磁性材料，因具有比重轻、容易加工成尺寸精度高和复杂形状的制品，还能与其它元件一体成型等特点，而越来越受到人们的关高分子材料。

4.光功能高分子材料

所谓光功能高分子材料，是指能够对光进行透射、吸收、储存、转换的一类高分子材料。目前，这一类材料已有很多，主要包括光导材料、光记录材料、光加工材料、光学用塑料(如塑料透镜、接触眼镜等)、光转换系统材料、光显示用材料、光导电用材料、光合作用材料等。光功能高分子材料在整个社会材料对光的透射，可以制成品种繁多的线性光学材料，像普通的安全玻璃、各种透镜、棱镜等;利用高分子材料曲线传播特性，又可以开发出非线性光学元件，此外，利用高分子材料的光化学反应，可以开发出在电子工业和印刷工业上得到广泛使用的感光树脂、光固化涂料及粘合剂;利用高分子材料的能量转换特性，可制成光导电材料和光致变色材料;利用某些高分子材料的折光率随机械应力而变化的特性，可开发出光弹材料，用于研究力结构材料内部的应力分布等。

5.高分子复合材料

高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料。高分子复合材料最大优点是博各种材料之长，如高强度、质轻、耐温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质高分子结构复合材料包括两个组分：增强剂。为具有高强度、高模量、耐温的纤维及织物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维及以上纤维的织物;基体材料。主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱合聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺等热固性树脂及苯乙烯、聚丙烯等热塑性树脂，这种复合材料的比强度和比模量比金属还高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料。

目前，我国高分子材料应在进一步开发通用高分子材料品种、提高技术水平、扩大生产以满足市场需要的基础上，重点发展以下方向：

1.工程塑料

全世界通用热塑性树脂约占97%，工程塑料的生产规模远不如通用塑料，但因市场的需求,近年来其发展的速度则远远高于通用塑料,年均增长率达7%~8%。近年来工程塑料的发展方向是研究开发工程塑料高分子合金、发展超韧尼龙、超韧聚甲醛、耐应力开裂聚碳、聚苯醚和聚矾等高性能合金研究开发特种工程塑料,如聚酞亚胺。

2.复合材料

复合材料合成一种新材料使之满足各种高要求的综合指标。复合材料的发展可以分为4个方面。一是以玻璃纤维增强为手段,对大品种塑料进行改性研究开发新的复合工艺；二是采用高性能增强剂如碳纤维等来增强耐高温等高性能树脂；三是开发新型热塑性树脂基体如热塑性聚酞亚胺；四是研究开发功能复合材料,如压电材料等。

3. 液晶高分子材料

液晶聚合物是介于固体结晶和液体之间的中间状态的聚合物 ,其分子排列的有序性虽不如固体晶体那样有序,但也不是液体那样的无序 ,而是具有一定的 一维或二维 有序性 ,当加工此种聚合物 ,如纺丝或注射成型时,其分子发生取向 这种分子取向一旦冷却即被固定下来,从而具有不寻常的物理和机械性能。

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关键字：高分子材料；材料应用；生活应用

引 言：

材料是科学与工业技术发展的基础。一种新材料的出现，能为社会文明带来巨大的变化，给新技术的发展带来划时代的突破。材料已当之无愧的成为当代科学技术的三大支柱之一。高分子材料科学已经和金属材料、无机非金属材料并驾齐驱，在国际上被列为一级学科。高分子材料的功能很多，而且应用十分广泛。

一、高分子材料的定义及特性

1. 高分子材料是以高分子化合物为基础的材料，高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料，由千百个原子彼此以共价键结合形成相对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化合物。

2.高分子材料的结构特性

高分子结构通常分为链结构和聚集态结构两个部分。链结构是指单个高分子化合物分子的结构和形态，所以链结构又可分为近程和远程结构。聚集态结构是指高聚物材料整体的内部结构，包括晶体结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构等有关高聚物材料中分子的堆积情况，统称为三级结构。

3.高分子材料按来源分类

高分子材料按来源分，可分为天然高分子材料、半合成高分子材料（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子材料包括纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等。合成高分子材料以及以高聚物为基础的，如各种塑料，合成橡胶，合成纤维、涂料与粘接剂等。

二、生活中的高分子材料的应用

生活中的高分子材料很多，如蚕丝、棉、麻、毛、玻璃、橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料和高分子基复合材料等。其中塑料产量最大，主要用于包装材料、结构材料、建筑材料以及交通运输材料；橡胶的主要用途为制造轮胎；纤维的主要用途为衣着用料。此外结构高分子还包括工程塑料、耐高温高分子以及液晶高分子等。

（一）、塑料

塑料是一种合成高分子材料，又可称为高分子或巨分子，也是一般所俗称的塑料或树脂，是利用单体原料以合成或缩合反应聚合而成的材料，由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、剂、色料等添加剂组成的，聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等品种，因为产量大、用途广、价格低，被称为“通用塑料”，主要用于日常生活用品、包装材料和一般零件。它的主要成分是合成树脂。

1. 塑料的优点：

a）易于加工、易于制造、易于成型。b）可根据需要随意着色，或制成透明制品。c）可制做轻质高强度的产品。d）不生锈、不易腐蚀。e）不易传热、保温性能好。f）既能制做导电部件，又能制作绝缘产品。塑料本身是很好的绝缘物质，目前可以说g）减震、消音性能优良，透光性好。h）产品制造成本低。

2.塑料的缺点

a）回收利用废弃塑料时，分类十分困难，而且经济上也不合算。

b）塑料容易燃烧，燃烧时产生有毒气体。

c）塑料是由石油炼制的产品制成的，石油资源是有限的。

d）耐久性差，易老化。

3.塑料的应用。

塑料制品在生活中的应用十分广泛。塑料应用按使用目的分有通用塑料、工程塑料、加纤塑料、合金塑料、降解塑料、纳米塑料、功能塑料等。例如透明塑料制成整体薄板车顶。薄板车顶的新概念基于透明灵活的聚碳酸酯或硅树脂材料，可以被永久性地塑造成单个的聚碳酸酯薄板，也可作为可折叠铰链和封条。拜耳材料科技研发的原型总共配备了四个灵活的薄板部件，形成了四扇“顶窗”，每扇窗都可单独打开和关闭。导轨用于连接薄板部件，形成一个牢固、透明的聚碳酸酯车顶外壳。一个同样透明的管子沿车顶结构中央纵向放置，在“顶窗”打开后用来调节折叠薄板。这样可以形成三维立体结构，组件比平坦的薄板更加牢固。同时也大大降低了单个组件的数量。

（二）、纤维素

纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50%以上。纤维素是存在量最大的一类有机化合物。它是植物骨架和细胞的主要成分。在棉花、亚麻和一般的木材中，含量都很高。

纤维素的用途：棉麻纤维大量用于纺织；木材、稻草、麦秸、蔗渣等用于造纸；制造硝酸纤维：火棉（含N量较高，制无烟火药）、胶棉（含N量较低，制赛璐珞和油漆）；制造醋酸纤维：不易着火，用于制胶片；制造粘胶纤维（NaOH、CS2处理后所得，长纤维称人造丝，短纤维称人造棉）；膳食纤维：第七种营养成分，有利于消化。

（三）、建筑涂料

建筑涂料是一种专供建筑工程装饰用的涂料，它在涂料产品结构中是产量最大的一类品种。建筑涂料是以各种合成树脂为主要成膜物， 添加颜料、填料、各种助剂调配而成。具有保护作用、装饰作用或特殊作用。

下面简要介绍几种涂料。

1. 丙烯酸树脂

丙烯酸树脂是指丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体在引发剂的作用下，通过加聚反应生成的聚丙烯酸树脂及与其他烯类单体如苯乙烯、乙酸乙烯等共聚生成的共聚物树脂。

日前，在整个涂料工业中，乙烯类单体（尤其是丙烯酸酯单体）合成的树脂涂料比例不断增大。究其原因，首先是这类产品的原料是石油化工产品，资源丰富，价格低廉。其次是聚丙烯酸酪树脂及其共聚物树脂具有极好的耐光、耐候性，在户外紫外光照射下不易分解或变黄，能长久保持原有的光泽和色泽；耐热性好，在170℃下不分解，不变色，甚至在230℃左右或更高温度下仍不变色；树脂色泽浅，透明；有很好的耐酸、碱、盐、油脂、洗涤剂等化学品的拈污及腐蚀性能；极好的柔韧性和最低的颜料反应性。聚丙烯酸酿树脂及其共聚物树脂与混凝土具有很好的附着性能，涂装后，具有预防混凝土性能降低，在一定程度上能增强建筑物的防水性能，因此而成为目前建筑外用涂料及高级内用涂料的最重要的基料之一。

