第三节 新型有机高分子材料

别具特色的碳纤维复合材料

　　在复合材料大家族中，纤维增强材料一直是人们关注的焦点。自玻璃纤维与有机树脂复合的玻璃钢问世以来，碳纤维、陶瓷纤维以及硼纤维增强的复合材料相继研制成功，性能不断得到改进，使复合材料领域呈现出一派勃勃生机。下面让我们来了解一下别具特色的碳纤维复合材料。

　　碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。

　　碳纤维是由含碳量较高，在热处理过程中不熔融的人造化学纤维，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化等工艺制成的。

　　碳纤维的主要用途是与树指、金属、陶瓷等基体复合，做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。

　　碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力研究，碳纤维的性能也不断完善和提高。80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。

　　由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。同样，飞机重量的减轻也可以节省油耗，提高航速。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。

高效分离膜

　　分离膜具有神奇的魔术师般的本领，从下面的实验中不难领会。将一瓶含酒精4.5％的普通啤酒用水稀释成两瓶，然后倒入玻璃容器内，只要将这种溶液通过薄薄的一层分离膜，就能够在几分钟内提取出酒精浓度达 93％的乙醇。这种乙醇用一根火柴就能点燃。这个实验中在分离膜的表面施加了高频电场，促使乙醇溶解、扩散、和水分离，所耗电能仅为蒸馏法的十分之一。在过去要从液体中分离另一种液体，只能使用蒸馏法。

　　分离膜是80年代初迅速发展起来的高分子材料，它能从混合物中有选择地提取所需要的物质，包括固体、液体和气体。分离膜的工作原理还不十分清楚，大致可以认为是以浓度差或压力差为驱动力，选择透过的结果。从分离方式上看，可以分为混合气体的分离，混合有机液体的分离，水溶液中溶质、离子的分离（液-液透析）和水溶液的分离（逆渗透）等。

　　分离膜可以是一种高分子材料，也可以是两种或多种高分子材料的共聚体，分离膜的结构类似于筛网，不过它不存在任何肉眼可见的网眼，它的自由空间是高分子膜的高分子链间的间隙，其大小至多只有100纳米（0.1微米）。

　　气体、有机溶液、溶质、水都是具有低分子量的物质，叫做低分子。低分子物质在透过分离膜时不是像穿过筛网那样直接通过，而是被分离膜面吸附经溶解后通过上述高分子链间的间隙扩散，由浓度高的一侧向浓度低的一侧移动，从分离膜的另一面脱出。

　　1950年美国研制出由空气浓缩制氧的乙基纤维素分离膜，膜厚25微米，每分钟能为医疗目的提供4～8升浓度为40％的氧。这种气体分离膜的潜在用途很多，因此一直是研究的重点。例如，高炉或炼钢炉的鼓风机安装这种薄膜，就可以使进入的富氧空气促进燃烧节约燃料，缩短熔炼时间。如果用在汽车发动机内，则不仅能提高燃料的燃烧效率，而且可以大大降低废气排放量。

　　人们正在研究一种用作人工肺的厚度薄、透过率高的高强度膜，例如硅橡胶膜，只能达到最薄25微米，采用硅橡胶（聚二甲硅氧烷）-聚碳酸酯共聚体就可以将厚度降低至0.1微米。

　　二氧化硫、二氧化碳、硫化氢等工业废气会造成严重的大气污染——酸雨，正在试验用聚醚磺酰高分子膜来回收。因为这些高分子材料的化学结构中含有二氧化硫，与回收物的结构相似，可以增加溶解度，提高透过性。这与某些植物的树叶净化空气的原理类似。

　　天然气中的氦是一种重要的工业气体，一般含量为0.1％～5％，可用以充填氦气球和制冷。采用多层醋酸纤维素分离膜可使氦浓度提高到 60％。

　　渗析分离膜是一种半透膜，已用于医学中的人工肾脏，它可以滤除尿中毒病人血液中的尿素、尿酸、肌酸酐等毒性物质。使之与血液中的蛋白质分离开。工业废水与人中毒的血液一样，含有多种金属离子，采取渗析分离膜就可以回收有用物质，净化水质。

