§§§第一节向海洋要淡水
现代社会的水危机
水是人类赖以生存的基本物质。人可以7—10天不进食，却不能不饮水。
要知道，人体总重量的70％是水，血液中的含水量更高，达83％。
世界各国的工业化给人类带来了物质文明，但也产生了负面影响。人是人类社会最宝贵的财富，但人口的猛增也给地球带来了沉重的负担。就拿水来说，由于工业的发展和人口的猛增，地球已发生了水危机。早在1972年，联合国在瑞典斯德哥尔摩召开人类环境会议，许多国家的代表在会上都提到城市缺水和水严重污染的问题。会议纪要中也写道：“遍及世界的许多地区，由于工业膨胀和每人消费量的提高，需水量已增加到超过天然来源的境地……”
如果我们乘坐在宇宙飞船上，居高临下看地球，就可以看到：西欧最大的河流——全长1320千米的莱茵河，由于沿岸各国污染物的排入，已成了“欧洲最大的下水道”，河水变成红褐色，鱼类大量死亡；美国号称“百川之父”的密西西比河，其流域面积达美国大陆的1/4，也处于危机之中；被俄罗斯人称为“母亲河”的伏尔加河，几乎接受了该国一半的污水。
再看看发展中国家，我们也无法乐观：南美洲拥有的世界第一长度和第一大水量的亚马孙河被污染着；被印度人敬为“圣河”的恒河，曾因受污染而导致几万人患黄疸病，许多人因此死亡。
人口的急增是水危机的又一重大原因。据科学家测算，每人每天约需饮用清洁水5升，加上其他生活用水，共需几百升。1830年世界人口是10亿，1930年增加到20亿，1960年达到30亿，1975年已有40亿，1990年高达53亿，现在世界人口已达60亿之多。而据世界卫生组织的调查，早在20世纪70年代中期，世界上就已有70％的人得不到安全、卫生的水了。如此算来，很快就会有90％以上的人饮用不到安全、卫生的水。到那时，说“水贵如油”毫不过分。
根本的出路：海水淡化
让我们还是在宇宙飞船上往下看，你会看到：地球表面的70.8％被水覆盖着，总水量达13.56亿立方千米。但是被水覆盖的地球表面中97.2％是浩瀚的海洋，而陆地水面只占2.8％，其中淡水更是少得可怜，只占0.64％。
我们遇到的是一个非常矛盾的现象：一方面，地球上的水并不少，但绝大多数是又苦又咸的海水；另一方面，人类生存所必需的淡水却越来越少。怎么办？人类早已有了改造大自然的能力，我们不能看着水而大喊没有水。向海水要淡水，这是从根本上解决水危机的唯一出路。
其实，海水淡化早就是人们重视的一项技术，如今已有多种海水淡化的方法，如多级闪蒸法、电渗析法、溶剂萃取法、冷冻法、反渗透法等。其中，反渗透法是耗能最少的一种方法，而且用它可直接得到清洁的淡水。
反渗透海水淡化装置包括去除混浊物质的前处理设备、高压泵、反渗透装置、后处理设备、浓缩水能量回收器等。其中最核心的装置就是反渗透装置，而这个装置中最核心的部件就是反渗透膜。那么，什么叫反渗透？反渗透膜是一种什么材料？这个装置为什么能把海水中的盐和水分开呢？让我们来做一个实验。
渗透与反渗透
在一个水池中，用一张有机材料薄膜从中间隔开，把水池分为两部分。
在其中一部分注入盐水，在另一部分注入淡水。这张薄膜是特制的，它可以让水透过，但绝不让盐透过。这种膜称为半透膜。如果淡水和盐水的水面本来一样平，过一段时间，你就会发现：一部分淡水自动地透过了半透膜，跑到了盐水那一边，使得盐水的水面有所升高，但升高到一定程度，便不再升高。这时，淡水水面和盐水水面之间就形成了一个高度差。这种现象称为渗透。那个高度差所造成的压强称为渗透压。就好像淡水那边有一种“压力”，把淡水从膜那边“压”到膜这边，使得膜两边的水形成高度差，从而产生渗透压来抵消这种“压力”。
