光盘、奶瓶和双酚A——漫谈PC(上)

摘要

聚碳酸酯主要指碳酰氯与双酚A反应形成的高分子。它具有高度透明、耐热性好和机械强度高等优点,在日常生活中有着广泛的应用。聚碳酸酯的一项重要应用是作为生产光盘的材料。光盘数据刻录与读取的实现主要是依靠刻在聚碳酸酯层上微米尺度的小坑来造成激光强度的变化。聚碳酸酯还经常被用来加工成各种食品容器。

光盘、奶瓶、双酚A,这是三个看上去毫不相关的事物,却因为一种重要的高分子材料而联系起来,它就是聚碳酸酯(polycarbonate,简称PC)。那么,聚碳酸酯是怎样的一种材料?它在我们的日常生活中有哪些应用?这些应用对我们的健康有影响吗?本文将为大家作一些简单的介绍。

Polycarbonate_bowl

聚碳酸酯环保碗(图片来源:wiki)

要了解什么是聚碳酸酯,首先要了解什么是酯。一般来说,酯指的是羧酸(含有-COOH基团,即羧酸基)和醇或者酚(含有-OH基团,即羟基)互相反应失去水分子得到的化合物,它们在我们的生活中很常见,例如油脂就是各种脂肪酸与丙三醇(甘油)发生反应得到的酯。大家都知道,碳酸是二氧化碳溶于水得到的产物。如果碳酸和醇或者酚反应生成酯,这些化合物就叫做碳酸酯。

如果碳酸和一种叫做双酚A的分子相遇,会有什么结果呢?一个双酚A分子中含有两个羟基,因此可以和两个碳酸分子发生反应(图1)。

Figure1-1

图1 假想的碳酸和双酚A生成聚碳酸酯的反应

然而,这个反应并没有结束,仔细观察一下产物的化学结构我们就会发现,这个新分子的两端各有一个羧酸基,可以分别和一个双酚A分子反应。那么反应到此结束了吗?依然没有。再次得到的新分子两端各有一个羟基,可以分别和一个碳酸分子反应,而新生成的分子又可以和两个双酚A分子反应。于是碳酸分子和双酚A分子交替着拉起手来,形成分子量数以万计甚至更高的高分子。这样的高分子相当于无数个碳酸酯分子连在一起,因此自然得名聚碳酸酯。

然而碳酸本身反应活性差且不稳定,因此图1中的这个反应实际上是无法发生的。不过不要紧,我们可以用反应活性更强的碳酰氯代替碳酸与双酚A反应,同样可以得到聚碳酸酯(图2)。

Figure1-2

图2 碳酰氯和双酚A反应生成聚碳酸酯

严格说来,聚碳酸酯还包含了一些其它结构的高分子,但这些高分子应用得相对比较少,因此一般提到聚碳酸酯,我们都是指碳酰氯和双酚A反应得到的这种高分子。

聚碳酸酯自从上个世纪五十年代投入市场以来,已经成为一种非常重要的合成塑料。同其它类型的塑料相比,聚碳酸酯有几个非常显著的优点。

首先,聚碳酸酯抗冲击能力远远强于其它许多种塑料,也就是说在遭到突然的撞击时不容易破碎,因此用它制成的器具经久耐用,不易损坏。其次,聚碳酸酯对可见光几乎没有吸收,透光性可以媲美玻璃,有资料显示厚达四五厘米的聚碳酸酯仍然能保持很好的透光性,这是许多高分子材料所不具备的。由于聚碳酸酯的密度更低,它在许多场合被用来代替玻璃,从而让相关的产品更加轻便。

聚碳酸酯的还有一个重要优势是它的耐热性能优异。大部分塑料制品的使用温度都不能超过一个叫做玻璃化转变温度的温度值,这是因为虽然在这个温度以下塑料非常坚固,一旦超过这个温度,塑料会由硬变软甚至开始流动,机械性能也就随之大幅度下降,显然这个时候它们不再适合用做各种器具。许多常见的塑料,例如聚苯乙烯和聚酯,它们的玻璃化转变温度都不太高,在80-100 oC这个范围,因此耐热性能并不算很好。而聚碳酸酯的玻璃化转变温度要高得多,在150 oC左右,因此保证了更高的使用温度。除了这三项“独门秘技”,聚碳酸酯还有着加工方便、阻燃性能较好等优点。[1]

