腈纶英文-讼的拼音
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Unit 20 Material Science and
Chemical Engineering
材料科学和化学工程
几年以前，谁会想到一架
飞机可以绕地球航行而中途不需要着陆或添加燃料？而在1986年新型的飞
机航海者就做到了这一点。
航海者具备长途飞行能力的秘密就在于几年前还没有出现的先进的材料。其
机身大部分是由强度大、质量
轻的聚合纤维用耐久的、高强度的粘合剂组装而成的。而发动机润滑油是
合成的多组分液体，可维持很长
时间连续运转的润滑性。这些特殊材料具有科学家和工程师们为满足现
代社会的需求所发明的先进技术。
如运输、通讯、电子、能量转换这些工业的未来多依赖新的、先进的材料以及生产中所需要的加工
技术。近年来，在我们了解了如何把一些特殊的具有高性能的物质融入原材料并且怎样最好地在复杂设
计中使用这些材料后，这方面已有了很大的发展。
材料科学和工程的革命为化学工程师带来了机会，也
带来了挑战。化学工程师凭借他们在化学、物
理和数学方面的知识基础以及他们对传输现象、动力学、反
应工程和过程设计的了解，能够创造性地解
决现代材料技术中的问题。但是他们一定要摈弃掉传统职业理
念中“考虑大的”这个习惯，要有效地投
入现代材料科学和工程中必须要学会“从小处思考”。在制造现
代先进材料时的关键现象是发生在分子级
和微观的水平。如果化学工程师要为这些新材料设计新产品和工
艺就必须了解并且学会控制这些现象。
在下面选择介绍的几种材料领域里我们将叙述这种困难的挑战。
1．聚合物
现代聚合物科学的时代属于化学工程师。这些年来，聚合物化学家创造了大量的
高分子和聚合物。然
而了解这些高分子是怎样被合成并加工以最大限度地具备理论性质仍然是研究的前沿
领域。一直到最近
才开发了现代仪器帮助我们了解高分子之间、高分子与固体粒子、有机和无机纤维与其
它界面之间的相
互作用。化学工程师正使用这些工具探索高分子的微型动力学现象，他们利用从这些技术
中获得的知识，
正在处理高分子间的反应以开发先进的工艺并制造新的材料。
通过化学加工控制材料微型结构的能力可用现代高强度聚合纤维进行描述。一些聚合纤维的强度-质量<
br>比比钢铁高一个数量级。它的自由取向是由所选择的加工条件以及芳香族聚酰胺的高度刚性的线性分子结构所决定的。在纺丝时，液相中的定向部分是围绕纤维轴方向排列而使得纤维具有高强度和高硬度，
各向异性的纺丝纤维的概念则在新聚合物如聚苯并噻唑、聚乙烯的溶解和熔融方面都有了延伸。超高强
度的聚乙烯纤维是通过冻胶纺丝的方法制备的。同样的，控制聚合物的分子取向以生产高强度产品也可
以
通过其它的工艺途径，如在极其精确的条件下进行纤维拉伸而完成。
除了这些可以得到具有特别高性能
的材料的加工过程，化学工程师们还设计一些新的工艺过程以生产
低成本的聚合物。
2．聚合复合材料
复合材料包括在一个聚合物母体上嵌入或粘合上高强度或高模数纤维。这些
纤维可能是短的、长的或
连续的。它们可能是随意取向的而使复合材料在所有方向上都具有较大的强度或
硬度，也可能沿某个特
殊方向取向而使复合材料的高性能优先沿着某个轴线表现出来。后者是根据一向微
结构加固的原理，通
过不连贯的、拉伸支撑电缆线或电缆条达到目的。
要得到在多个方向上具
有优良性能的材料，可以通过改变角度粘结各向异性的复合片得到合成板。另
一方面，两向强化的材料可
以通过把高性能的纤维编织成一个平面，面上有足够的粘结力而使加固结构
表现得就像联结起来的网或桁
架。你可以想象，化学工程师和纺织工程师之间的学术合作将有利于选择