2.聚氨基甲酸酯树脂

在分子结构中含有氨基甲酸酯重复链节的高分子化合物称为聚氨基甲酸酯树脂，简称聚氨酪。它由异氰酸酯单体和含活泼氢的化合物“逐步聚合”而成。

由于聚氨酯分子结构中存在大量的极性键合，以及分子间稳定的氢键，因此使聚氨酯涂料具有许多优异的性能，尤其是物理机械性能好，涂膜坚硬、柔韧、光亮、丰满、耐磨、附着力强，优良的耐高、低温性能，耐腐蚀性优异，良好的电性能，施工不受季节限制，与多种合成树脂混湾性优良，可制备各种性能不同的涂料产品等。因此聚氨酯涂料用途非常广泛，目前各产业部门都有其应用领域。聚氨酯涂料的不足之处主要体现在价格高和毒性大。异氰酸酷单体毒性较大，在涂料制备、施工应用时必须注意加强劳动保护，以防止中毒。

综上所述，高分子材料业已和我们的生活息息相关。从人类进入天然高分子化学改性阶段出现半合成高分子材料起，到1907年出现合成高分子酚醛树脂，标志着人类开始应用合成高分子材料，再到现代其与金属材料、无机非金属材料同成为科学技术、经济建设中的重要材料，高分子材料必将在各个领域大放光彩，并越来越拥有更重要的作用。

参考文献：

[1].李良，生活中的高分子材料. 科学与技术 2011、10

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随着塑料工业的快速发展，塑料产品已经广泛应用到人们的生活当中，给人类带来了许多的便利，与此同时，由于人们对其大量需求致使废弃物中的塑料越来越多，这对生态环境造成了严重的污染。因而，现在许多科学家都在寻找新的环境友好型材料。其中生物可降解高分子材料就属于环境友好型材料，这其中最受人们关注的就是聚乳酸（PLA），具有良好的生物降解性，在微生物作用下分解为二氧化碳和水，对环境不会造成危害。人们之所以选择聚乳酸作为环境友好型材料来研究，是因为聚乳酸具有强度高，透明性好，生物相容性好等优点，可以应用于很多领域，包括医用、包装、纺织等。但是由于其结晶性能差，脆性大等缺点，使其在某些性能方面存在严重的不足，这就严重限制了聚乳酸的应用[1]。为了使聚乳酸能够更好的应用到各个领域，研究者们对其进行表面改性，使其性能得到改善，能够得到更好的应用。

1.生物可降解高分子材料

生物可降解高分子材料是环境友好型材料中最重要的一类。它是指在一定条件下，一定的时间内，能被细菌、真菌、霉菌、藻类等微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的一类高分子材料。由于其具有无毒、生物降解及良好的生物相容性等优点，生物降解高分子被广泛应用于医药、一次性用品、农业、包装卫生等领域。按照来源的不同，可将其分为天然可降解高分子和人工合成可降解高分子两大类。

天然可降解高分子：有淀粉、纤维素、蛋白质等，这类高分子可以自然生长，并且降解后的产物没有毒性，但是这类高分子大多不具备热塑性，加工起来困难，因此不常单独使用，只能与其它高分子材料掺混使用。

人工合成可降解高分子：有聚乳酸、聚己内酯、聚乙烯醇、聚己二酸乙二酯等。这类聚酯的主链大多为脂肪族结构单元，通过酯键相连接，主链比较柔软，容易被自然界中微生物分解。与天然可降解高分子材料相比较，人工合成可降解高分子材料可以在合成时通过控制温度等条件得到不同结构的产物，从而对材料物理性能进行调控，并且还可以通过化学或物理的方法进行改性[2]。

在以上众多的天然可降解高分子材料和人工合成可降解高分子材料中，天然可降解高分子材料加工困难，成本高，不被人们选中，因此，人们把目光集中在了人工合成可降解高分子材料中，这其中聚乳酸具有其良好的生物相容性、生物可降解性、优异的力学强度和刚性等性能，在诸多人工合成可降解高分子材料中脱颖而出，被人们所选中。

2. 聚乳酸材料

在人工合成可降解高分子材料中，聚乳酸是近年来最受研究者们关注的一种。它是一种生物可降解的热塑性脂肪族聚酯，是一种无毒、无刺激性，具有良好生物相容性、强度高、可塑性加工成型的生物降解高分子材料。合成聚乳酸的原料可以通过发酵玉米等粮食作物获得，因此它的合成是一个低能耗的过程。废弃的聚乳酸可以自行降解成二氧化碳和水，而且降解产物经光合作用后可再形成淀粉等物质，可以再次成为合成聚乳酸的原料，从而实现碳循环[3]。因此，聚乳酸是一种完全具备可持续发展特性的高分子材料，在生物可降解高分子材料中占有重要地位。迄今为止，学者们对聚乳酸的合成、性质、改性等方面进行了深入的研究。

2.1聚乳酸的合成

聚乳酸以微生物发酵产物-乳酸为单体进行化学合成的，由于乳酸是手性分子，所以有两种立体结构。

聚乳酸的合成方法有两种；一种是通过乳酸直接缩合；另一种是先将乳酸单体脱水环化合成丙交酯，然后丙交酯开环聚合得到聚乳酸[4]。

2.1.1直接缩合[4]

直接合成法采用高效脱水剂和催化剂使乳酸低聚物分子间脱水缩合成聚乳酸，是直接合成过程，但是缩聚反应是可逆反应，很难保证反应正向进行，因此不易得到高分子量的聚乳酸。但是工艺简单，与开环聚合物相比具有成本优势。因此目前仍然有大量围绕直接合成法生产工艺的研究工作，而研究重点集中在高效催化剂的开发和催化工艺的优化上。目前通过直接聚合法已经可以制备具有较高分子量的聚乳酸，但与开环聚合相比，得到的聚乳酸分子量仍然偏低，而且分子量和分子量分布控制较难。

2.1.2丙交酯开环缩合[4]

丙交酯的开环聚合是迄今为止研究较多的一种聚乳酸合成方法。这种聚合方法很容易实现，并且制得的聚乳酸分子量很大。根据其所用的催化剂不同，有阳离子开环聚合、阴离子开环聚合和配位聚合三种形式。（1）阳离子开环聚合只有在少数极强或是碳鎓离子供体时才能够引发，并且阳离子开环聚合多为本体聚合体系，反应温度高，引发剂用量大，因此这种聚合方法吸引力不高；（2）阴离子开环聚合的引发剂主要为碱金属化合物。反应速度快，活性高，可以进行溶液和本体聚合。但是这种聚合很难制备高分子量的聚乳酸；（3）配位开环聚合是目前研究最深的，也是应用最广的。反应所用的催化剂主要为过渡金属的氧化物和有机物，其特点为单体转化率高，副反应少，易于制备高分子量的聚乳酸。但是开环聚合有一个缺点，所使用的催化剂有一定的毒性，所以目前寻找生物安全性高的催化剂成为配位开环聚合研究的重要方向。

2.2聚乳酸的性质

由于乳酸单体具有旋光性，因此合成的聚乳酸具有三种立体构型：左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）和消旋聚乳酸（PDLLA）。其中PLLA和PDLLA是目前最常用，也是最容易制备的。PLLA是半结晶型聚合物，具有良好的强度和刚性，但是其缺点是抗冲击性能差，易脆性断裂。而PDLLA是无定形的透明材料，力学性能较差[5]。

虽然聚乳酸具有良好的生物相容性和生物可降解性、优异的力学强度和阻隔性，但是聚乳酸作为材料使用时有明显的不足之处；韧性较差并且极易弯曲变形，结晶度高，降解周期难以控制，热稳定性差，受热易分解，价格昂贵等。这些缺点严重限制了聚乳酸的应用与发展[6]。因此，针对聚乳酸树脂原料进行改性成为聚乳酸材料在加工和应用之前必不可少的一道工序。

2.3聚乳酸的改性

针对聚乳酸的以上缺点，研究者们对其进行了增韧改性、增强改性和耐热改性，用以改善聚乳酸的韧性和抗弯曲变形能力，提高热稳定性，进一步增强聚乳酸材料。

2.3.1增韧改性

在常温下聚乳酸是一种硬而脆的材料，在用于对材料要求高的领域，需要对其进行增韧改性。增韧改性主要分为共混和共聚两种方法。但是由于共聚法在聚乳酸的聚合过程中工艺比较复杂，并且生产成本高，因此在实际工业生产中，主要用共混法来改善聚乳酸的韧性。共混法是将两种或两种以上的聚合物进行混合，通过聚合物各组分性能的复合达到改性目的[7]。为了拓展聚乳酸材料在工程领域的用途，研究者们常采用将聚乳酸与其它高聚物共混，这样一方面能够改善聚乳酸的力学性能和成型加工性能，另一方面也为获得新型的高性能高分子共混材料提供了有效途径。