正是由于这些优点,聚碳酸酯自问世以来就受到了人们的青睐。尽管聚碳酸酯的生产成本明显高于许多其它类型的塑料,我们还是要经常请它“出马”。例如聚甲基丙烯酸甲酯,也就是俗称的有机玻璃,同样因良好的透光性能而常被用作玻璃的替代品。相比聚碳酸酯,有机玻璃价格更加低廉,因此在许多情况下聚碳酸酯总是“谦虚”地把机会让给它。但是有机玻璃的机械强度和耐热性能都差一些,因此在有较高使用要求的场合仍然需要使用聚碳酸酯。例如汽车的灯罩基本上都是用聚碳酸酯制成,实验室人员佩戴的安全防护眼镜和防护面罩也是用它来做透光材料。

不过说到作为光学材料,聚碳酸酯还有一项更加重要,与我们生活联系也更紧密的用途,那就是用来生产光盘。

光盘是我们日常生活中不可或缺的一种移动存储介质,它包含了我们通常所说的CD、DVD等多种类型。那么聚碳酸酯是如何在光盘中发挥作用呢?

我们先从结构相对比较简单的CD说起。当我们把一张直径120毫米,厚度则只有1.2毫米的标准CD光盘拿在手里时,首先映入眼帘的自然是CD上的标签,如果去掉标签和标签下面的起保护作用的高分子薄膜,我们会看到薄薄一层铝。如果我们再把这层铝除掉,留在手中的就只剩下一层透明且坚硬的塑料,占据了光盘的主要厚度,这层塑料就是聚碳酸酯(图3)。

Figure1-3

图3 CD的纵截面示意图。引自参考文献[2]

如果仅仅用肉眼观察,我们恐怕看不出这层聚碳酸酯有什么特别之处,但如果把它放到原子力显微镜下面观察,我们就会发现,看上去平坦的表面实际上布满了不计其数的小坑(图4)。

Figure1-4

图4 (左)CD聚碳酸酯层上螺旋形轨道示意图。(右)原子力显微镜观察到的聚碳酸酯层表面的凹槽。图片对应的实际区域长宽均为5微米,亮色处比暗色出高越0.1微米。左图引自参考文献[2].

它们的长度从一微米到几个微米不等,宽度只有0.5微米,厚度则只有0.1微米。要知道一微米仅仅是一米的百万分之一,这些小坑有多么小就可想而知了。这些小坑首尾相连排列成螺旋形的轨道,从光盘的最内侧一直延伸到光盘的外缘,相邻的两圈螺旋线之间的距离只有1.6微米,因此光盘上的这些微观结构是非常密集的。

那么这些小坑是如何帮助我们储存和读取信息的?想象有一束激光从CD的下方也就是没有标签那一面的下方照射进来,并沿着螺旋形的轨道从内到外移动。这束激光穿过聚碳酸酯层后被上面的铝反射,然后再次穿过聚碳酸酯层从光盘中返回。我们可以用光电器件接收被发射回来的激光并测量它的强度。由于聚碳酸酯对激光几乎没有吸收,因此激光照射到的地方无论是小坑还是没有小坑的“平地”,反射光的强度都不会变化,我们让这样的状态对应二进制中的0. 一旦激光束遇到小坑的边缘,情况就发生了变化。这个时候,一部分光束从小坑处反射回来,而另一部分光束从平地反射回来。由于有小坑的地方聚碳酸酯层要薄0.1微米左右,从这里返回的激光就比从平地返回的激光少走了大约0.2微米的路程。这个数值看上去虽然微不足道,却可以让两束激光发生干涉从而光强大大降低,我们可以让这样的状态对应数字1. 在实际操作中,光驱会带动光盘高速旋转,同时激光束的位置也按照一定速度从光盘的内侧向外移动,这就保证了激光束能沿着轨道移动并扫描到所有的小坑。在这个过程中,光电器件不停地感受到光强的变化,对应了0和1两个数字不停地切换。再通过进一步的转换,我们就可以读取出光盘上存储的信息了。[2,3]

通过上面的介绍我们可以看出,光盘信息存储的关键正是在于刻在聚碳酸酯上的这些小坑,那么它们是怎样被生产加工出来的呢?