其实，渗透现象在我们平时的日常生活中也可观察到。比方说，我们在腌菜时总要撒上许多的盐，菜腌了一段时候便会产生出不少腌菜卤，这就是因为菜细胞中的水分透过细胞膜跑了出来。
渗透现象的产生是因为大自然有一种平衡的趋势，它似乎总是希望保持某种一致性。当膜两边的溶液浓度不一致时，低浓度溶液中的水分子就无孔不入地透过膜来到高浓度溶液中。同样，高浓度溶液中的溶质分子，也有透过膜进入低浓度溶液的趋势。只是在我们的实验中，使用的是半透膜，它忠于职守地只让水分子通过，而不让盐分子通过。于是，只有用水面高度差来维持平衡了。
既然半透膜只让水分子通过而不让盐分子通过，那么我们是否可以利用这个特性，让水分子从盐水中跑出来而不带出任何盐分子呢？可以，只要在盐水那边施加压强，这个压强要大于渗透压，首先把渗透压抵消掉，再继续压盐水。我们可以看到：盐水中的水分子可受不住了，从盐水中透过半透膜跑到淡水这边来了。施加的压强越大，透过来的水就越多。这就是反渗透现象。在这里，那张半透膜就称为反渗透膜。
说到这里，你已经可以明白，淡化海水的反渗透法就是利用反渗透膜的这个特性，让它看起来好像过滤器那样，把海水中的盐分及其他杂质“过滤”掉。就这么简单，而关键就在于那张神奇的反渗透膜。
神奇的反渗透膜
粗浅地说，反渗透膜的表面有这样一种特性：它能有选择地在它上面吸附一层水分子，而把盐远远地排斥开。反渗透膜上还有许多很细小的孔，在反渗透压强的作用下，那层水分子就通过这些小孔流向淡水一边。盐水中的水分子会不断地补充到膜表面上，并不断地通过小孔流向淡水，而盐则被拒之“门”外。
当然，小孔的大小很重要，孔太大了，盐也会蒙混过“关”。但更重要的是制造这种膜的材料。这种材料要能吸附水分子而排斥盐及其他杂质；这种材料要能让人们在反渗透膜上制出足够小的孔，小到把最小的细菌之一——绿脓杆菌，以及病毒，都排斥在膜的一边而不让通过，从而得到最纯净的水。这种材料就是一种有机高分子材料。
1960年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的索里拉金和劳勃制得了世界上第一张透水量大、除盐率高的醋酸纤维素反渗透膜。1969年，美国杜邦公司制成了以尼龙66为主的中空纤维膜组件。1971年，丹麦DDS公司制成了平板式组件并获得专利。但是这些膜都需要较大的反渗透压强，因此不够理想。
到了20世纪80年代，人们发明了一种复合膜。这种复合膜由三层组成。上面一层是超薄反渗透膜，中间一层是多孔支撑层，最底下为织物增强层。它透水量极大，除盐率达99％，是一种理想的反渗透膜。
如今，反渗透海水淡化装置已在为人类服务了。据不完全统计，世界上已有反渗透海水淡化厂1000多家，其中最大的建在位于地中海中部的马耳他。它为这个小岛国的3.5万居民以及来观光的旅游者源源不断地提供着清洁的淡水。
膜分离技术
生物体上的膜是隔开不同组织的屏障，它能有选择地让膜两边的物质进行交流，有的让过，有的不让过，这就是膜的分离功能。人们很早就发现了膜具有分离功能。据记载，1748年，一个叫奈尔克脱的研究者发现水能自动地扩散到装有酒精的猪膀胱中去。人们就是受到生物膜这些功能的启发而进行人工分离膜的研究的。
