淺析高分子材料的相關知識

崔永廣 姜景博

摘要：人類很早就在利用天然高分子材料，但有目的地人工合成高分子材料，至今只有一個多世紀的歷史。高分子材料由于其獨特的性能特點而得到了迅猛發展，到目前為止，已發展出由塑料、橡膠、合成纖維三大合成結構材料及油漆、膠黏劑等組成的龐大的非金屬材料群體，這些材料被廣泛應用于工業、農業和尖端科學技術等各個領域。

關鍵詞：高分子材料 單體 分子鏈 聚合度 加聚反應 縮聚反應

高分子材料是以高分子化合物為主要組成部分的材料。高分子化合物的分子量很大，通常每個分子可含有幾千至幾十萬個原子，一般情況下高分子化合物分子量都在5000以上。隨著科學技術的發展，高分子材料以其特有的性能：重量輕、比強度高、比模量高、耐腐蝕性能好、絕緣性好，被大量地應用于工程結構件中。

高分子化合物有天然的和人工合成的兩種。天然的高分子化合物有松香、纖維素、蛋白質及天然橡膠等;人工合成的高分子化合物有各種塑料、合成橡膠、合成纖維等。工程使用的高分子材料主要是人工合成的。

一、高分子化合物的組成

高分子化合物的相對分子質量雖然很大，但化學組成卻相對簡單。首先，組成高分子化合物的元素主要是c、H、o、N、si、s、P等少數幾種元素;其次，所有的高分子都是由一種或幾種簡單的結構單元通過共價鍵連接并不斷重復而形成的。

組成聚合物的低分子化合物（如乙烯、氯乙烯等）稱為單體。高分子鏈中重復的結構單元稱為鏈節。一條高分子鏈中所含的鏈節數目稱為聚合度。顯然，高分子的相對分子質量是鏈節的相對分子質量與聚合度的乘積。

高分子材料是由大量的大分子鏈聚集而成的，各個大分子鏈的長短并不一致，是按統計規律分布的，因此我們所說的相對分子質量，指的是平均相對分子質量。

大分子鏈也可以由幾種單體共同聚合而成。

二、高分子化合物的合成

高分子化合物是由一種或幾種簡單化合物聚合而成。合成的基本方法有兩種：加成聚合反應（簡稱加聚反應）和縮合聚合反應（簡稱縮聚反應）。

（一）加聚反應。在一定條件下，如光照、加熱或化學藥品處理等引發作用，就可以把參加聚合反應單體的雙鍵打開，出現不飽和鍵，這樣第一個分子和第二個分子連接，第二個分子和第三個分子連接，形成一條大分子鏈，所以稱為加聚反應，如氯乙烯加聚反應生成聚氯乙烯。

加聚反應的主要特點有：

1.反應一旦開始，就進行得很快、直到形成最后產物為止，中間不能停在某一階段上，也得不到中間產物。

2.鏈節的化學結構與單體的化學結構相同。

3.沒有小分子副產物生成。

一般來說，凡是帶有雙鏈的有機化合物原則上都可以發生加聚反應。加聚反應是目前高分子合成工業的基礎，約有80%的高分子材料是由加聚反應得到的，如合成橡膠等。

（二）縮聚反應。由一種或幾種低分子化合物聚合，在生成高分子化合物的同時，有水、氨氣、鹵化氫、醇等低分子物質析出，所以縮聚反應生成的高分子化合物其成分與單體是不同的。

縮聚反應的特點是：

1.縮聚反應是由若干個聚合反應構成的，是逐步進行的，反應可以停在某一階段上，可得到中間產物;

2.縮聚產物鏈節的化學結構與單體的不完全相同;

3.在縮聚過程中總有小分子副產物析出。

縮聚反應也有很大的實用價值，雖然在目前合成高分子工業占的比例不如加聚反應那么大，但從原則上講，所有已知的聚合物都可由縮聚反應制備，如酚醛樹脂、環氧樹脂、聚酰胺、有機硅樹脂以及其他一些工程塑料等。