增韧改性所用的共混法工艺比较简便，成本相应低一些，在实际工业生产中更加实用。不过受到聚乳酸本身的硬质和高模量限制，共混法改性目前主要方向为增韧、调控亲水性和降解能力。

2.3.2增强改性

聚乳酸本身为线型聚合物，分子链中长支链比较少，这就使聚乳酸材料的强度在一些场合满足不了使用的要求。因此要对其进行增强改性，使其强度达到要求。目前主要采用了玻璃纤维增强、天然纤维增强、纳米复合和填充增强等技术来对聚乳酸进行改性，用以提高聚乳酸材料的力学性能[7]。

目前，植物纤维和玻璃纤维对增强聚乳酸的力学性能效果相差不大，但是植物纤维价格低廉，并且对环境友好，因而成为对聚乳酸进行增强改性的常见材料。而填充增强引入了与聚合物基体性质完全不同的无机组分并且综合性能提升明显，因此受到广泛的关注。这其中，以纳米填充最有成效，填充后可以全面提升聚乳酸的热稳定性、力学强度、气体阻隔性、阻燃性等多种性能。此外，聚乳酸具有生物相容性和可降解的特性，因此用做人体骨骼移植、骨骼连接销钉等医学材料。

2.3.3耐热改性

耐热性差是生物降解高分子材料共有的缺点。聚乳酸的熔点比较低，因此它在高温高剪切作用下易发生热降解，导致分子链断裂，分子量降低，成型制品性能下降。因此需要对聚乳酸进行耐热改性，用以提高其加工性能，通常采用严格干燥、纯化和封端基等方式提高其热稳定性[8]。目前，添加抗氧剂是提高聚合物耐热性的常用方法，除了采用添加改性或与其它树脂共混改性来提高聚乳酸耐热性，还可以通过拉伸并热定型的方法提高聚乳酸的耐热性，与此同时，还可以改善其聚乳酸复合材料韧性和强度。在纺织、包装业等领域有很好的应用。

从上述几种改性结果来看，与聚乳酸相比，改性后的聚乳酸复合材料综合性能等方面都得到了全面的提升，在医学、纺织、包装业等领域都得到了很好的应用。因此，聚乳酸复合材料得到了人们的喜爱与关注，并逐渐将人们的生活与之紧紧联系在了一起。成为国内外研究者所要研究的重点对象。

3.聚乳酸复合材料及研究进展

3.1聚乳酸复合材料

经过改性剂改性过的聚乳酸复合材料是一种新型复合材料，它是以聚乳酸为基体，在其中加入改性剂混合用各种方式复合而成的。同时它具备与聚乳酸相同的无毒、无刺激性、良好的生物相容性等性质，但是在性能方面要都优于聚乳酸。聚乳酸复合材料在柔顺性、伸长率、力学、电、热稳定性等方面都表现出了优异的性能，目前已经将其应用与医学、农业、纺织、包装业和组织工程等[9]领域，应用非常广泛。

聚乳酸复合材料可以在微生物的作用下分解为二氧化碳和水，对环境不会造成任何的危害，加上其在各个方面都具有优异的性能，可以用于各个领域。因此成为了新一代的环境友好型材料被国内外的研究者们广泛关注。目前，就聚乳酸复合材料的研究，国内外研究者们都取得了一定的成果和进展。

3.2聚乳酸复合材料研究进展

由于聚乳酸作为生物相容，可降解环境友好材料，存在着结晶速度慢、结晶度低、脆性大等缺陷，将需要与具有优异导电、导热、力学性能，生物相容性等优点的填料复合进行填充改性[10]。这个方法成为目前国内外研究的重点。对于聚乳酸复合材料的研究以下是国内外研究者的研究进展。

盛春英[1]通过溶液共混法制备了聚乳酸/碳纳米管复合物，用红外光谱和DSC研究了复合材料的等温结晶和非等温结晶性能，重点研究了CNTs的种类、管径、管长、质量分数以及聚乳酸分子量对复合物结晶性能的影响，以及等温结晶对复合材料拉伸性能的影响。

范丽园[2]将左旋聚乳酸和纳米羟基磷灰石用含有亲水基团的JMXRJ改性剂，通过溶液共混法，加强两者亲水性能和结合能力。以碳纤维为增强体，制备出碳纤维增强改性PLLA基复合材料。并分析其化学结构、结晶行为、热性能以及等温结晶时晶球变化。

张东飞等[3]人介绍了碳纳米管制备的三种方法，即石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法，并阐述了碳纳米管导热基本机理，对碳纳米管应用于复合材料热传导性能进行了研究与展望。

赵媛媛[4]采用溶液超声法，选用多壁碳纳米管作为填充物，制备聚乳酸/碳纳米管复合材料，并对其进行改性研究。以碳纳米管化学修饰及百分含量的变化对其在PLLA基体中的分散性、形态、结晶行为、力学性能和水解行为的影响为主要研究对象。

张凯[5]通过对有效的碳纳米管分布对复合材料的导电性能进行研究。并重点从形态调控角度，调节碳纳米管在高分子基体中的有效分布，构建了高效的导电网络。并从晶体排斥、相态演变、隔离的角度，设计三种不同形态的导电聚乳酸/复合材料，降低了材料的导电逾渗值。

冯江涛[6]通过采用混酸处理、表面活性剂修饰和表面接枝三种方法对对碳纳米管表面进行修饰，利用溶剂蒸发法制备聚乳酸/碳纳米管复合材料，采用红外吸收光谱、拉曼光谱、偏光显微镜、透射电镜、扫描电镜、差示扫描量热分析仪对复合材料的表面形貌和结构进行了分析和总结。

李艳丽[7]通过混合强酸酸化与马来酸酐接枝相结合，对碳纳米管表面修饰，增强了碳纳米管与聚乳酸之间的界面相互作用，获得了碳纳米管分散均匀的聚乳酸/碳纳米管纳米复合材料。并且研究不同条件下碳纳米管对聚乳酸结晶行为的影响，发现碳纳米管对聚乳酸的结晶有明显的异相成核作用。

许孔力等[8]人通过溶液复合的方法制备聚乳酸/碳纳米管复合材料，并对其力学性能和电学性能进行了详细的研究，而且对复合材料的应用前景进行了展望。

李玉[9]通过将聚乳酸与具有优异导电、导热、力学性能、生物相容性的碳基纳米填料进行填充改性。考察了静电纺丝参数对聚乳酸纤维的形貌影响，并且考察了不同含量的碳纳米管对复合纤维形貌和结构的影响。此外，还对静电纺丝和溶液涂膜制备工艺对复合材料性能影响。

赵学文[10]通过将碳纳米粒子引入聚合物共混体系实现了复合材料的功能化与高性能化。并且他们提出一种基于反应性碳纳米粒子的热力学相容策略，有效的提高了不相容共混物的界面粘附力，增强了材料的力学性能，同时赋予了导电等功能。

Mosab Kaseem等[11]人通过热、机械、电气和流变性质对聚乳酸基质中碳纳米管的类型、纵横比、负载、分散状态和排列的依赖性。对不同性能的研究表明，碳纳米管添加剂可以提高聚乳酸复合材料的性能。

Mainak Majumder等[12]人通过对聚乳酸/碳纳米管复合材料制备和表征方面的研究，

综述有关碳纳米管在聚乳酸基质中分散的有效参数。并且将聚乳酸与不同材料结合用来改变其性能。

Wenjing Zhang等[13]人通过溶液共混制备了一系列PLLA/碳纳米管复合材料。测试了形态，机械性能和电性能。通过研究发现随着碳纳米管含量达到其渗透阈值，PLLA/碳纳米管复合材料的体积电阻降低了十个数量级。通过光学显微镜图像显示了纳米复合材料的球晶形态，用差示扫描量热法（DSC）测量，其结果显示，随着碳纳米管含量的增加，冷结晶温度升高。

Eric D等[14]人通过研究在半结晶聚合物碳纳米管复合材料中，碳纳米管被视为可以影响聚合物结晶的成核剂。但是，由于碳纳米管的复杂性。不同的手性，直径，表面官能团，使用的表面活性剂和样品制备过程可能会影响复合材料结晶。研究了半晶复合材料的结构，形态和相关应用。简要介绍聚合物中的结晶和线性成核。使用溶液结晶方法揭示了界面结构和形态。