反渗透膜是膜分离技术所研究的各种分离膜中的一种。除了反渗透膜外，还有可分离氧气的高透量富氧膜，以及氢分离膜、氮气分离膜、乙醇和水的分离膜、细菌分离膜、干扰素分离膜等等。研制各种分离膜的关键是材料，例如，模仿人体功能的人工膜的研究就是当今高分子材料研究的前沿课题之一。
§§§第二节树木的眼泪
英国女王的御车
南美洲的亚马孙河是世界第一大河。它西起秘鲁的安第斯山脉东麓，向东横穿巴西北部，流入大西洋。整个流域位于赤道附近，千万年来一直是郁郁葱葱的原始大森林。森林中有一种高大的乔木，叫作“三叶树”。如果用小刀在它的树皮上割开一个小口子，便会有牛奶似的树汁流淌出来。这种树汁，就是今天人们所熟悉的橡胶的最初来源。在印第安人的土语中，“橡胶”就是“树木的眼泪”的意思。其实，除了亚马孙河流域之外，其他许多热带林区也生长着会流“眼泪”的树木，比如我国的海南、广西、云南西双版纳等地。
目前人们发现，至少有200多种植物的树汁能够作为橡胶的原料，人们把这种树汁称为胶乳。胶乳经凝聚、脱水等加工步骤，便成为有弹性的固体，称为生胶。生胶强度大小，表面又发粘，无法作为材料使用。1832年，德国的鲁斯特道尔夫发明了硫化技术，他用松节油、硫磺与胶乳共煮，得到了一种既有弹性又不发粘的固体，即硫化橡胶，并把它作为贡品敬献给英国女王，用于包覆女王御用马车的车轮，使这辆马车显得更加豪华，坐起来又十分舒适。然而，同今天的橡胶轮胎相比，硫化橡胶的耐磨性和强度还差得太远。
硫磺、炭黑与纤维
鲁斯特道尔夫发明的硫化技术，实质上相当于在一定条件下，在胶乳的一个又一个大分子之间架起“桥梁”，使它们互相牵制，无法自由移动。这“桥梁”就是硫原子。这种“架桥”工艺是大有讲究的，因为“桥”的多少决定了硫化橡胶的软硬程度。“桥”越多，橡胶越硬。于是，同一种天然胶乳，可以硫化成强度和弹性完全不同的多种橡胶。
硫化技术使胶乳变成了有用的硫化橡胶，但硫化橡胶在强度和耐磨性上还不尽如人意。小学生用的五颜六色的橡皮擦就是一种硫化橡胶，一般用不了多久就磨完了。这样的材料怎么能用来制造汽车轮胎呢？
不久，人们发现一种黑不溜秋、毫不起眼的材料——炭黑，居然可以用来弥补这一缺陷。在生炼橡胶的同时，加入一定量的炭黑，充分混合炼制成橡胶，再经硫化，其强度和耐磨性便大大提高。炭黑的这种作用是独一无二的，因为有人试图用其他物质来代替炭黑，结果都失败了。这就是为什么至今大多数橡胶制品——汽车轮胎、耐高压橡皮管、传送带、橡胶鞋鞋底等等，都无一例外是黑色的缘故。
然而，光加炭黑达到的效果仍不能满足载重车、飞机等轮胎的强度要求。
于是，科学家们又想到了纤维，他们在橡胶中加入纤维，制成了“子午线轮胎”。开始时只是在黑色橡胶混合时加入由棉线、麻线等织成的子午线布的碎片，强度已有明显提高。后来发展到用高强度的合成纤维甚至钢纤维来制造子午线轮胎，强度又得到了惊人的提高。
现在使用的橡胶轮胎，包括大多数自行车轮胎，都是经过加硫磺、炭黑、纤维等一系列加工步骤后制成的，它们当然比当年英国女王座车的车轮强多了。
诞生于炮火中的合成橡胶
用天然胶乳加工制成的橡胶至今仍是橡胶工业中的主角。然而，纯粹由人工用化学方法合成的橡胶也早已登上了橡胶材料的舞台，发挥着它们独特的作用。说起合成橡胶的诞生，还要追溯到第二次世界大战。