经线、纬线和高强度纤维的编织
方法，以得到高选择性能分布的桁架型的复合材料。
第一代聚合合成材料（如玻璃纤维）使用热固性环
氧树脂聚合物。它是用任意取向的短玻璃纤维进行
强化的。环氧树脂填充在一个模型中被塑化成永久的形
状而得到轻质的、强度适当的模制塑胶。
现代复合材料是用手工把编织好的玻璃纤维放到模具或预型件
中，然后用树脂灌注，固化成型后制得
的。这些复合材料最先是使用在某些型号的军用飞机上。因为比较
轻的机身使飞行巡航范围增大。今天，
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飞机和航空飞船的大部
分部件都是这样制造的，而且汽车也正在加入到这个行列。现代复合材料正被应
用于小汽车和载重卡车的
车身面板、车棚、后行李箱盖、管道、驱动轴和燃料罐。在这些应用中，复合
材料表现出比金属更好的强
度-质量比和更优良的抗腐蚀性。例如，一种聚合复合材料制成的汽车车棚比
用铝质的轻一点，比钢铁的
轻两倍，但这种方法所需能量比钢铁的低一点，比铝的低20%。模塑和刀具
加工的成本也比较低，使模
型的改变可以更快而适应新设计的要求。
这些复合材料表现出来的机械强度主要是由强化玻璃纤维决定
的，尽管结构缺陷会使强度减弱。工程
学研究正提供重要的信息说明材料结构是如何受到玻璃树脂的界面
性质、构造空隙和类似缺陷的影响以
及这些微缺陷是如何扩散产生构造裂缝的。这些复合材料以及从对它
们的研究中获得的信息使人类进入
到生产第二代聚合复合材料的阶段，即以高强度纤维如芳香族聚酰胺为
基础的复合材料。
3．现代陶瓷
对大多数人来说，“陶瓷”这个词会让人联想到瓷器、陶器
、砖、瓦这些东西。现代陶瓷以它们的组
成、加工过程和微细结构区别于这些传统的陶瓷。例如： ·传统的陶瓷是用天然的原料如粘土或硅石制成的。现代陶瓷则要求非常纯的人造原料如碳化硅、氮
化硅、氧化锆或氧化铝，可能还要渗入一些复杂的添加剂来产生特殊的微结构。
·传统陶瓷是先在陶工
轮上或粉浆浇注成型，然后在窑里烧结定型。现代陶瓷是用更为复杂的工艺过
程如高温静压成型法来定型
的。
·传统陶瓷的微结构容易形成在光学显微镜下就可以看见的裂痕。而现代陶瓷的微结构则要均匀得
多，
一般要在5万倍或更大倍数的电子显微镜下才能检查出瑕疵来。
现代陶瓷的应用范围更为
广泛。在很多情况下，现代陶瓷并未直接成为最终产品，而是组合在一些复
杂的系统中成为优良性能的关
键部分。现代陶瓷的商业应用可以在切削工具、发动机喷嘴、涡轮和涡轮
增压器的元件、太空舱的瓦面、
储藏原子和化学废物的圆柱体、气体和石油钻探阀、电动极板和防护罩
以及腐蚀性液体中的电极等等方面
看见。
4．陶瓷合成材料
像聚合复合材料一样，陶瓷复合材料也包括在连续的基质上嵌入高
强度或高模数的纤维。纤维可以
是碳化硅或氧化铝以“晶须”的形式出现，然后生长为单个晶体。这与同
样的物质直接嵌入在大块陶瓷
上相比较所产生裂纹较少。陶瓷复合体上的纤维可以阻碍裂纹的扩散。正在
生长的裂纹会向纤维处偏移
或使纤维脱离基质。这两个过程都要吸收能量，从而减慢了裂纹的扩散。陶瓷
复合材料的强度、硬度和
韧性主要取决于强化纤维，但是基质也会对这些性质产生影响。复合材料的导热
和导电性能受基质传导
系数的影响很大。纤维和基质之间的相互作用对复合材料机械性能的影响也很大，
并可通过纤维表面纤
维和基质间的化学兼容性进行调整，这两种物质粘合在一起的前提就是基质以流体形
态存在时能润湿纤
维。两种组分间形成了化学键。
与现代陶瓷的产生一样，化学反应在陶瓷复
合材料的加工制造中也充当了关键的角色。这些复合材