Kandadai等[15]人通过拉曼光谱分析表明PLLA和碳纳米管之间的相互作用主要通过疏水的C-CH3官能团发生。复合材料的直流电导率随碳纳米管负载的增加而增加。导电的碳纳米管增强的生物相容性聚合物复合材料可以潜在地用作新一代植入物材料，从而刺激细胞生长和通过促进物理电信号传递来使组织再生。

从以上国内外研究者的研究进展中，可以看到，大部分的研究者都是通过溶液共混的方法制备聚乳酸复合材料，这种方法对于国内外的研究者们来说比较简便可靠。并且他们将制备好后的聚乳酸复合材料通过红外光谱、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、差示扫描量热、拉曼光谱和偏光显微镜等手段进行其结构和性能的观察和分析，发现聚乳酸复合材料的性能在各个方面都有显著的提高，并且可以应用与各个领域，应用前景非常广阔。聚乳酸复合材料作为新一代性能全面的环境友好型材料，国内外的研究者们对聚乳酸复合材料的研究还在进行着，并且对于它的发展都有很高的期待。

4.本课题的研究思路及研究内容

4.1 研究思路

聚乳酸作为可降解生物材料，同时又具有生物相容性，力学性能好等优点。碳纳米管则具有良好的生物相容性，功能性等优点。将两种材料复合可以进一步改善聚乳酸结晶性能、力学性能、赋予其导电性。

对于聚乳酸/碳纳米管复合材料的制备可以通过共混法、原位聚合及静电纺丝法来制备，目前通常采用溶剂挥发法制备聚乳酸/碳纳米管复合材料。通过拉曼光谱、电子能谱、扫描电子显微镜、示差扫描量热来测定其结合能、材料表面形貌以及结晶、熔融温度等方面进行观察分析。

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关键词：高分子化学改性 教学内容 教学方法

中图分类号：G642.0 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.21.108

高分子材料由于具有优越的综合性能、简便的成型工艺和广泛的应用领域等优点，得到了迅猛的发展。但是，高分子材料也有诸多需要克服的缺点。例如许多塑料品种性脆而不耐冲击，有些耐热性差而不能在高温下使用；有些耐高温聚合物的加工流动性差而难以成型。未经过硫化改性的橡胶几乎没有使用价值。诸如此类的问题，都要求对高分子聚合物进行改性。通过改性可以使聚合物的性能大幅度地提高，或者被赋予一些新的功能。其中，化学改性是一种较早出现的有效的聚合物改性方法[1-2]。《高分子化学改性》课程是高分子材料与工程专业的重要专业基础课，具有较强的理论性和实用性。该课程重点介绍了聚合物的接枝共聚改性、嵌段共聚改性、无规共聚改性和高聚物的化学转变等聚合物的化学改性方法。为了提高《高分子化学改性》课程的教学质量，笔者根据自己的教学实践，分析探讨了本课程的教学手段和教学方法，有以下一些体会和想法。

1 理论联系实际

高分子化学改性是一门理论性与应用性都比较强的专业基础课，课程内容繁杂、涉及学科众多。在教学过程中，必须将理论知识与实际应用相结合才能提高学生的学习兴趣，达到良好的教学效果。例如，在聚合物的接枝共聚改性讲授中，举例说明了高吸水性淀粉的接枝改性，淀粉是一种多羟基的高分子化合物，本身具有较强的亲水性，为了提高其吸水率，可以在淀粉主链上接枝具有亲水性基团的支链。利用有强亲水性的支链和能溶胀成庞大体积的淀粉骨架相结合，把水分牢固地结合起来，以达到吸水保水的效果，从而被广泛应用于农业、工业医药、环保等多个领域。通过具体的实例将理论知识与生产实践相结合，不仅可以加深学生对理论知识的理解，还可以提高学生的专业学习兴趣。

2 采用多媒体教学

多媒体教学是根据教学的对象和教学的目标特点，将现代教学媒体合理地与传统教学手段有机组合进来进行教学的一种现代教学方式[3，4]。多媒体可以包含图像、声音、动画，可以将抽象、感性的知识具体化、形象化，把呆板、单调的讲解灵活化、趣味化，同时还可以加大信息量，减少板书量，在有限的时间内讲授更多的知识，促使学生在上课的时候更能集中精力听课，提高教学质量与效率。高分子化学改性是一门实用性较强的课程，它与现实生产联系紧密。课程中的许多知识，如果教师只是采用口述的方法来讲授，学生难以有直观的了解。例如，在讲述改性高分子材料的成型设备时，通过多媒体引入大量的产品实物图片，既可以让学生有更直观、感性的认识，又可以提高学生的学习兴趣。

3 采用互动教学

教师的主要作用在于引导学生进行积极的探索，激发学生的创新思维能力，教师传授给学生的主要不是知识本身而是学习知识的方法。在教学过程中，教师是教的主体，学生是学的主体，教师应该通过引导和启发学生，教会其正确的学习方法，培养学生的自主学习能力，充分发挥学生的潜能[5，6]。为了充分发挥学生学习的主动性与积极性，在高分子化学改性教学过程中积极开发学生的学习潜力，注重培养学生自主查询、整理资料和语言表达等方面的综合能力。在课程教学过程中注重介绍高分子改性领域的最前沿研究，让学生选择自己感兴趣的课程内容，充分利用网络和图书馆等资源查询相关信息进行整理、分析，让学生根据自己的个人情况将论成PPT形式上台进行讲述，鼓励学生提出自己的见解，引导学生从多角度、多层面思考问题，培养学生对资料的收集能力、阅读能力、理解能力和写作能力，锻炼学生的胆量，提高学生的表达能力。通过互动式的教学提高了学生学习本专业的兴趣，拓宽了学生的专业知识，为以后从事本专业的研究工作奠定了坚实的基础。

4 进行专题讲座

为了加深学生对课程知识的理解及更好地将理论知识运用到实际生产中，在教学过程中，在一些重要的章节后加入专题报告。例如，在讲授完接枝共聚改性的知识点后，给学生做“天然橡胶的化学接枝改性”的专题报告，讲述了天然橡胶的优缺点，接枝改性的目的和接枝单体的选择，接枝机理的探讨和接枝工艺的优化，接枝共聚物的结构表征方法，并介绍了接枝共聚物的性能及应用。通过专题报告，使学生更深入地了解学习高分子化学改性的目的和解决问题的思路，掌握高分子化学改性的实验设计过程，并会对实验结果及数据进行分析。这一方面让学生体会到高分子化学改性这门课的研究内容很有实际意义，引起学习的兴趣，另一方面，为学生以后在科研或工作中应用高分子化学改性方法解决实际问题打下了基础。

5 教学与科研相结合

高校教师在教学的同时，一般都承担一些科研项目。教师通过参与科研项目，加深了对专业知识的理解，了解学科前沿，在教学活动中更能理论联系实际，激发学生的学习热情。同时，将科研融入教学活动中不仅可以丰富教学的内容、还可以提高学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力。例如，在讲授高聚物的接枝共聚改性时，结合“吸水天然橡胶”的课题，介绍课题的研究思路及研究内容，为了提高天然橡胶的吸水性，可以在天然橡胶主链上接枝亲水性的单体，接枝工艺的优化，接枝高聚物的结构表征及性能测试。通过结合课题讲授，可以在丰富教学内容的同时，激发学生的专业学习兴趣，并开阔了学生的视野，拓展了思维。

6 结语

随着高分子材料科学的飞速发展和各种新材料的不断涌现，对高分子材料工程专业的学生也提出了新的要求。因此，高分子化学改性课程的教学内容、教学手段和教学方法也需要不断改进和完善。教师在教学的过程中，可以不断地激发学生的学习兴趣，拓宽其知识，提高其综合素质，培养其独立分析问题和解决问题的能力，以培养更多的复合型、高素质的创新型人才。

参考文献：

[1]黄左军，葛建芳.高分子化学改性[M].中国石化出版社，2009.

[2]王国全，王秀芬.聚合物改性[M].中国轻工业出版社，2000.

[3]左丹英，黄年华，刘晓洪等.《高分子流变学》教学方法的探讨[J].武汉纺织大学学报，2011，24（2）：79-81.

[4]喻利花.《材料近代分析方法》课程教学方法的思考[J].渤海大学学报（自然科学版），2008，29（3）：275-277.