　　能从海水中分离出淡水的逆渗透膜已达到大规模使用的阶段，它也是一种半透膜，只让水分子通过，而使含盐的低分子溶质几乎不能通过，施加一定的压力后，就能使水加速挤出。采用不同结构的逆渗透膜就可以获得工业锅炉水、饮料水、无菌水、去离子水、洗涤半导体的超纯水等。在非洲一些缺水地区建立起不少海水淡化装置。一种PEC—1000的海水淡化装置对海水如加压 40～70公斤/平方厘米，就可以得到16％～20％的淡水。建于沙特阿拉伯的基塔自来水厂，是世界上最大的海水淡化厂，日供应淡水12000吨，主要使用醋酸纤维素分离膜装置。

　　利用海水温差代替压力，也能获得大量淡水。

　　海水中含有微量金属，总量达几千亿吨，分离膜浓缩提取是一项低能耗技术，因此已有人着眼于提取铀、镧、锂的研究，以弥补地球资源的日益匮乏。

　　在分离膜的实际应用中，较简单的装置如医用富氧器可直接采用平膜，而在要求小型化的人工肾中，分离膜被制成中空纤维，其外径为0.03～0.1毫米，内径为0.015～0.05毫米，长度为2～4米。把若干中空纤维集合成束使用，以增大接触面积。这种人工肾的年产量已达数百万件。能分离二氧化碳和氧的有机硅胶膜试用于人工肺，年产量也达到几万件。

　　在海水淡化和其它分离装置中，微型化不是主要要求，可采用管形或多层卷管形分离膜组件。

　　目前，分离膜的研究方向是不断扩大品种，寻找适合于各种分离物质使用的新型高分子材料，这种材料既要有高的吸附力和透过度，又要有好的支撑力，这样才能获得高效薄膜，减轻装置重量。

医用高分子与人类健康

　　医用高分子材料是一类可对有机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的合成高分子材料，医用高分子材料的研究与开发，对人类的健康生活和社会发展具有极其重大意义。

　　由于合成高分子材料与生物体中的天然高分子有极其相似的化学结构。目前，从皮肤到内脏，从血液到五官都有用医用高分子材料制成的人造器官组织，例如人造心脏、人造肾脏、人造皮肤、人造骨髓等，而最早应用的医用高分子材料是代替手术缝合线的聚乳酸 。

　　乳酸 最初从酸牛乳中得到而得名，人体运动时，糖原分解生成乳酸，乳酸存积在肌肉内使肌肉感到酸痛，医药上乳酸钙是常用的补钙药物。使聚乳酸作为外科手术的缝合线，因聚乳酸极易水解、缝合伤口愈合后，不需拆线，缝合线经体液水解为乳液，由代谢循环排出体外水解反应式如下：

　　医用高分子功能材料的选择有着十分苛刻的要求，首先必须对人体组织无害，即这些材料进入人体后，不会引起周围细胞组织的感染，发炎和病变，其次是不会在接触血液时形成血栓。解决这个问题的重点是解决医用高分子的表面结构，选用合成高分子材料制造人造器官时，可以用共聚的方法，把两种以上的高分子合成在一起，使材料分子中的亲水基团稀稀落落分布于各处，呈微观体均匀结构状态。这样可以大大提高抗血栓功能。

　　另外，人体中原有的肝素和尿激酶等物质，能阻止血栓的形成，或者能分解已形成的血栓，因此，如果在人造脏器表面大量附上这种肝素物质，就能很好地预防表面血栓的形成，同样，如果把尿激酶附在人造器官表面，那么即使在人造器官的周围已存在血栓，由于尿激酶的分解作用，也会使血栓迅速消失。

　　1981年，美国得克萨斯州心脏研究所的外科医生从一位濒临死亡的心脏患者的体内，取出了几乎停止跳动的心脏，然后把一个人造心脏移入体内，患者利用这颗人造心脏度过55小时，直到移植进另一颗因交通事故死亡者的心脏为止，终于使病人起死回生，说明人造心脏发挥暂时替换作用。

　　1982年，美国又一位濒临死亡的心脏病患者，在换上了一颗用有机高分子材料制成的人造心脏之后，存活了112天，迄今为止除人造心脏外，还制造出人造肾脏、人造骨骼、人造皮肤等器官和组织。