料要求无瑕疵的陶瓷纤维、纤维和母体间有最适当
的作用力，这才能在使用中展现所预想的机械性能。
在实际的制造过程中设计这样的化学反应要求化学工
程师具备专业的知识。
5．复合液体
最后一类重要的复合材料是复合液体。复合液体是高结
构液体，以悬浮液、表面活性剂、液晶相或
其它大分子与固体微粒或液滴组成。许多复合液体对现代工业
和社会都是必不可少的，因为它们表现出
来的性质对一些特殊用途是非常重要的。这些用途包括润滑剂、
水力牵引液体以及油田钻井泥浆，油漆、
涂料和粘合剂也可能是合成液体。确实，在任何情况下，如果好
的液体状态对某种传递和反应是重要的，
那么合成液体就是有价值的。
化学工程师长期涉足材
料科学和工程学研究工作。随着新材料的开发，其性质越来越依赖微结构和
加工过程，研究程度也将深入
。化学工程师将探索微结构的本质—它是如何在材料中形成的， 哪些因素
可以用来控制它。他们将采用
新的方式把传统的分离开来的材料合成和材料加工融合起来。他们还将用
新方法解决构造的问题，修复复
杂的材料系统。
Unit 21 Chemical Industry and
Environment
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化学工业与环境
我们怎
样才能减少产生废物的数量？我们怎样才能使废弃物质和商品纳入循环使用的程序？所有这
些问题必须要
在未来的几年里通过仔细的研究得到解决，这样我们才能保持文明与自然的平衡。
1．大气化学
燃煤发电厂像一些自然过程一样，也会释放硫化合物到大气层中，在那里氧化作用产生硫酸颗粒能
反射入射进来的可见太阳辐射。在对流层，化石燃料燃烧所产生的氮氧化物在阳光的影响下与许多有机<
br>物分子结合产生都市烟雾。挥发的碳氢化合物异戊二烯，也就是众所周知的合成橡胶的结构单元，可以在森林中天然产生含氯氟烃。我们所熟悉的CFCs，在汽车空调和家用冰箱里是惰性的，但在中平流层内<
br>在紫外线的照射下回发生分解从而对地球大气臭氧层造成破坏，全球大气层中臭氧的平均浓度只有
3ppm，但它对所有生命体的生长发育都起了关键的保护作用，因为是它吸收了太阳光线中有害的短波紫
外辐射。
在过去的二十年中，公众的注意力集中在人类对大气层的改变：酸雨、平流层臭氧空洞、温
室现象，
以及大气的氧化能力增强，前几代人已经知道，人类的活动会对邻近的环境造成影响，但意识到
像酸雨
这样的效应将由局部扩展到洲际范围则是慢慢发现的。随着臭氧空洞问题的出现，考虑到对全球的
威胁，
我们已真正进入到全球话改变的时代，但是基本的科学论据还没有完全建立。
2．生命周期分析
产品生命循环周期的每一个阶段都会对环境造成影响。从原材料的提取，到
加工、制造和运输的过
程，最后到被消耗和丢弃或回收，每一个阶段都对工艺学和化学提出了挑战。重新
设计产品和过程以减
少对环境的影响需要新的生产原理和在不同的水平层面上理解化学变化，对环境友善
的产品要求有新的
原料，它们应是可再使用的，可循环的，或者可生物降解的。物质的性质是由其化学组
成和结构决定的，
要减少废品和有污染的副产品，就要开发新的化学工艺线路，已开发的化学分离技术需
要有效地提高以
分离出剩余的污染物，这反过来又要求新的化学处理方法使它们变得无害。而诸如放射性
元素和那些不
容易转化为无害物质的重金属污染物则需要把它们固定为惰性物质以便能安全地储放。还有
最后一点，
早期的污染残留物，对环境污染程度尚未很意识到的一些物质要求进一步用化学和生物的修复
技术进行
处理。
了解化学反应的机理可以帮助我们发现以前不知道的环境问题，CFCs对臭
