[科普中國(guó)]-合成高分子材料

高分子材料可稱為聚合物材料，按照其來(lái)源可劃分為合成高分子材料和天然高分子材料兩大類。

定義高分子材料可稱為聚合物材料，按照其來(lái)源可劃分為合成高分子材料和天然高分子材料兩大類。天然高分子均由生物體內(nèi)生成，與人類有著密切的聯(lián)系，如天然橡膠、纖維素、甲殼素、蠶絲、淀粉等。合成高分子是指用結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量已知的單體為原料，經(jīng)過(guò)一定的聚合反應(yīng)得到的聚合物。合成高分子采用的化學(xué)合成方式即聚合反應(yīng)包括逐步聚合、自由基聚合、離子型聚合（陰離子聚合、陽(yáng)離子聚合）、配位聚合、開(kāi)環(huán)聚合以及共聚合。同時(shí)，對(duì)于一個(gè)聚合反應(yīng)又可根據(jù)其聚合機(jī)理、所需求產(chǎn)品不同的性能采用不同的聚合方法。以聚合體系的相溶性為標(biāo)準(zhǔn)，可分為均相聚合和非均相聚合，均相聚合包括本體聚合、溶液聚合、熔融縮聚、溶液聚合，非均相聚合包括懸浮聚合、乳液聚合、界面縮聚和固相縮聚。需要指出的是對(duì)于同一種合成高分子材料來(lái)說(shuō)，盡管采用的單體和聚合反應(yīng)機(jī)理相同，但采用不同的聚合方法所得的產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量、相對(duì)分子質(zhì)量的分別往往會(huì)有很大的差別，進(jìn)而影響到產(chǎn)物最終的性能，在工業(yè)生產(chǎn)中，為滿足不同的制品性能，一種單體常需要采用不同的聚合方法，如對(duì)于常用的聚苯乙烯產(chǎn)品，用于擠塑或注塑成型的通用型聚苯乙烯多采用本體聚合，可發(fā)型聚苯乙烯主要采用懸浮聚合，而高抗沖聚苯乙烯則是溶液聚合-本體聚合的聯(lián)合使用。

合成高分子材料根據(jù)材料性能可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，主要使用的是它的力學(xué)性能，需要了解材料的強(qiáng)度、剛度、變形等特性，其中結(jié)構(gòu)材料主要包括塑料、橡膠和纖維三大合成材料，主要的塑料品種有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。主要的橡膠品種有丁苯橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠等。主要的化纖品種有尼龍、腈綸、丙綸、滌綸等。對(duì)于功能材料，主要使用它的聲、光、電、熱等性能。功能材料用的高分子化合物一般稱為功能高分子，根據(jù)功能可分為反應(yīng)型高分子，如高分子催化劑；光敏型高分子，如光刻膠、感光材料、光致變色材料；電活性高分子，如導(dǎo)電高分子；膜型高分子，如分離膜、緩釋膜；吸附型高分子，如離子交換樹(shù)脂等；此外高分子材料在黏合劑、涂料、聚合物基復(fù)合材料、聚合物合金、生物高分子材料領(lǐng)域也有廣泛用途。目前合成高分子材料已經(jīng)廣泛滲透到人類生活的各個(gè)方面，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科技等領(lǐng)域的重要組成部分。

歷史合成高分子的誕生和發(fā)展是從酚醛樹(shù)脂開(kāi)始的。在20世紀(jì)初期，化學(xué)家們研究了苯酚和甲醛的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在不同的反應(yīng)條件下，可以得到兩類樹(shù)脂，包括在酸催化下生成的可熔化、可溶解的線型酚醛樹(shù)脂；另一種是在堿催化下生成的不溶解、不熔化的體型酚醛樹(shù)脂。這兩種酚醛樹(shù)脂是人類歷史上第一次通過(guò)化學(xué)合成方法生產(chǎn)的合成樹(shù)脂。自此以后，合成并工業(yè)化生產(chǎn)的高分子材料種類迅速發(fā)展，在20世紀(jì)60年代后期，新的產(chǎn)物層出不窮，合成了各種特性的塑料材料，如聚甲醛、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亞胺、聚醚醚酮等；合成了特種涂料、黏合劑、液體橡膠、熱塑性彈性體以及耐高溫特種有機(jī)纖維，使高分子合成材料成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活不可缺少的材料。