首先,我们需要根据光盘上要存储的信息来设计刻在光盘上的这些小坑的形状,之后根据设计结果准备模板。准备模板的时候要注意了,凡是聚碳酸酯层上出现小坑的地方,模板上都要对应尺寸相同的突起。模板做好后,我们就可以利用它大批量地复制光盘了。我们首先将聚碳酸酯加热到它的玻璃化转变温度以上。前面我们已经提到,在这个温度以上,高分子材料逐渐变得可以流动,这时候如果把聚碳酸酯注入到模板上,长短不一的小坑就形成了。之后我们再将温度降下来,这层聚碳酸酯的形状就固定了。聚碳酸酯层准备好之后,我们在它上面镀上一层铝或者其它金属以提供反射,再加上一层起保护作用的高分子薄膜,最后再贴上标签,一张光盘就生产完成了。

这样的光盘生产工艺带来了一个问题,那就是聚碳酸酯上的小坑一旦被刻好很难轻易被改变,因此普通的CD,也就是我们常说的CD-ROM,不能像磁盘那样反复改变上面的存储信息。同时,由于生成CD需要专门的设备,普通的用户也很难根据需要自己需要刻录光盘。为了解决这个问题,一种新的光盘格式CD-R应运而生。空白的CD-R的结构与CD-ROM很像,但是聚碳酸酯和金属反射层之间多了一层染料。这种染料本身是透明的,但是一旦在特定波长的光照射下就会发生反应而变得不透明。

另外,CD-R的聚碳酸酯层上虽然也刻有小坑,但是这些凹陷完全相连,形成了一道螺旋形的凹槽。在向空白CD-R写入数据的时候,激光会沿着凹槽移动,选择性地让某些区域的染料发生化学反应。需要读取数据时,激光仍然是沿着螺旋形的凹槽移动,有的时候激光会透过染料层被金属反射,有的时候则会被变得不透明的染料吸收,因此同样会产生光强的变化。利用这种方式,我们不需要专业的生产设备,只需要光驱就可以将数据刻录到光盘上,不过由于染料在光照下发生的化学变化是不可逆的,它也只能被刻录一次。

为了能够反复读写,CD-RW应运而生。它将染料替换成一层金属合金。这种金属合金能够在激光的作用下在结晶和非结晶两种状态下反复转变。结晶态的合金能够让激光透过,而非结晶的合金则会将激光完全吸收。通过改变合金的形态,我们也可以改变激光的强度,从而实现数据的记录与读取。[4]

Figure1-5

图5 CD-R(左)与CD-RW(右)的工作原理。引自参考文献[4].

一张标准尺寸的CD可以存储将近80分钟的音乐或者近700MB的数据,容量大大高于软盘,然而人们仍然希望增加它的存储容量,于是DVD应运而生。DVD的工作原理与CD类似,但是有两个显著的不同。首先,DVD的聚碳酸酯层上的小坑的尺寸和间距都更小,例如小坑之间的间距从1.6微米减小到了0.7微米左右,这样凹槽的密度大大增加,同样尺寸上自然能够储存更多的数据(图6)。其次,DVD可以做到单面双层甚至双面双层,这就像是2张或者4张CD叠在了一起,进一步增加了DVD的存储容量。[3,5]

Figure1-6

图6 CD与DVD聚碳酸酯层结构的对比。引自参考文献[5]。

除了在光盘中发挥至关重要的作用,聚碳酸酯有时也被用来生产水杯和餐具。例如超市中常见的质地坚硬的塑料水壶有些就是用聚碳酸酯制成,一些婴儿的奶瓶也是使用聚碳酸酯做材料。这些应用虽然只是聚碳酸酯诸多用途中很小的一部分,却因为一些潜在的健康风险而受到了人们的广泛关注。那么这些健康风险怎么回事呢?敬请关注本文的下半部分。

参考文献:

[1] http://www.eng.buffalo.edu/Courses/ce435/PC_CB.pdf

[2] http://www.howstuffworks.com/cd.htm

[3] http://www.clir.org/pubs/reports/pub121/sec3.html

[4] http://www.explainthatstuff.com/how-cd-writers-work.html

[5] http://web.jfet.org/dvdvideo.html

您还未添加分享代码,请到主题选项中,添加百度分享代码!

您可以选择一种方式赞助本站

  • 版权声明:本文转载自: 健康中国人网,于3年前,由魏昕宇发表,共 4723字。
  • 如需转载,请联系作者或首发网站。

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情