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什么是合成材料(合成材料的优缺点)

什么是合成材料(合成材料的优缺点)

1. 什么是合成材料?

今天,有数千种不同类型的合成材料可供选择,并且一直在开发新的合成材料。

合成材料是由化合物制成的人造物质,通常用作木材、棉花和皮革等天然材料的替代品。合成材料的应用范围很广,包括服装、食品包装和建筑材料。

1.1. 为什么合成材料很重要?

第一种合成材料是由美国化学家约翰·韦斯利·凯悦(John Wesley Hyatt)于1869年创造的。赛璐珞被用来制作各种产品,包括台球、梳子和钢琴键。合成材料现在被用于制造各种产品。事实上,合成材料现在用于所有制成品的一半以上。根据致力于促进纺织行业可持续实践的非营利组织纺织交易所的一份报告,合成纤维目前占全球纤维产量的 64%。

1.2. 合成材料是如何制造的?

合成材料是通过各种化学过程制成的。合成材料的生产是一个复杂的过程,需要各种化学和工程过程。例如,生产一吨塑料大约需要四桶石油。

一些最常见的方法包括:

  • 聚合:聚合是一个涉及将小分子(称为单体)连接在一起以形成较大分子(称为聚合物)的过程。聚合物是许多合成材料的组成部分,包括塑料、橡胶和合成纤维。
  • 硫化: 硫化是一种涉及用硫加热橡胶以交联聚合物链的过程。这个过程使橡胶更坚固、更耐用、更耐热、耐化学腐蚀。硫化橡胶用于制造各种产品,包括轮胎、软管和密封件。
  • 电镀:电镀是一种涉及将一层薄薄的金属沉积到另一个表面上的过程。该工艺用于改善金属表面的外观、耐久性和耐腐蚀性。电镀用于涂覆各种产品,包括珠宝、汽车零件和电子元件。
  • 蒸馏: 蒸馏是一种根据沸点分离液体的过程。蒸馏用于生产各种合成材料,包括汽油、柴油和石化产品。
  • 水力压裂:水力压裂是从页岩岩层中提取石油和天然气的过程。水力压裂用于生产各种合成材料,包括塑料、橡胶和合成纤维。
  • 生物工艺学: 生物技术是利用生物体生产合成材料的过程。生物技术用于生产各种合成材料,包括生物燃料、生物塑料和生物制药。

1.3. 合成材料的特性

  • 强度: 合成材料通常比天然材料更坚固。例如,碳纤维的强度是钢的五倍,但重量只有钢的四分之一。
  • 耐久性: 合成材料通常也比天然材料更耐用。例如,塑料管比金属管更不容易生锈。
  • 耐腐蚀性:合成材料通常比天然材料更耐腐蚀。这是因为它们由不易生锈或其他形式的腐蚀的非金属材料制成。
  • 易于制造:合成材料通常比天然材料更容易制造。例如,塑料可以被塑造成复杂的形状,而这些形状很难或不可能用天然材料制造出来。
  • 电导率:一些合成材料是电的良导体,而另一些则是良好的绝缘体。
  • 光学特性:一些合成材料具有独特的光学特性,例如透明度、反射率和颜色。
  • 导热:一些合成材料是热的良导体,而另一些则是良好的绝缘体。
    生物相容性:一些合成材料具有生物相容性,这意味着它们可以安全地植入体内。

2. 合成材料的优缺点

2.1. 优点

  • 性能:合成材料可以被设计成具有特定的特性,使其成为某些应用的理想选择。例如,合成织物可以制成防水、透气和耐用的面料,使其成为运动服的理想选择。
  • 耐久性: 合成轮胎比天然橡胶轮胎使用寿命更长,合成建筑材料可以承受更极端的天气条件。
  • 成本:合成材料通常比天然材料便宜。根据世界经济论坛的一项研究,在过去50年中,生产合成材料的成本平均每年下降5%。

2.2. 缺点

  • 环境影响: 合成材料的生产和处置可能会对环境产生负面影响。除了将污染物带入大气外,合成材料在垃圾填埋场中分解可能需要数百年甚至数千年。
  • 健康问题: 一些合成材料可能会带来健康风险,例如生殖障碍和癌症,具体取决于它们的成分和使用方式。
  • 质量:并非所有合成材料都是一样的。更便宜的产品可能不会像更昂贵的产品那样耐用或性能好。

3. 合成材料案例研究

3.1. 施工

您知道合成材料用于建造世界上一些最高和最具标志性的建筑吗,例如迪拜的哈利法塔和旧金山的金门大桥?

到 2030 年,全球建筑合成材料市场预计将达到 1 万亿美元以上。以下是如何使用合成材料来建设更美好未来的一些例子:

  • 自修复混凝土:科学家们正在开发在开裂时可以自我修复的混凝土。这种混凝土由合成材料制成,可以自动检测和修复裂缝。这可能会导致更耐用和更持久的混凝土结构。
  • 3D打印建筑:这项技术仍处于早期发展阶段,但它有可能彻底改变建筑业。
  • 可持续材料:再生塑料被用于制造砖块和屋顶瓦片。这有助于减少浪费并创建更具可持续性的建筑。

3.2. 运输

合成材料还广泛用于运输行业,以减轻重量、提高燃油效率和增加耐用性。

碳纤维的强度是钢的五倍,但重量只有钢的四分之一。波音 787 梦想客机由 50% 的碳纤维制成,比以前的飞机燃油效率高 20%。雪佛兰克尔维特黄貂鱼采用碳纤维增强塑料车身,比传统钢制车身轻 45%。这证明先进塑料更轻、更坚固、更耐腐蚀。

3.3. 医疗器械

合成材料现在被用于制造人造器官和组织,例如心脏瓣膜、皮肤移植物,甚至血管。

  • 合成心脏瓣膜:用于替换受损或患病的心脏瓣膜。它们由多种材料制成,包括钛、碳纤维和牛组织。
  • 人工关节:由钛、钴铬合金和陶瓷材料制成。选择这些材料是因为它们的强度、耐用性和生物相容性,这意味着它们可以安全地植入体内。
  • 合成血管:由聚酯、涤纶和聚四氟乙烯(Gore-Tex)制成。一些合成血管现在涂有药物,以帮助预防血栓。

3.4. 电子产品

合成材料正在改变电子世界,使设备更小、更快、更节能、更耐用、更实惠。

从可折叠智能手机到可穿戴电子产品再到OLED显示屏,合成材料在开发新产品和创新产品方面发挥着至关重要的作用。

  • 可折叠智能手机:聚酰亚胺和超薄玻璃等合成材料正在推动具有柔性显示屏的可折叠智能手机的开发。
  • OLED显示屏: 有机发光二极管 (OLED) 显示器由有机聚合物等合成材料制成。与传统 LCD 相比,这些显示器更薄、更轻、更节能,提供更好的图像质量,黑色更深,白色更亮。

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