三、高分子材料的結構

高分子材料的應用狀態各式各樣，性質各異。性質不同的主要原因是材料的成分及結構不同。高分子化合物的結構比常見的低分子化合物復雜得多，高聚物按其研究單元不同分為兩大類結構：一是分子內結構（稱高分子鏈結構），二是分子間結構（稱聚集態結構）。

（一）高分子鏈的組成。只有在元素周期表中處于IIIA、IVA、VA、VIA族的金屬和非金屬元素硼、碳、硅、氮、磷、氧及硫等能組成高分子鏈，其中以碳鏈高分子產量最大，應用最廣。由于高聚物中常見的碳、氫、氧、氮等元素都是輕元素，使高分子材料都具有密度小的特點。高分子鏈內組成元素不同，則性能不同。這主要是由于高分子鏈中原子間以共價鍵結合，不同元素間的結合力大小不同。

（二）高分子鏈的形態。高分子鏈可以呈不同的幾何形狀，一般可分為以下三種：線型分子鏈、支鏈型分子鏈和體型分子鏈，如圖l所示。

1.線型分子鏈。由許多鏈節組成的長鏈通常卷曲成團狀，這類高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是典型熱塑性材料的結構，屬于此類的高聚物有聚乙烯、聚丙烯等。

2.支鏈型分子鏈。在主鏈上帶有支鏈，這類高聚物的性能和加工都接近于線型分子鏈高聚物。由于支鏈的存在，分子鏈不易規則排列，故難以結晶，呈無定形。支鏈可呈三維纏結，對塑性變形不利。

3.體型分子鏈。分子鏈之間有許多鏈節互相交聯，這類高聚物的硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是典型熱固性材料的結構，這種形態也稱為網狀結構。熱固性塑料的酚醛樹脂就具有這樣的結構。

四、高分子材料的性能特點

1.密度小。高聚物比金屬和陶瓷的密度都小，密度為1000～2000kg/m³，最輕的聚丙烯密度為910kg/m³，而泡沫塑料只有10kg/m³。

2.強度低，比強度高。高聚物的抗拉強度只有幾十MPa，比鋼低得多。但是，由于密度小，其比強度卻很高，某些塑料的比強度比鋼鐵還高。

3.彈性模量小。高聚物彈性模量約2～20MPa，比金屬低得多。

4高彈性。不少高聚物（特別是含柔性鏈的輕度交聯的高聚物）在玻璃化溫度以上時具有典型的高彈性，彈性變形量可達100%～1000%，而金屬只有0.1%左右。卷曲的大分子對振動的減震性也好。

5.絕緣性好。因無自由電子和離子，其導電能力低，介質損耗小，耐電弧，導熱性?。ń饘俚腎/100～1/1000）。

6.耐磨。雖然高聚物硬度低，但不少有自潤滑性，摩擦系數小，在無潤滑條件下，耐磨減摩性很多都優于金屬材料。

7.耐蝕。它不受電化學腐蝕，大多也不和周圍介質發生化學作用，具有很高的化學穩定性。

8.黏彈性。不少高聚物既具有彈性材料的一般特征，又具有黏性流體的一些特性，即受力后同時發生彈性變形和黏性流動，變形量與時間有關，形變總是落后于應力變化。應力作用速度越快，鏈段越來不及作出反應，則黏彈性越顯著。高聚物的黏彈性主要表現在蠕變、應力松弛、滯后和內耗等現象上，比其他材料明顯很多。

9.可加工性好?？捎酶鞣N方法加工，單件生產成本低。

此外，高聚物對環境因素很敏感，如高溫、紫外線等的作用可以使之氧化或軟化，或者發生解聚作用，使性能惡化，部分易溶于一些有機溶劑，大多在150°C以下才可使用。