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【关键字】固定化微生物技术；载体材料；制备方法

固化微生物技术是20世纪70年代末发展起来的一项现代生物、环境等领域中的新兴技术。该技术是运用物理或者化学等方法，将游离的细胞或酶与固态的非溶性载体相结合，将其限制于有限的空间区域内，使其不溶于水但保持活性，并可反复和连续的使用。它主要包括固定化酶技术和固定化微生物技术。

固定化微生物技术与传统的活性污泥法相比，存在着明显的优势，主要体现在：（1）生产工艺连续化和自动化；（2）污泥产量少，减轻了后期处理污泥的负担，降低工程投资成本和造价；（3）生物密度高，有利于降解有毒有害物质；（4）耐受能力强且易于回收再利用，大多数载体材料市场价格低廉；（5）固液分离效果好，可纯化和保持高效菌种；（6）不会造成环境二次污染；（7）微生物被固定后，细胞内相当于一个反应器，酶系保存完整。

1 固定化载体材料

1.1 固定化材料的性能要求

固定化小球载体材料的选择是固定化微生物技术中的关键步骤之一。其要求成本低廉、易于制成各种形状、抗冲击能力强、性质稳定、对固定的微生物无毒、在常温下固化快、传质性能好、寿命长、小球的基质具有通透性，单位体积的载体固定的微生物的数量多等。

1.2 固定化材料的种类

固定化材质分为三大类：（1）有机高分子载体，分为天然高分子载体材料和合成有机高分子载体材料。其中天然高分子载体材料包括琼脂、角又莱胶、海藻酸钠、无烟煤、卡拉胶、海藻酸钙、葡萄糖、纤维素、明胶、胶原蛋白等，合成有机高分子载体材料包括离子交换树脂、塑料、聚丙烯酰铵、聚乙烯醇、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。天然高分子材料具有无毒性、传质性好、固定化微生物密度高等特点，但是其强度低、抗微生物分解能力较差。可以通过交联剂对其进行稳定化处理。而有机高分子材料抗微生物分解性能好、强度高、性质稳定、对微生物无毒且价格低廉，因而具有很高的利用价值。但其载体聚合物网络的形成条件比较剧烈，对微生物活性有较大影响。（2）无机载体材料，包括多孔陶珠、红砖碎粒、砂粒、活性炭、玻璃、硅藻土等，无机载体材料具有对微生物无毒，耐酸耐碱，寿命长，机械强度大等优点。（3）复合载体材料，是将无机载体与有机载体材料相结合，以改进材料的性能。例如Lin等[1]利用海藻酸钙凝胶联合包埋固定黄孢原毛平革菌和粉沫活性炭，用于降解五氯酚（PCP）。实验表明：复合固定化体系比单独固定化体系更加有效地降解PCP，突出了出复合载体材料的优越性。

1.3 比较固定材料性能的实验

熊振胡等人[2]采用包埋法分别以海藻酸钠和PVA作为固定化蛋白核小藻菌微生物的载体，将制成的小球用于城市污水的脱氮除磷试验中，实验表明PVA作为城市污水脱氮除磷的固定化载体更为适合。

杨雪梅，张兰英等[3]选用硅胶、活性炭、大孔树脂三种载体，采用物理吸附法固定蛋白酶，三种固定小球分别对含高浓度蛋白质的淀粉黄浆废水进行水解实验。结果表明，活性炭对蛋白酶的固定率可达到61 .95 %，大孔树脂37 .85 % ，硅胶20 .31 %。所以活性炭对蛋白酶的固定效果最好。

2 固定化有机载体的制备方法

2.1 吸附法

吸附法是应用物理吸附或离子吸附将细胞固定在载体表面或内部，制成非水溶性小球。此方法操作简单，对细胞的活性影响较小，但该法固定的微生物量一定，重复性和稳定性较差，同时载体与微生物的结合强度也不够牢固，容易脱落。往往需要引入亲水和疏水配位体制成载体衍生物。

2.2 包埋法

包埋法是通过沉淀作用、离子网络作用、聚合作用或者改变温度、PH、溶剂使细胞截留在不溶于水的多聚体化合物网络空间中。同时也可保证底物的渗入和产物的渗出。包埋法可分为沉淀包埋法、离子网络包埋法、高分子合成包埋法。该方法操作简单，固定的微生物活性高，制成的小球强度高。此法已在多种废水中做过实验研究[4-5]。

2.3 交联法

交联法是使用双功能或多功能的基团与细胞进行分子间进行交联，连接成网状结构。此法细胞间的结合强度高，物理和化学稳定性强，但是在交联过程中酶的中心构造可能受到影响，且交联剂的价格昂贵，故不常用。

2.4 共价结合法

共价结合法是利用固相支持物表面的反应基团与细胞表面功能团形成共价化学键，形成固定化微生物[6]。

2.5 聚集-交联法

聚凝剂直接与细胞表面的反应基团发生反应形成聚集体，再加入一定量的交联剂进行交联，使彼此联成立体网状结构。此方法微生物浓度高，处理效果较好[6]。

2.6 无载体固定法

在形成微生物适宜的生存环境的过程中，絮凝颗粒形成，有利于微生物之间信息的的传递[7]，从而利用微生物之间的代谢协调作用来实现固定。该方法是一种新概念，与其他固定化方法比较，具有操作简单，扩散阻力小，传质效果好，固定过程中对细胞颗粒的整体活性影响较小等优势。将在污水处理中得到广泛的应用[8]。

以上各种制备固定化微生物的方法都有其各自的优点，目前根据实际的情况包埋与吸附法应用的最为广泛，研究的也最多。固定化有机载体的制备主要采用包埋法。交联法由于自身的原因没有推广，有待开发廉价的交联剂。聚合-交联法较其他单一固定化方法有巨大的潜力与优势，必将在今后的环境保护中得到进一步的应用。无载体固定法因方法简单在污水领域有一定的应用。

3 对固定化微生物技术的展望

近年来，固定化微生物技术以其显著的优势引起了人们普遍的关注。但将其从实验室走向实际的废水处理中还存在一定的难度，还有许多问题需要解决，主要有以下5个方面：（1）固定化微生物技术筛选的为单一的优势菌种，具有专一性，但生活中的废水是一个复杂的体系，单一的固定化微生物小球可能无法解决实际问题；（2）目前载体的成本较高、使用寿命短；（3）固定化载体内微生物的浓度无法精确测定，缺乏最佳控制的动力学处理法及运行管理方式；（4）对无机材料与复合材料研究不够，主要集中在有机方面；（5）反应器的设计不合理导致的运行管理费用高。但是随着专家学者对此项技术的不断深入的研究，此上的各类问题将一一解决，固定化微生物技术必将在废水、废气、矿物、土壤中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

[1]LIN J E，WANG HY，HICKEY R F. Use of coimmobilized biological systems to degrade toxic organic compounds[J].biotechnol and bioengin，1991，38：273-279.

[2]熊振湖，孔翠珍，刘青春 不同载体固定化藻菌共生系统的脱氮除磷.天津城市建设学院.2005.

[3]杨雪梅，张兰英，张蕾，于宏兵，张玉玲.固定化酶在高浓度有机废水处理中的应用.吉林大学学报.2005.

[4]周定，侯文华，固定化微生物在含酚废水中的应用[J] 环境科学，1990，11（1）；2-5.

[5]葛文准，荣文辉.固定化微生物处理氨氮废水[J].上海环境科学.1995，14（4）；10-13.

[6]陶慧敏，杨绍宾，张广积.固定化细胞技术在矿业领域中的应用[J].2010.