氧层造成的威胁能够正确
地预防要得益于大气化学的基础研究。由此导致了国际上一致同意逐步取消这些
产品的生产。而代之以
作用相同但对环境更为友善的其它产品。另一方面，南极上空臭氧空洞的出现使科
学家们大为震惊，随
后才发现了以前所不了解的南极寒冷的平流层内硝酸晶体表面所发生的氯原子的反应
。这对我们进一步
了解自然界中所发生的化学反应过程是非常重要的。不管这些反应是发生在淡水中，海
水中，土壤里，
地下环境或是大气中。
3．对环境影响最小的生产
把废物排放到空
气、水或土壤中不仅对环境造成了直接的影响，还是对自然资源的一个潜在的浪费。
早期减少化学过程对
环境影响的工作主要集中在工厂废气排放如环境之前有害物质的分离，但这种思路
只考虑了问题的一半。
因为一个理想的化学过程，也就是没有有害的副产品产生的过程应在一开始就建
立好，任何排放物至少应
像进入到工厂内的空气和水一样干净。这样的过程才可以称是“与环境友善的”。
对健康有害影响的关
注逐渐升级，人们首先考虑到如何消除或减少工业过程中所用有害化学物质的
数量。最好的方法是寻找替
代的化学产品，它们能起到一样的作用但毒害性较小。如果不能寻找到一种
有毒化学物质的替代品，那么
比较好的战略思想是开发一种就地生产的工艺，而且只生产当时所需要的
那么多的数量。
革新
的化学方法已开始设计对环境合理的工艺过程，以便更为有效的使用能量和原材料。例如，催
化剂方面的
近期进展使化学反应可以在较低的温度和压力下进行。反过来，这种改变又减少了这些过程
的能量需求，
简化了制造加工设备对构成材料的选择，新的催化剂还用于避免生产不希望的副产品。
4.
发电厂排放物的控制
通过燃煤、燃油和燃烧天然气产生能量的设备都会排放出一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物以及
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许多其它不受欢迎的副产物如灰尘和痕量的汞。现在可以采用一系列不断
发展的技术来减少不希望
有的物质的排放以适应国家和地区标准的要求。化学家和化学工程师对工业水平
的进步做出了巨大
的贡献。而催化科学为开辟这些前沿领域正在扮演重要的角色。
同时控制多
种污染物是近年来开发先进的催化剂或吸附剂技术的目的。例如，催化方法可以使汽车
尾气中CO氧化的
同时，还原氮的氧化物。另一些研究工作则定位于在中试阶段通过一种吸附剂的作用
同时去除烟道气中的
硫和氮氧化物，而不会产生大量的废物。
1． 对环境友善的产品
对产品在环境中的变化越
来越了解使得科学家们开始设计“绿色”产品。一个重要的例子来自
1940-1950s的洗涤剂工业
。当时以支链烷基苯磺酸盐为表面活性剂的新产品被引入。这些洗涤剂洗涤效
率更高。但其后发现这些物
质残留在废水中在河面上形成泡沫。问题追溯到这些支链的烷基苯磺酸盐：
它不像以前人们所使用的肥皂
。它不能被传统污水处理厂的细菌所有效地生物降解。经过深入的研究工
作了解了生物化学过程使化学家
们设计和合成了另一类新型的表面活性剂，为直链烷基苯磺酸盐。这些
新的化合物与传统肥皂中的脂肪酸
有相似的分子结构，因而微生物可以降解这些组分，而它与支链烷基
苯磺酸盐的相似性又使其具有卓越的
洗涤性能。
新的生物化学也正在帮助农民减少使用杀虫剂.例如,棉作物可以通过改变基因而具备对棉
螟蛉的抵
抗力.天然存在的细菌中一个基因当被转移到棉作物中时,能够祖师作物产生一种原来有细菌产
生的蛋白
质.当螟蛉虫开始吃作物时,这种蛋白质通过切断螟蛉的消化过程从而杀死害虫.