　　现在，世界上每年都有几百万人接受人造器官的植入手术，人造器官的植入手术及其医用高分子的功能材料的开发，无疑是人类延长个体生命的福音。

新型高分子材料

　　高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜、胶粘剂和涂料等。其中，被称为现代高分子三大合成材料的塑料、合成纤维和合成橡胶已经成为国民经济建设与人民日常生活所必不可少的重要材料。尽管高分子材料因普遍具有许多金属和无机材料所无法取代的优点而获得迅速的发展，但目前业已大规模生产的还是只能寻常条件下使用的高分子物质，即所谓的通用高分子，它们存在着机械强度和刚性差、耐热性低等缺点。而现代工程技术的发展，则向高分子材料提出了更高的要求，因而推动了高分子材料向高性能化、功能化和生物化方向发展，这样就出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。

　　一、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。膜分离过程主要有反渗透、超滤、微滤、电渗析、压渗析、气体分离、渗透汽化和液膜分离等。用来制备分离、渗透汽化和液膜分离等。用来制备分离膜的高分子材料有许多种类。现在用的较多的是聚枫、聚烯烃、纤维素脂类和有机硅等。膜的形式也有多种，一般用的是平膜和空中纤维。推广应用高分子分离膜能获得巨大的经济效益和社会效益。例如，利用离子交换膜电解食盐可减少污染、节约能源：利用反渗透进行海水淡化和脱盐、要比其它方法消耗的能量都小；利用气体分离膜从空气中富集氧可大大提高氧气回收率等。

　　二、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注。高分子磁性材料主要可分为两大类，即结构型和复合型。所谓结构型是指并不添加无机类磁粉而高分子中制成的磁性体。目前具有实用价值的主要是复合型。

　　三、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，如塑料光导纤维、塑料石英复合光导纤维等；而先进的信息储存元件兴盘的基本材料就是高性能的有机玻璃和聚碳酸脂。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。

生物材料与我们的生活

　　在我们的生活中，也许你会发现有的人口腔中装有假牙，有的人由于各种疾病不得不装上了假肢，还有的人为了美容换上了人造皮肤，这样的例子随处可见，或许你并没有意识到，这些都属于生物医用材料。生物医用材料，指用于生理系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或器官，增进或恢复其功能的材料。

　　生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。近三十年来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使得数以百万计的患者获得康复，大大提高了人类的生命质量。随着科学技术的发展和人口老龄化，中青年创伤的增多、疑难病患者的增加，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其制品的需求越来越大。南开大学俞耀庭教授认为，人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。

　　近年来，世界生物材料市场发展势头更为迅猛，其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。据1988年美国国家健康统计中心调查，美国已有1100万人(不包括齿科材料)植入了一件以上的生物医用材料，全球达3000万人以上，1995年世界生物医用材料市场已达2000亿美元。中国科学院在2002年《高技术发展报告》中披露，1990年至1995年，世界生物医用材料市场以每年大于20%的速度增长。这期间中国的增长虽然也比较快，但由于起点低，市场份额只占世界市场的2%。2000年，全球医疗器械市场已达1650亿美元，其中生物医学材料及制品约占40%至50%。20世纪90年代，医疗器械平均年增长率在11%左右，预计未来几年发展中国家将会大幅度增长。如除日本外的亚洲地区将从2000年占世界市场份额17%的280亿美元，增长至2005年占世界市场份额的25%。生物医用材料及其制品的市场预计10~15年将达到药品市场的规模，成为下个世纪经济的支柱性产业。

　　追溯生物医用材料的历史，不得不提到人工器官。人工器官的研究实际上是个古老的命题。公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称之为原始的生物医用材料。墨西哥的印第安人(阿兹台克人)使用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年前中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿。文献记载，1588年人们就用黄金板修复鄂骨。1775年，就有用金属固定体内骨折的记载，1800年有大量有关应用金属板固定骨折的报道。1809年有人用黄金制成种植牙齿。1851年有人报道使用硫化天然橡胶制成的人工牙托和鄂骨。