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关键词：化学工程 裂解

0 引言

近年来，以分析裂解为主的反向工程技术发展极为迅速，其优越性在于:①可以了解橡胶制品的组成、结构以及各个体系的作用机理，从而优化配方提高制品的性能，指导新制品的研制开发；②可以分析废旧橡胶制品的成分、结构，从而了解老化降解机理，为废旧橡胶制品的再利用提供依据。

1 分析裂解原理

是指将样品放在严格控制的环境中加热，使之迅速裂解成易挥发的分子碎片，并用其他联用装置分离和鉴定这些裂解碎片，从而推断样品的组成、结构和性质。联用装置最普遍的是色谱仪和质谱仪，故分析裂解是裂解质谱和裂解色谱的总称。

1.1 裂解质谱 裂解质谱即将热裂解产生的碎片送入质谱分析仪中，由谱图分析裂解产物。裂解质谱具有所需样品量小、可从碎裂方式分析分子结构、可鉴定混合物等优点。故裂解质谱是最早也是最广泛应用于合成和天然高分子结构分析的质谱技术，典型应用包括:均聚物结构的确认；异构体高分子的区别；共聚物的组成和序列分布分析；高分子混合物的分析；高分子中挥发性添加剂的鉴定及添加剂对高分子性能影响的研究和高分子的热分解机理研究等。裂解质谱技术包括直接裂解质谱、闪蒸裂解质谱和裂解色谱质谱。

1.2 裂解色谱 是将试样放在严格控制的条件下，经过热裂解形成小分子碎片，而后用直接或间接方法送进气相色谱仪中进行分离测定。不同的高分子材料有不同的特征谱图，因此未知样品谱图与标准特征谱图对照分析，即可对未知样品进行定性、定量分析。本方法可以发挥气相色谱法的快速、灵敏度高、分离效能高的优点，且样品用量少，对含有复杂填充剂的硫化胶，通常可不必经过复杂的分离手续，即可直接进样裂解分析。主要用于聚合物的鉴定、组成分析、结构表征以及降解研究等方面。高分辨裂解气相色谱和裂解同时衍生化技术是近年分析裂解技术的重要进展，其大大推动了裂解色谱在各个领域中的应用。裂解质谱与裂解色谱相比在定性分析制品方面占有绝对优势，但定量分析较为困难，而裂解色谱则可定量分析。综合裂解质谱和裂解色谱各自的优点，两种技术的联用可对橡胶制品进行广泛的推广。

2 分析裂解技术的应用

橡胶制品由于相对分子质量大，难溶、难熔且难以挥发，用通常的分析技术难以分析他们的组成。分析裂解技术可以结合化学方法并与其他仪器分析法如红外、核磁等联用，对橡胶制品进行深入、系统的分析，是提供制品分子结构、组成信息唯一而有效的方法。

2.1 废旧橡胶分析 橡胶工业发展的同时废旧橡胶的产量也与日俱增，这不仅造成了环境污染，还浪费了大量资

源，回收利用废旧橡胶制品已成为一个重大的社会问题。

回收利用废旧橡胶制品首先要对其组成结构给以分析。景治中等人曾用热裂解色谱2质谱技术对硅橡胶边角废料及次品进行分析，确定了两种酸碱化合物的组成，高温橡胶的酸催化裂解产物主要是环状化合物，室温橡胶的酸催化裂解产物中有环状和链状两类化合物，从而为硅橡胶废料利用提供了理论依据。邱清华等运用裂解质谱及其他辅助技术对胶粉进行了研究，结果表明，胶粉含胶率为49161%，填料质量分数为50139%，其中炭黑质量分数为29128%，为胶粉的利用提供了理论依据。孙玉珍采用色质连用仪对氟橡胶二段硫化挥发物进行了研究，确定挥发物及组分来源，对环境保护有很重要的意义。对废旧橡胶制品的组成结构分析，可以了解其废旧原因，探讨其废旧机理，以便在制品的配方设计或工艺设计中加以改善，从而提高制品的使用寿命。Cardina利用分析裂解色谱技术研究了轮胎胎面胶废旧后成粒子状的原因是空气粉尘对其破坏作用，但空气粉尘对不同胶种的破坏作用不同，由此，我们可以优化耐用胎面胶配方。

2.2 热解机理的研究 研究高分子的热分解过程和热分解机理，必须详细了解热分解产物的组成和分布，尤其是各种大分子量的低聚体分解产物，往往能反映高分子的初级分解过程。研究表明，热分解不是随机的，而是有选择性的特征反应。大多数情况下，只有一种简单反应导致了橡胶的热解过程。典型的热分解反应有:①解聚反应，最终得到单体；②支链取代即简单分子的消除，还伴有分子链的改造；③环化至较低分子量化合物；④氢转换，伴随含不饱和基团的开链碎片的生成。烃类橡胶的热解多数是自由基降解反应，裂解产物的形成遵循自由基降解反应的规律，因此可利用此规律帮助分析裂解产物的谱图，也可以用分析获得的产物结构进行自由基反应机理的研究。其他仪器剖析技术由于设备装置原因或制样较为困难，不便于对裂解机理进行研究。而分析裂解技术采用特殊的装置，不需对样品进行处理，在分析橡胶及其制品时，通过热裂解形成的小分子碎片通常是单体、二聚体及链断裂的分解产物，可用于橡胶的初级热解机理的研究。在绝大多数情况下，使用该技术均能给出明确无误的橡胶初级热解产物信息，从而得到聚合物初级热反应机理。Radhakr2ishnan，Ramarao利用裂解色谱分别讨论了聚环戊二烯和聚丁二烯橡胶的裂解产物及机理。国内有关学者已研究过多种橡胶，包括CR、NR及BR等，获得了各种橡胶的特征信息，并从理论方面讨论了各种橡胶的裂解机理。黄玮等使用裂解色谱2质谱连用仪对甲基乙烯基硅橡胶泡沫进行了研究，结果表明，辐射导致的裂解机制与热裂解机制有相同之处，并对其裂解机理进行了讨论。

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【关键词】氮气；化工设备；置换

由于氮气作为一种惰性气体，其化学性质稳定，一般不与任何物质发生反应，且与油、水等介质互不相溶，无毒、不易燃烧，并且来源广泛，因此广泛应用于气体钻井、井下压裂，提高采收率、管道吹扫、装置置换等油田项目中。作为国家高危甲类一级消防重点单位，我公司生产装置具有高温、高压、高转速、易燃、易爆、易中毒的生产特点，因此在引进氮气装置后，广泛应用于遍布萨、喇、杏及海拉尔油田的深冷、浅冷、原稳等27套油气初加工装置，2座大型轻烃储库，4套集气装置，总长1890公里的气、烃、油管线，氮气用量每年都在100万立方米以上，以保证设备正常运行及动火作业。

一、氮气气源

氮气在大气中的含量为78%，因此不需采用化学方法制取氮气，可采用物理方法。目前主要有两种方法，低温分离和常温膜分离。低温分离采用低温冷却的方法将空气冷却到-200℃以下，以实现氮气和氧气的分离。该方法制取的液氮具有纯度高，膨胀体积大等优点，但在常温下储存，运输及使用都比较困难。常温膜分离采用先进的高分子膜技术，在常温条件下直接从空气中分离出纯净氮气。其优点是设备可车载，可移动，可现场制取，使用成本低廉，缺点是供气量小，氮气需求量大时需要长时间作业。由于大庆油田幅员辽阔，生产装置分散，因此采用常温膜分离技术为通常采取的方法。

二、常温膜分离制氮技术原理

膜分离的核心是利用空气中不同组分在高分子材料上的扩散速度不同而进行气体分离的物理过程。高分子材料被制成如头发粗细的中空纤维膜，气体在纤维膜孔内通过，水、二氧化碳、氧气等从膜的侧面通过，排放出去。而氮气从纤维膜的末端出来，以此得到需要的氮气[1]。膜分离氮气原理如下图

三、制氮设备工作流程

制氮设备主要分为以下几个单元。柴油机系统，为整套设备提供动力；空压机系统，为系统提供充足空气；空气处理系统，对空气进行过滤，净化；膜组系统，将若干膜并联在一起，对空气进行氮氧分离。根据不同需要还有增压系统，通过一套增压装置将生产出的氮气压缩到一定压力输出，以满足要求。

四、氮气的实际应用

据笔者得知，目前大庆油田共有4套氮气设备，分别为井下作业，钻井工程，试油试采，及笔者所在的天然气公司所有，每套设备都广泛应用于该公司的各项作业中。在井下作业，钻井工程及试油试采公司主要应用于气举排液、氮气垫测试、正压射孔、混注氮气压裂、酸化、欠平衡钻井等技术。在本人所在的天然气公司，氮气装置可生产纯度在95%—99.5%范围内的氮气，每小时产量500—700立方米，输出压力1.0Mpa—6.5Mpa广泛应用于为生产装置提供启机前的氮气置换，管线和阀组动火作业前的管线吹扫，以及轻烃储罐进烃退烃时的置换作业。2010年至2012年，该设备累计出勤890天次、置换装置180套次、置换管线516条次，累计生产氮气404万余立方米。

注氮已成为提高油气采收率经济、成熟的方法，在美国有30多个油田利用氮气提高采收率。它不仅适用于常规油藏，也适用于稀油、稠油、海上、丘陵、深油藏、已接近枯竭的油藏或处在开发早期的油藏等，在低压、低渗、粘土胶结等特殊油气藏中也有独到的作用。气举排液诱喷、注水井气举排液、压裂酸化后的气举排液、油气井井底积水或积砂恢复生产、注气井注氮试注、原油罐封顶清罐、扫线试压、气井排水、作业压井、洗井、试油等方面仍有许多应用潜力有待开发，所以氮气技术在石油化工设备中的应用会越来越广[2]。