6. 处理
越来越多的环境问题与废物的排放有关,而一些原材料又存在供给有限的问题.这
二者的联系引起了
人们对处理这一课题越来越大的兴趣.金属和大多数纸张的处理从技术上来说是简单的
,这些物质在世界
很多地方都已普遍进行了处理.塑料的处理则面临着较大的技术方面的挑战.即使把它
们与其它类型的废
品分离开来以后，不同种类的塑料还需要再彼此分离。即使如此，不同类型的塑料具有
不同的化学性质，
因而也需要开发不同的处理工艺.
一些塑料可以通过简单地熔化注塑或用合
适的溶剂进行分解再重新塑造成新塑料的方法进行处理。
比如，把大的聚合物分子裂解成较小的亚单元,
再以此作为新聚合物的结构单元。确实，用这种方法处理
软塑料瓶的计划正在进行中。
化学家
和化学工程师们所做的大量的研究工作需要被成功地开发为所需要的处理技术。有时，也需
要开发一些全
新的聚合材料.它们具有更容易进行处理的分子结构.
7. 通过分离和转换减少废物量
把一些需要进行特殊处理的成分从那些可用常规方法处理或处置的废物中分离出来需要新的工艺过
程。而
开发这些过程则需要深入研究以从根本上了解所涉及的化学现象.
含金属离子的酸性废水.一些工业过
程产生了大量的酸性废水.这些废水可以分离成干净的水、可再利
用的酸、以及可从中提取出可回收金属
的淤渣吗？这样的处理过程既可以保护环境，所需费用又与处置
废水所需成本及罚款相差无几。
工业废水处理。工业废水中的有害有机物能被热催化或光催化的过程破坏。一项前景很好的研究工
作是
利用高温高压下的超临界水。在这种条件下，水表现出截然不同的物理和化学性质，它可以溶解并
有助于
那些在常态下的水中几乎是惰性的物质发生反应。
高辐射的核废料。如果需要储藏的核废料其数量和组
成能够显著地减少，就可以节省一大笔的费用。
这种减少需要用经济的方法把放射性成分与大量其它与核
废料共存的物质分离开来，这样有害的化学废
料就可以分别地进行处置，核废料的处置仍将需要今后许多
年进行大量的研究和开发工作。
膜技术。应用半渗透性薄膜进行分离大有希望获得成功。这些膜通常是
片状聚合物。能够让一些化
学物质通过而不让另一些物质通过。这些膜常用来纯化水，阻挡住一些溶解的
盐类提供干净的饮用水。
膜分离技术也用来提纯制造厂出来的废水。膜分离还可以用在气体方面，用来回
收天然气中的微量组分。
通过清除CO提高天然气的热值，以及从空气中得到氮气。研究中的难点包括开
发化学和物理学方面更
有弹性的膜。这样可以使制造费用不那么贵，并且可以提供更好的分离效率以降低
分离成本。
生物技术。科学家们已经向自然界寻求帮助战胜有毒物质。土壤、水和沉积物中的一些微生
物能以
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许多有机化学物质为食。数十年来它们一直被用于传统
的水处理系统。研究者们正通过仔细测量微生物
生存的最佳物理、化学和营养条件致力于处理强度更高的
对象。他们的工作可能导致设计和生产新一代
生物废水处理设备。近年来的一个很大的进展是生物反应器
内微生物的固定。即把微生物固定在反应器
内降解废物。这种固定可以允许有更高的流速。传统反应器内
流速过高会冲走微生物。新的多孔载体的
使用也使每个反应器中微生物的数量明显提高。
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