高分子材料的物理性質及其制品簡介

尚九思

（四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065）

高分子，又稱大分子，一般指相對分子質量在幾千到幾百萬的化合物.高分子大多數品種的主鏈由碳原子構成，稱為碳鏈高分子；也有碳、氧等原子構成主鏈的雜鏈高分子和由硅原子構成主鏈的有機硅高分子.高分子結構簡單，通常由幾百到幾千個相同的結構單元（構成高分子鏈的基本單元）連接而成，可制成塑料、橡膠和化學纖維等主要產品.高分子材料已經應用于人類生活的方方面面，是不可或缺的包裝、結構、裝飾、功能材料，廣泛應用于食品、服裝、交通運輸、環境、軍事、生物醫藥等領域.

超高分子量、分子量的多分散性是高分子的主要特征，以若干結構單元為運動單位的獨特運動特性又使得高分子的力學性能與溫度形成了奇特的關系，這都是高分子與小分子的重要區別.本文介紹了高分子的主要特征和有關的物理性能，并以常見塑料、橡膠和化學纖維種類為例介紹了高分子材料制品的主要應用，又介紹了高分子學科研究熱點之一的高分子電子材料，對讀者了解高分子學科有所幫助.

1 高分子科學的發展

1907年，美國人貝克蘭（Leo Baekeland）發明酚醛樹脂，1909年酚醛樹脂工業化，這是第一種完全人工合成的高分子.

1920年，赫爾曼·施陶丁格（Hermann Staudinger）發表論文《論聚合》，首次提出高分子概念，指出高分子是由結構相同的單體發生反應、相互連接形成的大分子化合物，這標志著高分子學科的建立.

1932年，赫爾曼·施陶丁格總結自己多年的工作，出版了劃時代巨著《高分子有機化合物》.施陶丁格憑借自己的卓越貢獻，成為了高分子科學當之無愧的奠基人，并于1953年獲諾貝爾化學獎.

1937年，華萊士·卡羅瑟斯（Wallace Caroth-ers）成功合成尼龍66，尼龍66商品化后形成了萬人空巷的尼龍搶購熱潮，創造了輝煌的商業奇跡.

1974年，保羅·弗洛里（Paul Flory）獲得諾貝爾化學獎，他提出的高分子等活性理論、高分子統計理論等為高分子科學發展做出了重大貢獻.［1，2］

2 高分子材料的主要特點及物理性能

2.1 高分子材料的主要特點

超高的分子量是高分子材料的主要特點，也是其與小分子材料的根本差別.高分子組成簡單，由結構單元（如聚乙烯結構式—［CH2—CH2］n—括號內部分，構成高分子鏈的基本單元）重復連接組成.同時，應當注意的是高分子材料是混合物：材料中組成分子鏈的結構單元數量不同，因此高分子材料是分子鏈長度不同的同系物的混合.這就是高分子的“多分散性”，多分散性使得針對高分子的微觀層面研究難度驟升，需要借助統計學、概率學等工具進行.

高分子分子運動的基本單位也與小分子材料不同.通說認為，高分子運動的基本單位是鏈段，即若干個結構單元，而小分子運動的基本單位是單獨的分子或原子.溫度對高分子運動的影響通過對鏈段的作用而實現.［3］

以上是高分子區別于小分子的重要特征.

2.2 高分子材料主要的物理性能

高分子材料的力學性能和形變量與溫度密切相關.溫度較低時，材料力學模量大、形變量小且主要發生可逆的彈性形變，剛性較好；溫度升高時，材料力學模量減小，彈性增強，形變量逐漸變大且不可逆形變所占比重逐漸增大.溫度升高至某特定溫度（該溫度高低與材料種類有關）時，材料成為高粘度液體，分子鏈間相互滑移，力學性能發生突變.［4］

高分子材料具有優良的電絕緣性.材料基本由共價鍵連接，缺少可以導電的自由電子，故電絕緣性優良.［4］導電高分子是近年高分子的前沿研究方向之一.高分子材料導熱性較差，如表1，金屬（銅、鐵）導熱系數大，導熱能力強；無機物（鈉鈣玻璃）導熱系數低，導熱能力差；高分子材料（聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯）導熱系數極低，導熱能力很差.［4］導熱能力差對高分子合成、加工過程中設備的散熱能力提出了較高要求.

表1 常見材料的導熱系數

3 高分子材料的主要產品

高分子材料的主要產品有塑料、橡膠、和化學纖維等.

塑料由高分子化合物與添加劑經加工制成，常見的塑料種類有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，可以根據需要制成管材、片材、薄膜、各類容器等（圖1）.不同種類的塑料性能各異，聚乙烯的耐腐蝕性、電絕緣性、加工流動性優異，可制造電絕緣產品等；聚丙烯的剛性、耐熱性好，可用于制造管材等；聚四氟乙烯的耐高溫性、耐腐蝕性優異，可制造輸送設備等.［5］

圖1 聚乙烯薄膜、聚丙烯管材和聚四氟乙烯片

橡膠的常見種類有天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠等.天然橡膠回彈性、電絕緣性、阻隔性好，應用最為廣泛，可用于制造輪胎、醫用手套等；丁苯橡膠耐磨、耐熱、耐老化，可制造輪胎、電纜等；丁腈橡膠耐油性優異，主要用于制造耐油產品（圖2）.［5］

圖2 天然橡膠及其手套制品

常見的化學纖維有滌綸、錦綸、維綸、腈綸、丙綸和氨綸.滌綸挺括不易皺，耐沖擊、耐光性好，染色性差，用量最大；錦綸結實耐磨，但耐日光性差；維綸吸濕性、保暖性好，但不耐熱水、易皺、染色性差；腈綸耐日光性、耐候性好，吸濕性、染色性較差；丙綸質輕、保暖；氨綸彈性優良.可根據不同場景選擇合適的纖維（圖3）.［5］

圖3 滌綸、腈綸和氨綸織物

4 高分子電子材料

隨著電子器件集成化、輕型化進程加速，傳統導電材料如金屬耐化學性差、加工難等問題逐漸凸顯，［6］而導電高分子不同層次結構的豐富性賦予了高分子在電子材料領域廣闊的應用前景.結構單元連接方式、功能基團的多樣性，分子的多種構型，分子鏈多樣的折疊形態等，使高分子得以承擔信號傳遞、轉化等功能，高分子電子材料因此成為熱點研究領域.上世紀70年代，美國科學家艾倫黑格（Alan Heeger，）、艾倫·馬克迪爾米德（Alan MacDiarmid）和日本科學家白川英樹發現了導電高分子材料，三人因此獲得2000年諾貝爾化學獎.［7］

高分子電子材料按應用可分為導電材料、半導電材料、介電材料、絕緣材料、壓電材料、熱電材料等，應用于電池、顯示設備、導體、絕緣封裝、超級電容器、傳感器等的制作.目前，高分子電子材料的主要開發方向有大功率蓄電池、太陽能電池、電磁屏蔽產品等，［8］涉及能源、軍工、電力等領域，前景光明，大有可為.

高分子的主要特征是超高分子量和分子量的多分散性，其分子運動以鏈段為基本單位，這些特征是高分子與小分子的重要區別，也是高分子物理等學科進行研究的基本認識.高分子材料作為塑料、橡膠、化學纖維等產品已經深入人類生活，成為生產、生活中不可缺少的一部分.盡管如此，高分子材料仍有需要研究和改進的地方，如高分子電子材料的開發，這需要我們堅持不懈的努力，通過了解、學習、研究高分子的特性，為高分子科學的發展添磚加瓦.