五、结束语

从多年的生产实践看来，氮气技术作为一门新兴技术，在国内油田采油工程、射孔作业，化工设备等方面的应用中只占有很小一部分，但由于安全性、可靠性、可移动制取等优点越来越得到广泛的重视。随着技术的更新换代及大规模普及，其生产成本将越来越低，应用也将越来越广泛。

参考文献

[1]汪冶平.膜制氮技术及在油气田的应用.天然气工业，2007，27（12）：141-143

[2]沈光林.氮气在油田生产中的应用.特种油气藏，2005，12（4）：100-102

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关键词：化学工程；裂解？

一、关于裂解原理？

在化学工程中，裂解是指将样品放在严格控制的环境中加热，使之迅速裂解成易挥发的分子碎片，并用其他联用装置分离和鉴定这些裂解碎片，从而推断样品的组成、结构和性质。联用装置最普遍的是色谱仪和质谱仪，故分析裂解是裂解质谱和裂解色谱的总称。

第一种是裂解质谱。裂解质谱即将热裂解产生的碎片送入质谱分析仪中，由谱图分析裂解产物。裂解质谱具有所需样品量小、可从碎裂方式分析分子结构、可鉴定混合物等优点。故裂解质谱是最早也是最广泛应用于合成和天然高分子结构分析的质谱技术，典型应用包括：均聚物结构的确认；异构体高分子的区别；共聚物的组成和序列分布分析；高分子混合物的分析；高分子中挥发性添加剂的鉴定及添加剂对高分子性能影响的研究和高分子的热分解机理研究等。裂解质谱技术包括直接裂解质谱、闪蒸裂解质谱和裂解色谱质谱。

第二种是裂解色谱。裂解色谱是将试样放在严格控制的条件下，经过热裂解形成小分子碎片，而后用直接或间接方法送进气相色谱仪中进行分离测定。不同的高分子材料有不同的特征谱图，因此未知样品谱图与标准特征谱图对照分析，即可对未知样品进行定性、定量分析。本方法可以发挥气相色谱法的快速、灵敏度高、分离效能高的优点，且样品用量少，对含有复杂填充剂的硫化胶，通常可不必经过复杂的分离手续，即可直接进样裂解分析。主要用于聚合物的鉴定、组成分析、结构表征以及降解研究等方面。高分辨裂解气相色谱和裂解同时衍生化技术是近年分析裂解技术的重要进展，其大大推动了裂解色谱在各个领域中的应用。裂解质谱与裂解色谱相比在定性分析制品方面占有绝对优势，但定量分析较为困难，而裂解色谱则可定量分析。综合裂解质谱和裂解色谱各自的优点，两种技术的联用可对橡胶制品进行广泛的推广。

二、关于裂解技术在工程中的应用

橡胶制品由于相对分子质量大，难溶、难熔且难以挥发，用通常的分析技术难以分析他们的组成。分析裂解技术可以结合化学方法并与其他仪器分析法如红外、核磁等联用，对橡胶制品进行深入、系统的分析，是提供制品分子结构、组成信息唯一而有效的方法。

一是关于废旧橡胶分析

橡胶工业发展的同时废旧橡胶的产量也与日俱增，这不仅造成了环境污染，还浪费了大量资源，回收利用废旧橡胶制品已成为一个重大的社会问题。

回收利用废旧橡胶制品首先要对其组成结构给以分析。景治中等人曾用热裂解色谱2质谱技术对硅橡胶边角废料及次品进行分析，确定了两种酸碱化合物的组成，高温橡胶的酸催化裂解产物主要是环状化合物，室温橡胶的酸催化裂解产物中有环状和链状两类化合物，从而为硅橡胶废料利用提供了理论依据。邱清华等运用裂解质谱及其他辅助技术对胶粉进行了研究，结果表明，胶粉含胶率为49161%，填料质量分数为50139%，其中炭黑质量分数为29128%，为胶粉的利用提供了理论依据。孙玉珍采用色质连用仪对氟橡胶二段硫化挥发物进行了研究，确定挥发物及组分来源，对环境保护有很重要的意义。对废旧橡胶制品的组成结构分析，可以了解其废旧原因，探讨其废旧机理，以便在制品的配方设计或工艺设计中加以改善，从而提高制品的使用寿命。Cardina利用分析裂解色谱技术研究了轮胎胎面胶废旧后成粒子状的原因是空气粉尘对其破坏作用，但空气粉尘对不同胶种的破坏作用不同，由此，我们可以优化耐用胎面胶配方。

二是关于热解机理的研究？

典型的热分解反应有：①解聚反应，最终得到单体；②支链取代即简单分子的消除，还伴有分子链的改造；③环化至较低分子量化合物；④氢转换，伴随含不饱和基团的开链碎片的生成。烃类橡胶的热解多数是自由基降解反应，裂解产物的形成遵循自由基降解反应的规律，因此可利用此规律帮助分析裂解产物的谱图，也可以用分析获得的产物结构进行自由基反应机理的研究。其他仪器剖析技术由于设备装置原因或制样较为困难，不便于对裂解机理进行研究。而分析裂解技术采用特殊的装置，不需对样品进行处理，在分析橡胶及其制品时，通过热裂解形成的小分子碎片通常是单体、二聚体及链断裂的分解产物，可用于橡胶的初级热解机理的研究。在绝大多数情况下，使用该技术均能给出明确无误的橡胶初级热解产物信息，从而得到聚合物初热反应机理。Radhakr2ishnan，R.alilarao利用裂解色谱分别讨论了聚环戊二烯和聚丁二烯橡胶的裂解产物及机理。国内有关学者已研究过多种橡胶，包括CR、NR及BR等，获得了各种橡胶的特征信息，并从理论方面讨论了各种橡胶的裂解机理。黄玮等使用裂解色谱2质谱连用仪对甲基乙烯基硅橡胶泡沫进行了研究，结果表明，辐射导致的裂解机制与热裂解机制有相同之处，并对其裂解机理进行了讨论。

三是关于橡胶结构的表征？

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关键词：缓释药剂；控释药剂；临床应用

【中图分类号】R283 【文献标识码】B 【文章编号】1672-3783(2012)08-0279-02

1 引言

药物一般以制剂的形式用于预防、治疗和诊断疾病，其有效性、安全性、合理性及精密性反映出医药水平，并决定药物效果。第一代剂型指药物经过简单加工的供口服和外用的膏丹丸散，药物活性较低。第二代剂型随着给药途径的扩大和工业的机械化和自动化而出现的，包括片剂、注射剂、胶囊剂和气雾剂，第二代剂型的药物活性大大提高，现已在临床上广泛应用。第三代剂型利用新型药用辅料，通过膜控技术、骨架阻滞技术及包衣技术等来控制片剂、胶囊剂的释药速度，从而实现定时、定速释放，能延睦有效血药浓度的持续时间，提高用药的安全度和减少不良反应。

2 缓释、控释制剂的涵义

2.1 缓释、控释制剂的定义：缓释制剂指用药后能在较长时间内持续释放药物进而达到持续作用的制剂。控释制剂指在较长时间内药物能以一级的预定速度自动释放，使血药浓度长时间恒定维持在有效浓度范围内的制剂。广义的控释制剂一般指控制释放药物的速度、方向及时间的制剂，包括靶向制剂和透皮吸收试剂等。狭义的控释制剂指以零级或接近零级的速度在预定的时间内释放的制剂。缓释、控释药物制剂可以利用药剂学设计获得减慢药物释放速率的药理屏障，药物依靠自由扩散、基本骨架的生物降解或者溶蚀及渗透压的作用突破药理屏障，是一种长效制剂。

缓释控释制剂和药物在体内浓度有关，而与给药时间无关。可见，缓释制剂和控释制剂的主要区别是控释制剂按照零级速率释放药物，药剂释放量不受时间影响，释放速度是恒速或者接近恒速，血药浓度平稳，峰谷波动很小。

2.2 缓释、控释制剂的优点：目前，提高医疗质量和制剂质量的期望促进了药物制剂发展，缓释、控释制剂的开发设计也是制剂研究的一个重点课题。理想的缓释制剂应该具备普通制剂的优点。缓释、控释药物的优点一般包括给药次数少、峰谷血药浓度波动小、降低肠胃不良反应、释放缓慢、降低吸收速率和安全经济等。

