能“自我修复”的塑料

如果老化的塑料能够自我修复该有多好啊，最近，这个课题有了进展，科学家研究出一种能自我修复内部“劳伤”的全新塑料，它在自我修复的过程中需要氧气，而且有趣的是，一旦修复完了，它竟然有“排泄物”排出。据说这种全新塑料已在具体的产品上开始使用。

　　迄今为止，我们日常使用的塑料有容易老化、产品寿命短的缺点，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，但现在日常使用的塑料的寿命至多也不过10年，科学家将生物自我修复的机理用于人造材料取得成功，制造出寿命更长的材料，科学家认为，如果材料自我修复手段真正实现，将对今后的产品发生深刻的影响。

　　

　　塑料强度的秘密

　　

　　世上的塑料大体可分为三类，即通用塑料、工程塑料以及超工程塑料，通用塑料有聚苯乙烯、聚乙烯以及氯乙烯等，它们用于制造日常生活用品，寿命5～6年，工程塑料有聚碳酸酯、聚酰胺和聚氧化甲烯等，它们一般用于制造汽车的零件、电器电子用品，价格一般比通用塑料高，寿命约10年。超工程塑料仅在特殊环境下使用，主要用于航空航天用品，其价格昂贵，使用寿命可达100年。

　　我们日常使用的塑料，其寿命短的主要原因是塑料内部会出现“劳伤”，这与材料老化有关。那么老化是怎样产生的呢?

　　塑料是由碳和氢以及氧结合成的纤维状结构高分子。这种高分子的纤维错综地络合在一起，是塑料作为固体具有的强度。在普通的塑料里，每一条纤维大约有7处络合在一起，这是保证塑料使用的安全强度。

　　塑料老化是由于纤维被切断引起的，其原因是太阳的紫外线或人们在使用中30加的外力导致的。假定7处络合在一起的纤维正中附近断了，于是一条纤维就变为两条纤维，这个反应过程被称之为塑料的老化。

　　你也许有这样的经验：一直被太阳晒的塑料桶灌满水，刚想提起来，只听见嘎叭一声响，提手与塑料桶断裂。这种状况可以说每条纤维已有多处断裂，通常塑料随着使用时间越长而老化越严重，为此在制品的材料里已掺入一些紫外线吸收剂，以抑制老化，或者在制品外表涂上油柒以抗老化。尽管如此，老化依旧进行。

　　科学家研制的“自我修复塑料”是将断开的高分子再自发地接上，以消除老化。当然这并非说寿命可以无限长，但是与普通塑料相比，老化进程较慢，使用时间明显延长。

　　

　　橡皮膏与修补剂

　　

　　1997年，科学家首次开发出的自我修复塑料，是一种叫聚苯醚的工程塑料。成功的关键是开发了为应急处理伤用的“橡皮膏”和治伤的“修补剂”。修补的原理十分简单，首先假定在某些外因作用下，担负分子结合的电子错开，导致高分子被切断，出现自由的电子，老化开始，由此，预先置入的修补剂向这个自由电子靠近。在聚苯醚中，铜起到了这个修补剂的作用。开始，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。这个过程很复杂，但简单地说，通过这样的氧化还原反应，中断部分就被恢复原样。这时，重要的是起“橡皮膏”作用的氢，为了供给氢，使聚苯醚具有自我修复能力，已预先在聚苯醚中置入了“氢供给剂”，当断裂出现时，氢来到断开部分产生的自由电子处进行结合。

　　如果没有氢供给剂的应急处理，聚苯醚的高分子内部可能出现“拆东墙补西墙”现象，于是在各处连锁产生自由电子，有可能造成材料“伤痕累累”。

　　

　　自我修复不可缺

　　

　　自我修复到此完了，但是反应还在继续，得到电子变成1价的铜，继续与大气中的氧发生氧化反应。这时氧得到一个电子，铜又回到2价，再次获得作为“修补剂”的能力，而且这时反应产生的氧高子与“橡皮膏”的氢离子结合生成的水作为废物“排泄”出来，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，是自我修复不可缺的。

　　科学家还成功地为聚碳酸酯等构筑自我修复系统。聚碳酸酯的修复剂是碳酸钠，这时作为排泄物是石碳酸(苯酚)，气味非常难闻，排泄物的出现是材料修复过程一个非常有趣的事，其实通过改进也可不排泄，例如在聚碳酸酯材料中加入起垃圾箱作用的物质，具体地说如果放入碱性的微小硅胶，则石碳酸将被硅胶吸附，就不会往外释放垃圾了。但是反应生成的物质又成为另一个问题，研究还在进行，目前，科学家正全力以赴构筑其他塑料的修复系统。

　　

　　或许诞生一门全新学科

　　

　　现在我们知道，上述材料自我修复是铜等触媒作用在受伤处完成的，但是塑料是固体，铜等原子或分子真的能流动到断裂处吗?许多研究者认为触媒不可能在固体中流动到断开部分，但是有专家认为，在5～10纳米区域中有触媒就能引起自我修复反应。

　　对于化学反应的条件，很多人认为只能在水溶液中或气态中，即反应分子能流动的地方。这个常识妨碍了对自我修复反应的理解。其实，材料自我修复引起的化学反应，与普通的化学反应完全不同，也无法使用“化学平衡”等概念，也许这是一门全新科学的领域，需要从理论上进一步研究。

　　另外，科学家在进行这项研究中还发现，自我修复反应优先发生在老化最厉害的部分，一旦高分子断开部分增加，理应引起的修复反应也多，结果是老化严重的部分优先修复。由此专家开始将研究方向转移到延伸塑料的寿命上了。

　　自2000年起日本约10家企业推出以自我修复塑料为原料的产品，这些产品主要是电化产品，因为这些产品经常受光曝晒容易老化，另外，汽车部件使用自我修复塑料后，寿命也明显延长。

　　

　　自我修复延伸寿命

　　

　　科学家预言，今后不但是塑料，包括金屑和陶瓷等一切人造材料在内都有可能具有自我修复性，自主地应对老化。在材料研究中，所谓“自我修复”概念以前就有，但是从未见过有实物，科学家制造出实物，显示“自我修复”是可能的，由此，科学家进行相应各种材料的自我修复性的研究，如果自我修复材料被人们日常使用，或许不久自我修复性将作为产品的标准，因产品的寿命显著延伸了，产品的可靠性和性能都提高了。

　　在资源日趋减少的今天，有效地利用自我修复性，延长物品的使用寿命，这从另一方面也缓解了日益严重的环境问题。

　　

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