類型下面以合成高分子材料三大主要用途即塑料、橡膠以及纖維為例來(lái)進(jìn)一步介紹一下常用的高分子材料：

1.塑料人們常用的塑料主要是以合成樹(shù)脂為基礎(chǔ)，在加入塑料輔助劑（如填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤(rùn)滑劑、交聯(lián)劑及其他添加劑）制得的。按照塑料的受熱行為和是否具有反復(fù)成型加工性，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。前者受熱時(shí)熔融，可進(jìn)行各種成型加工，冷卻時(shí)硬化，再受熱，又可熔融、加工，即具有多次重復(fù)加工性。后者受熱熔化成型的同時(shí)發(fā)生固化反應(yīng)，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，再受熱不熔融，在溶劑中也不溶解，當(dāng)溫度超過(guò)分解溫度時(shí)將被分解破壞，即不具備重復(fù)加工性。按照塑料的使用范圍和用途來(lái)分，可分為通用塑料和工程塑料。通用塑料的產(chǎn)量大、用途廣、價(jià)格低、但是性能一般主要用于非結(jié)構(gòu)材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛樹(shù)脂等。工程塑料具有較高的力學(xué)性能，能夠經(jīng)受較寬的溫度變化范圍和較苛刻的環(huán)境條件，并且能在此條件下長(zhǎng)時(shí)間使用，且可作為結(jié)構(gòu)材料。對(duì)于工程塑料而言，人們一般把長(zhǎng)期使用溫度在100-150℃范圍內(nèi)的塑料稱為通用工程塑料，如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、熱塑性聚酯等；把能夠在150℃以上使用的塑料稱為特種工程塑料，如聚酰亞胺、聚芳酯、聚苯酯、聚砜、聚醚醚銅、氟塑料等。

2.橡膠橡膠是一類線型柔性高分子聚合物，其分子鏈柔性好，在外力作用下可產(chǎn)生較大的形變，除去外力后能迅速恢復(fù)原狀。它的特點(diǎn)是在很寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的彈性，所以又稱為彈性體。橡膠的來(lái)源分為天然橡膠和合成橡膠。合成橡膠按其性能和用途又可分為通用合成橡膠和特種合成橡膠。用于代替天然橡膠制造輪胎及其他常用橡膠制品的合成橡膠稱為通用合成橡膠，如丁苯橡膠、順丁橡膠、乙丙橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠等；用于各種耐寒、耐熱、耐油、耐臭氧等特種環(huán)境的橡膠制品稱為特種合成橡膠，如丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠等。橡膠的結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特征：（1）大分子鏈具有足夠的柔性；（2）玻璃化溫度應(yīng)該比室溫低得多；（3）在使用條件下不結(jié)晶或結(jié)晶較少，比較理想的情況是在拉伸時(shí)可結(jié)晶，除去外力之后結(jié)晶消失。

3.纖維纖維是指長(zhǎng)度比直徑大很多倍并且有一定柔韌性的纖細(xì)物質(zhì)。人類早期使用的纖維主要是天然高分子，如蠶絲、棉花、麻等。合成纖維是由合成的聚合物制得，它種類繁多，已經(jīng)投入工藝生產(chǎn)的有40余種。合成纖維可分為通用合成纖維、高性能合成纖維和功能合成纖維。滌綸、錦綸、腈綸和丙綸是四大通用合成纖維。高性能合成纖維是指強(qiáng)度大于18 cN/dtex (1cN/dtex=91MPa)、模量大于440cN/dtex的纖維，可由剛性鏈聚合物（芳香聚酰胺、聚芳酯和芳雜環(huán)聚合物）和柔性聚合物（聚烯烴）紡絲制備；功能合成纖維是具有除力學(xué)和耐熱性能外的特殊性能，如光、電、化學(xué)（耐腐蝕、阻燃）、高彈性和生物可降解等性能?，F(xiàn)使用較廣泛的高性能合成纖維有超高分子量聚乙烯纖維、芳香聚酰胺纖維（芳綸）、聚酰亞胺（PI）纖維；

發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電子、汽車、交通運(yùn)輸、航空航天工業(yè)的應(yīng)用需求，耐高溫、高強(qiáng)度、高模量、高沖擊性、耐極端條件等高性能的高分子材料得到極大的發(fā)展。目前合成高分子材料正在向功能化、智能化、精細(xì)化方向發(fā)展，使其由結(jié)構(gòu)材料向具有光、電、聲、磁、生物醫(yī)學(xué)、仿生、催化、物質(zhì)分離以及能量轉(zhuǎn)化等效應(yīng)的功能材料方向擴(kuò)展，分離材料、生物材料、智能材料、儲(chǔ)能材料、光導(dǎo)材料、納米材料、電子信息材料等的發(fā)展都顯示了該發(fā)展趨勢(shì)。

擴(kuò)展閱讀[1] 潘祖仁. 高分子化學(xué). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 張興英 程玨 趙京. 高分子化學(xué). 化學(xué)工業(yè)出版社.

[3] 黃麗. 高分子材料. 化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

成艷 - 副教授 - 北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院