　　人工器官的深入研究与现代材料科学发展密切相关。20世纪初开发的高分子新材料促成了人工器官的系统研究的开始，人工器官的临床应用则始于1940年。由于人工器官的临床应用，拯救了成千上万患者的生命，减轻了病魔给患者及其家属带来的痛苦与折磨，引起了医学界的广泛重视，加快了人工器官研究步伐。目前可以说，从天灵盖到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤，从血液到五官，除了脑以及大多数内分泌器官外，大都有了代用的人工器官。

　　随着材料科学、生命科学和生物技术的发展，使得人类在分子水平上去认识材料和机体间的相互作用，构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。生物医用材料科学将成为人类进入"生物技术世纪"的重要基础。

　　生物医用材料是生物医学工程学重要研究领域之一，目前较活跃的研究内容有用于人工心脏、人工血管和人工心脏瓣膜的高抗凝血材料；用于人工骨、人工关节、人工种植牙的生物陶瓷和玻璃；用于骨科修补及矫形外科的钛及其合金；用于局部控制释放的药物载体的高分子材料；用于替代外科手术的缝合及活组织结合的生物粘合剂，以及血液净化材料等。

　　纳米技术的兴起更为材料的发展注入了新的活力。通常意义上的纳米材料指的是颗粒尺寸为1～100nm的粒子组成的新型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，使之具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、催化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。纳米技术与生物材料的结合便产生了纳米生物材料。据报道，我国一种全新的骨置换材料将取代现在冰冷的金属和脆弱的塑料等材质，用几乎可以以假乱真的效果为病人送去福音，这就是纳米人工骨。纳米人工骨是用“纳米复合生物活性材料”制成的，目前这一技术在全世界首屈一指，其成果已通过我国863项目验收。专家认为，这种纳米材料在生物活性、柔韧性以及强度等方面都和人体组织接近，今后将在颅骨、脊椎骨、颌骨、肋骨、髂骨、关节及喉管支架、穿皮器件与修复领域有着十分广阔的应用天地。目前这种材料正被研究用于制作人工眼球，并且有了良好的开端。经动物实验证实，这种用纳米生物活性材料制成的可动眼球外壳，完全能和组织相容，并能与肌肉血管紧密地生长在一起。与这种材料相比，用陶瓷生物材料制作的可动眼球外壳太脆，金属材料又太硬了，可以肯定，纳米眼球已具有很好的可动功能，如果仅用于美容，这种眼球已相当成熟 了，但医学家还有更高的追求，他们正在为达到可视的境界而不懈努力。

　　对生物材料的需求刺激了生物材料的发展，作为世界人口最多的国家，中国已进入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力十分巨大。专家认为，我国是生物材料和器械的需求大国，775万肢残患者和每年新增的300万骨损伤患者需要大量骨修复材料，2000万心血管病患者每年需要24套人工心瓣膜，2亿至3亿肝炎患者每年需要30万个人工肝，肾衰患者每年需要12万个肾透析器。生活节奏的加快、活动空间的拓展，使创伤问题日益突出，我国创伤住院年增长率达7.2%，高居住院人数第二位，其中80%需用生物医学材料治疗。 在亚洲，肿瘤是死亡的主要原因之一；在西方国家，第一杀手则为心血管系统疾病。近年来创伤又成为威胁人类健康的一个主要因素；随着人们生活质量的提高，整形、美容正在兴起；计划生育对生物医学材料市场的需求正在增长。生物医学材料中，心脏和血管系统修复材料将保持高速增长，随后为矫形植入器械和材料，预计2005年后者将比1999年增长26%；人造皮肤、组织粘合剂、防组织粘连剂等的年增长率可达45%左右。由此可见，生物材料在中国大有潜力，也急需越来越多的人投入到生物材料的研究中。

　　生物医学材料是在多门学科的共同合作、互相渗透、互相借鉴，突破旧有学科的狭小范围而开创的一门新学科。中国科学院金属研究所院士师昌绪认为，为了满足时代的要求及推动时代的发展，材料科学大有作为，其中生物材料最有发展前景。这门学科--作为材料科学的一个重要分支，它对于促进人类的文明发展，对于探索人类生命的秘密，对于保障人类的健康与长寿，必将做出极大的贡献。