3 缓释、控释制剂技术

3.1 释药类型

（1）定位释放技术：此技术可在特定吸收部位实现药物的吸收。即提高药物在口腔或胃肠道适当部位的滞留时间，释放定量药物以达到提高局部治疗的目的。如使用比重小于水并且具有高黏性的材料可使药物在胃内滞留。而对于只能在小肠释放的药物则需要减少药物在胃内的讲解，使用小肠定位给药系统可以实现定位 释放。

（2）定时释放技术：此技术根据患者的生理条件和病情特点，释放需要量的药物，获得最佳治疗效果，也称为脉冲释放。例如，研究某些疾病发作的时间规律和药物时辰动力学，调节聚合物材料的溶蚀速度，进而在预定时间释药。目前此技术主要应用在治疗晚上或清晨发作的疾病，包括高血压、哮喘、心绞痛及风湿性关节炎等。

（3）定速释放技术：制剂以一定速率在体内释放药物，基本符合零级释放的动力学规律，口服后在一定时间内能使药物释放和吸收速率与体内代谢速率保持相关性。此技术可以减少服药次数、血药浓度波动，增加患者服药的积极性，并利用片剂几何形状的改变控释药物的释放，如环形骨架片、迭层扩散骨架片和双凹形带孔包农片等。

3.2 缓释、控释制剂剂型：缓释、控释制剂的药物范围应用广泛，特别适宜于临床药剂。包括作用强的药物、半衰期过短或过长药物、头孢类抗生素及成瘾性药物等应用于特殊医疗的药物，其品种已囊括抗心律失常药、激素降高血压药、抗生素、解热镇痛药和抗组织胺药等各方面；其类型包括骨架型缓释制剂、包衣缓释制剂、缓释膜剂、微囊缓释制剂和缓释栓剂等。

4 研究进展

药物迅速在作用部位达到理想有效浓度，并维持此浓度适当时间，而在机体其他部位无药物分布或药物浓度处于最低范畴，药物应在治疗目完成后消除，这才是一种完美的缓释、控释制剂。近年随着缓释、控释技术的研究、开发及利用，临床需求得到极大满足，也为广大患者提供了极大的便利。特别是生物制药和医用高分子材料等研究的不断深入，不断开发出来的各类新型药物剂型有稳定储藏、纳米微粒、控时缓释的趋势，其药理控制更精确，利用率更高且副作用低。现代研究考虑药物的水溶性、油水分配系数、化学稳定性以及蛋白结合率等理化性质和生物学性质；研究生理因素的影响，包括患者疾病状态、给药部位、首过效应、胃肠蠕动、血流供应、药物作用的靶器官等生理因素。

缓释、控释技术的研究热点主要集中在新剂型、新材料及辅料种类、释药技术、新工艺等方面。

（1）缓释、控释新型制剂如多功能的高分子材料已广泛应用于制剂成型及工艺过程之中。在口服固体剂型中以口腔崩解片为代表的速溶固体制剂，在口腔内遇到唾液十几秒内迅速分解，患者不需要水也可服药。这种新型药剂服用方便、起效快且生物利用度高。

（2）高分子辅料在制剂成型和制作工艺过程中应用广泛，现在各种制备缓释制剂的辅料可达40多种，多为天然产物和其简单提取物。

（3）定速释放技术中用聚合树脂制成双氯芬酸钠包衣缓释片，其缓释时间可达到10小时；用亲水性高分子材料HPMC为骨架材料，制成了aspirin溶胀缓释制剂。定位释放技术利用固体分散技术制备了胃内漂浮剂，进而提高生物利用度；或鉴于结肠内菌落可消化壳聚糖，将药剂制成微球或胶囊药等。而现在研究更注重于定速、定时及定位技术三者的结合，如结肠释药制剂。

缓释、控释药物制剂的研究范畴很广，技术研究的进展也非常迅猛，其优点受到临床重视。研究有效经济安全的缓释、控释药物制剂是医药工作者的重任。

参考文献

[1] 朱丽芳.缓释、控释药物制剂的研究进展及临床应用[J].当代医学,2011,17(18):26-27

[2] 王定营.缓释、控释药物制剂的研究进展及临床应用[J].吉林医学,2008,29(5):426-428

[3] 庞惠民,邹霭珍,张灼赞等.缓释、控释药物制剂的使用现状分析及应用进展[J].当代医学,2012,18(17):142-143

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关键词：辐射交联；水凝胶；辐照剂量；药物缓释

一、辐照改性的基本原理

辐照改性[1]技术是通过电子加速器或放射源产生的射线辐照物质产生自由基，自由基在不同的链之间结合，形成高分子网状结构，或辐照接枝相应基团改变壳聚糖的分子结构及物理性能，从而改变水凝胶的交联度、溶胀度和断裂伸长率以及良好机械强等。比如，对高分子材料分别实现接枝、聚合、裂变或交联。

辐射技术可用来聚合不饱和化合物，这意味着带有乙烯基的水溶性高分子可以利用高能辐射转换为水溶胶。水凝胶也可通过单官能的交联剂经由辐射诱导交联聚合而得，而且辐射还能交联不含有乙烯基的水溶性高分子。这是因为在辐射通过水溶性高分子的溶液时，诱使高分子链上的C-H键均裂形成自由基。另外，水在高能辐射下产生的羟基自由基会进攻大分子链产生大分子自由基。大分子自由基在不同的链间结合最终导致链间形成共价键交联的网络。由于大分子自由基能易被氧化，所以高能辐射交联一般在惰性气体（如氮气，氩气）环境下反应。

二、辐射交联与化学交联的比较

聚合物的交联改性是开发新材料、新工艺获取新功能的重要途径，通常高分子聚合物的交联改性，除辐射交联方法外，还可以借助于交联剂引发聚合物接枝或交联反应，但与辐射交联比较，辐射法取代化学法对加工改性、产品质量的保证更为有利。其原因是：（1）化学交联需要添加交联剂，杂质对产品产生污染，辐照交联产品纯净，且有辐照灭菌效果；（2）辐照交联常温即可发生，不需要加热，辐照剂量决定交联度，交联主要发生在非晶区，具有良好的稳定性；（3）辐照交联加工与生产加工可分开进行，不影响效果。

三、辐照实验过程中存在的问题

（1）气泡问题――实验制备过程中，通过真空抽滤等方法去掉气泡。但经过辐照后，凝胶样品表面又产生许多气泡，这些气泡大大降低了凝胶的抗张程度、弹性。（2）交联与降解问

题――辐照过程中，交联与降解同时存在，达到一定辐照剂量时交联占主导地位。（3）辐照环境――辐照室内的氧气对交联的影响很大，一般应在充氮气的条件下进行辐照。

交联度很低的聚合物主要是线性分子，还没有形成一定的三维网络结构。要使交联度足够大，形成具有足够机械强度水凝胶，必须把剂量提高。如果加入少量的交联剂，则较小的辐照剂量即可达到同样机械强度的效果，但交联剂含量不宜过高，否则制成的水凝胶因太脆而不适用。

四、展望

水凝胶作为一种高吸水高保水材料，可用于干旱地区的抗旱，农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂，原油或成品油的脱水，在矿业中的抑尘剂，食品中的保鲜剂、增稠剂，尤其是医疗中作为药物载体、人工软骨修复材料等等。关节软骨损伤是导致关节疼痛的一种普遍的损伤形式，是临床骨科常见的疾病，长期以来人们一直在寻找和研制理想的软骨修复材料。聚乙烯醇（PVA）水凝胶除了具备一般水凝胶的性能外，特别具有毒性低、机械性能优良、含水量高和生物相容性好等优点，是一种非常有前途的人工软骨修复材料。

此外，智能型水凝胶是一类对外界刺激能产生敏感响应的水凝胶。根据外界刺激的响应情况可分为：温度响应性、PH响应性、光响应性、磁场响应性、压力响应性、生物分子响应性、电场响应性水凝胶等。这类材料广泛应用于分子器件，调光材料，生物医学等高新技术领域。

传统水凝胶机械性能很差，极大地限制了其在各个领域中的应用。因此近年来，人们在如何提高水凝胶机械强度等方面做了大量的工作。而化学交联水凝胶虽然能达到一定的溶胀度、机械强度，但因为其添加了交联剂等化学物质产生了杂质，甚至微毒性，而限制了其在医学等领域的应用。

采用辐射交联技术，可以制备具有适度交联度、溶胀度和断裂伸长率以及良好机械强度的水凝胶，可用于面膜、多功能新型敷料、外用药物给药系统等，为病患者减轻疼痛甚至挽回生命，创造巨大的社会效益和经济效益。辐照改性后的水凝胶具有新颖独特的理化性能，有望在环境保护、催化、分析、药物缓释等领域中发挥广泛的用途。