[科普中國]-有機高分子材料

有機高分子材料又稱聚合物或高聚物。一類由一種或幾種分子或分子團(結構單元或單體)以共價鍵結合成具有多個重復單體單元的大分子，其分子量高達104～106。它們可以是天然產物如纖維、蛋白質和天然橡膠等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等非生物高聚物等。聚合物的特點是種類多、密度小(僅為鋼鐵的1/7～1/8)，比強度大，電絕緣性、耐腐蝕性好，加工容易，可滿足多種特種用途的要求，包括塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑等領域，可部分取代金屬、非金屬材料。

有機高分子材料的基本特點高分子是指相對分子質量很大，可達幾千乃至幾百萬的一類有機化合物。它們在結構上是由許多簡單的、相同的稱為鏈節(jié)(單體)的結構單元，通過化學鍵重復連接而成。高分子也稱高聚物或聚合物。

有機高分子材料是以高分子化合物為主要成分，與各種添加劑(或配合劑)配合，經過適當的加工而成。材料的基本性能主要取決于高分子化合物。有機高分子材料有以下基本特點：

1、密度小——比鋼鐵、銅輕得多，與鋁、鎂相當，對機電產品的輕量化有利。

2、有足夠的強度和模量——能夠代替部分金屬材料制造多種機械零部件。

3、優(yōu)良的電(絕緣)性能——對電機、電器、儀器儀表、電線電纜中的絕緣起著重要的推進作用。而添加適當的導電材料又可成為特殊導體材料。

4、優(yōu)良的減摩、耐磨和自潤滑性能——許多高分子材料可在液體介質中或少油、無油干摩擦條件下運行，其性能甚至優(yōu)于金屬。

5、優(yōu)良的耐蝕性能——對酸、堿或某些化學藥品一般都具有良好的耐蝕性能。在一些特殊介質中，如含氯離子的酸性介質。其耐蝕能力勝過金屬，甚至勝過一般的不銹鋼。

6、富于粘結力——高分子膠粘劑能將不同品種、不同形狀的材料零件膠接一起，膠接牢固，并且有密封、堵漏作用。

7、易于合金化——兩種或兩種以上的高聚物可用物理的、化學的方法共混制得共混聚合物合金。如尼龍與聚烯烴共混的塑料合金，其沖擊韌度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大，可制備出性能多樣、適應不同工況要求的新材料。

8、富有彈性——不論是線型或體型高分子，都具有一定的彈性。橡膠彈性最好，具有良好的吸振、防振和密封功能。

9、優(yōu)良的透光性——不少塑料是透明的，如有機玻璃、聚苯乙烯的透光率可達90%以上。不少的高聚物還具有優(yōu)良的隔熱、隔聲性，是很好的輕型建筑材料。

10、耐熱性差——長期使用溫度大多在200℃以下。近年來， 可用于200℃以上的品種有所增加；用在300～4000℃溫度下的，是追求的目標。但有的高分子材料能耐液氮、液氦等超低溫度。

11、可燃——高分子材料是有機物，具有可燃性，或離火自熄；通常加入阻燃劑以消除其可燃性。

12、易老化——在熱、光、氧的長期作用過程中，高分子發(fā)生降解過程，使其理化性能、力學性能降低。完全消失以至失去使用價值。為此，常須加入防老化劑及其他防護措施延長使用壽命1。

有機高分子材料的類別有機高分子材料種類繁多，根據不同的分類原則可將其分為不同的類別。

1、按聚合物的性能和用途分類

根據聚合物的性能和用途，可將有機高分子材料分為塑料、纖維、像膠三大類，此外還有涂料、膠粘劑和粒子交換樹脂等。

(1) 塑料 在一定條件下具有流動性、可塑性，并能加工成形，當恢復平常條件時仍可保持加工時形狀的高分子材料稱為塑料。塑料又分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩種。熱塑性塑料可溶、可熔，并且在一定條件下可以反復加工成形，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等；熱固性塑料則不溶、不熔，并且在一定溫度及壓力下加工成形時會發(fā)生變化，這樣形成的材料在再次受壓、受熱下不能反復加工成形，而具有固定的形狀，例如酚醛樹脂、脲醛樹脂等。

(2) 纖維具備或保持其本身長度大于直徑1000倍以上而又具有一定強度的線條或絲狀高分子材料稱為纖維。纖維的直徑一般很小，受力后形變較小(一般為百分之幾到20%)，在較寬的溫度范圍內力學性能變化不大。纖維分為天然纖維和化學纖維。化學纖維又分為改性纖維素纖維(人造纖維，如粘膠纖維)與合成纖維。改性纖維素纖維是將天然纖維經化學處理后再紡絲而得到的纖維。例如將天然纖維用堿和二硫化碳處理后，在酸液中紡絲就得到人造絲(即粘膠纖維)。合成纖維是將單體經聚合反應而得到的樹脂經紡絲而成的纖維。重要的纖維品種有：聚酯纖維(又稱滌綸)；聚酰胺纖維，如尼龍66；聚丙烯腈纖維(又稱腈綸)；聚丙烯纖維(丙綸)和聚乙烯纖維(氯綸)等。