二战爆发前夕，许多北方国家，如苏联、德国等，纷纷意识到自己国家并没有天然橡胶资源，一旦战争发生，这一资源的进口渠道被切断，就意味着坦克、大炮、军车、飞机等军备无法大量制造，战争必败无疑。于是，这些国家都组织了力量，加紧研制天然橡胶的代用品，结果得到了不同程度的成功，合成橡胶由此诞生。战争是罪恶的，但合成橡胶却的确是因为战争而迅猛发展起来的。
合成橡胶是以石油和煤为原料，采用高分子合成技术制造出来的，现在已发展了20多个大品种，一般分成两类：通用型合成橡胶和特种合成橡胶。
通用型合成橡胶主要有丁苯橡胶、顺丁橡胶、氯丁橡胶等。有趣的是，至今尚无一种合成橡胶在弹性和抗撕裂性方面优于天然橡胶。即使是完全模仿天然橡胶结构合成出来的顺式聚异戊二烯橡胶，综合性能也还是略逊一筹。看来人类对那神秘的“树木的眼泪”还未能完全了解。
然而，合成橡胶也有其独特长处，它们总能在某些性能上超过天然橡胶。
丁基橡胶是二战期间美国的垄断产品，其最大优点是气密性极好，对氢气、氧气、氮气、二氧化碳等多种气体的透过值仅是天然橡胶的1/25—1/7，所以用它做内胎最为合适。又如顺丁橡胶，特别耐寒，可在-85℃使用，而天然橡胶只能在-50℃以上使用。将顺丁橡胶与天然橡胶混合制成轮胎，尤其适用于严寒地区。还有乙丙橡胶，原料是价廉易得的乙烯和丙烯，它特别耐腐蚀，耐老化，而且其颜色可以呈浅色，但是因为不能与天然橡胶很好混合，无法制得轮胎。其他如丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚异丁烯橡胶等，也各具特色，都可用来在某一方面代替天然橡胶。
特种橡胶是为了适应某些特殊需要而制出的。在航空、航天、造船、化工、机械等部门，对橡胶有着诸如耐高温低温、耐油、耐真空、耐辐射等要求，天然橡胶和通用型橡胶都无法满足这些要求。于是，各种特种橡胶应运而生。飞机和宇宙飞船上用的特种橡胶是氟橡胶和硅橡胶，它们耐高温低温，耐辐射，一般用来制作各种密封件。造船业、机械工业中又特别需要耐油型橡胶，丁腈橡胶和氟橡胶都是合格的候选者。制造快艇则要用到聚硫橡胶，因为它的耐高真空性能最佳。
第三代橡胶
1956年，高分子化学家许瓦尔克发现了活性阴离子聚合现象，即某些高分子在聚合过程中，始终保持着继续聚合的“生命力”，只要加入单体，它便继续聚合，单体耗尽，则停止聚合；再加入单体，又可以聚合..他的学生密尔苛维希利用这项成果开发了嵌段共聚技术。用嵌段共聚技术可生成一种三嵌段的共聚物，它的分子结构呈三个嵌段的形式，头尾两段称为硬段，中间一段称为软段。顾名思义，硬段使材料具有刚性，软段使材料具有柔性。
于是这种材料刚柔相济，后来人们把它叫作热塑性弹性体。
热塑性弹性体兼有塑料和橡胶的性能。在常温下，它很像橡胶，可以拉长到原长的3—10倍而不断；在高温下，它又像塑料那样便于塑化成型。这种热塑性弹性体，不需要硫化和加炭黑就具有橡胶的弹性和强度，又能像塑料一样加工和反复使用，省时省钱。人们已把它誉为第三代橡胶。
在热塑性弹性体的分子结构中，由于软段提供弹性，硬段提供强度，因此我们可以通过改变软段和硬段的长度或连接方式来改变材料的性能。
许多分子量很高的化合物（即高分子化合物，或称聚合物）是由一些分子量较低的简单化合物通过聚合反应而生成的。例如，常用来制成塑料台布或塑料雨衣的一种高分子材料——聚氯乙烯，就是由氯乙烯这种简单化合物聚合而成的。在高分子化学中，这种简单化合物就称为单体。