(3) 橡膠在室溫下具有高彈性的高分子材料稱為橡膠。在外力作用下，橡膠能產生很大的形變(可達1000%)，外力除去后又能迅速恢復原狀。重要的橡膠品種有：聚丁二烯(順丁橡膠)、聚異戊二烯(異戊橡膠)、氯丁橡膠、丁基橡膠等。

塑料、纖維和橡膠三大類聚合物之間并沒有嚴格的界限。有的高分子可以作纖維，也可以作塑料，如聚氯乙烯既是典型的塑料，又可做成纖維即氯綸；若將氯乙烯配入適量增塑劑，可制成類似橡膠的軟制品。又如尼龍既可以用作纖維又可作工程塑料；橡膠在較低溫度下也可作塑料使用。

2、按聚合物的熱行為分類

(1) 熱塑性高分子材料 熱塑性高分子材料成形后分子呈線性結構，在一定條件(如溫度、壓力)下可塑成一定形狀并在常溫下保持其形狀，而且還可在特定的溫度范圍內反復加熱軟化、冷卻固化，加工成形方便，有利于制品再生。因此，熱塑性高分子材料用途廣、產量大(占所有高分子材料的80%以上)。常見的熱塑性高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。

(2) 熱固性高分子材料熱固性高分子材料成形后變成網狀的體型結構，不熔不溶，受熱后只能分解，不能軟化，不能回復到可塑狀態(tài)。常見的熱固性高分子材料有酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等2。

有機高分子材料的加工性能有機高分子材料具有一些特有的加工性能，如良好的高彈性、耐磨性、化學穩(wěn)定性等，這些加工性能為有機高分子材料提供了適用多種加工技術的可能性，也是高分子材料能夠得到廣泛應用的重要原因。

1、有機高分子材料的力學性能

(1) 高彈性輕度交聯的高聚物具有典型的高彈性，即變形大、彈性模量小，而且彈性隨溫度升高而增大。橡膠是典型的高彈性材料。

(2) 粘彈性高聚物的粘彈性是指高聚物材料既具有彈性材料的一般特性，又具有粘性流體的一些特性，即受力的同時發(fā)生高彈性變形和粘性流動，主要表現在蠕變和應力松弛、滯后和內耗等現象上。

1) 蠕變和應力松弛。在恒定溫度和應力作用下，應變隨時間延長而增加的現象稱為蠕變。應力松弛是在應變恒定的情況下，應力隨時間延長而衰減的現象。在外力的作用下，高聚物大分子鏈由原來的卷曲態(tài)變?yōu)檩^伸直的形態(tài)，從而產生蠕變；隨時間的延長，大分子鏈構象逐步調整，趨向于比較穩(wěn)定的卷曲狀態(tài)，從而產生應力松弛。

2) 滯后和內耗。滯后是指在交變應力的作用下，變形速度跟不上應力變化的現象。在克服內摩擦時，一部分機械能被損耗，轉化為熱能，即內耗。滯后越嚴重，內耗越大。內耗大對減振和吸聲有利，但內耗會引起發(fā)熱，導致高聚物老化。

(3) 強度高聚物的強度很低，如塑料的抗拉強度一般低于100MPa，比金屬材料低很多。但高聚物的密度很小，只有鋼的1/4～1/8，所以其比強度比一些金屬高。

(4) 斷裂高聚物材料由于內部結構不均一，含有許多微裂紋，造成應力集中，使裂紋容易很快發(fā)展。在小應力下即可斷裂，稱為環(huán)境應力斷裂。

(5) 韌性高聚物的韌性用沖擊韌度表示。各類高聚物的沖擊韌度相差很大，脆性高聚物的沖擊韌度值一般都小于0.2J/cm2，韌性高聚物的沖擊韌度值一般都大于0.9J/cm2。

(6)耐磨性高聚物的硬度低，但耐磨性高。如塑料的摩擦因數小，有些還具有自潤滑性能，在無潤滑和少潤滑的摩擦條件下，它們的耐磨、減摩性能要比金屬材料高很多。

2、有機高分子材料的電學和物理化學性能

(1) 電學性能高聚物內原子間以共價鍵相連，沒有自由電子和離子，因此介電常數小、介電損耗低，具有高的絕緣性。

(2) 熱性能高聚物在受熱過程中，大分子鏈和鏈段容易產生運動，因此其耐熱性較差。由于高聚物內部無自由電子，因此具有低的導熱性能。高聚物的線脹系數也較大。

(3) 化學穩(wěn)定性高聚物不發(fā)生電化學反應，也不易與其他物質發(fā)生化學反應。所以大多數高聚物具有較高的化學穩(wěn)定性，對酸、堿溶液具有優(yōu)良的耐蝕性。

本詞條內容貢獻者為:

吳俊文 - 博士 - 廈門大學