[科普中国]-有机高分子材料

有机高分子材料又称聚合物或高聚物。一类由一种或几种分子或分子团(结构单元或单体)以共价键结合成具有多个重复单体单元的大分子，其分子量高达104～106。它们可以是天然产物如纤维、蛋白质和天然橡胶等，也可以是用合成方法制得的，如合成橡胶、合成树脂、合成纤维等非生物高聚物等。聚合物的特点是种类多、密度小(仅为钢铁的1/7～1/8)，比强度大，电绝缘性、耐腐蚀性好，加工容易，可满足多种特种用途的要求，包括塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等领域，可部分取代金属、非金属材料。

有机高分子材料的基本特点高分子是指相对分子质量很大，可达几千乃至几百万的一类有机化合物。它们在结构上是由许多简单的、相同的称为链节(单体)的结构单元，通过化学键重复连接而成。高分子也称高聚物或聚合物。

有机高分子材料是以高分子化合物为主要成分，与各种添加剂(或配合剂)配合，经过适当的加工而成。材料的基本性能主要取决于高分子化合物。有机高分子材料有以下基本特点：

1、密度小——比钢铁、铜轻得多，与铝、镁相当，对机电产品的轻量化有利。

2、有足够的强度和模量——能够代替部分金属材料制造多种机械零部件。

3、优良的电(绝缘)性能——对电机、电器、仪器仪表、电线电缆中的绝缘起着重要的推进作用。而添加适当的导电材料又可成为特殊导体材料。

4、优良的减摩、耐磨和自润滑性能——许多高分子材料可在液体介质中或少油、无油干摩擦条件下运行，其性能甚至优于金属。

5、优良的耐蚀性能——对酸、碱或某些化学药品一般都具有良好的耐蚀性能。在一些特殊介质中，如含氯离子的酸性介质。其耐蚀能力胜过金属，甚至胜过一般的不锈钢。

6、富于粘结力——高分子胶粘剂能将不同品种、不同形状的材料零件胶接一起，胶接牢固，并且有密封、堵漏作用。

7、易于合金化——两种或两种以上的高聚物可用物理的、化学的方法共混制得共混聚合物合金。如尼龙与聚烯烃共混的塑料合金，其冲击韧度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大，可制备出性能多样、适应不同工况要求的新材料。

8、富有弹性——不论是线型或体型高分子，都具有一定的弹性。橡胶弹性最好，具有良好的吸振、防振和密封功能。

9、优良的透光性——不少塑料是透明的，如有机玻璃、聚苯乙烯的透光率可达90%以上。不少的高聚物还具有优良的隔热、隔声性，是很好的轻型建筑材料。

10、耐热性差——长期使用温度大多在200℃以下。近年来， 可用于200℃以上的品种有所增加；用在300～4000℃温度下的，是追求的目标。但有的高分子材料能耐液氮、液氦等超低温度。

11、可燃——高分子材料是有机物，具有可燃性，或离火自熄；通常加入阻燃剂以消除其可燃性。

12、易老化——在热、光、氧的长期作用过程中，高分子发生降解过程，使其理化性能、力学性能降低。完全消失以至失去使用价值。为此，常须加入防老化剂及其他防护措施延长使用寿命1。

有机高分子材料的类别有机高分子材料种类繁多，根据不同的分类原则可将其分为不同的类别。

1、按聚合物的性能和用途分类

根据聚合物的性能和用途，可将有机高分子材料分为塑料、纤维、像胶三大类，此外还有涂料、胶粘剂和粒子交换树脂等。

(1) 塑料 在一定条件下具有流动性、可塑性，并能加工成形，当恢复平常条件时仍可保持加工时形状的高分子材料称为塑料。塑料又分为热塑性塑料和热固性塑料两种。热塑性塑料可溶、可熔，并且在一定条件下可以反复加工成形，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等；热固性塑料则不溶、不熔，并且在一定温度及压力下加工成形时会发生变化，这样形成的材料在再次受压、受热下不能反复加工成形，而具有固定的形状，例如酚醛树脂、脲醛树脂等。

(2) 纤维具备或保持其本身长度大于直径1000倍以上而又具有一定强度的线条或丝状高分子材料称为纤维。纤维的直径一般很小，受力后形变较小(一般为百分之几到20%)，在较宽的温度范围内力学性能变化不大。纤维分为天然纤维和化学纤维。化学纤维又分为改性纤维素纤维(人造纤维，如粘胶纤维)与合成纤维。改性纤维素纤维是将天然纤维经化学处理后再纺丝而得到的纤维。例如将天然纤维用碱和二硫化碳处理后，在酸液中纺丝就得到人造丝(即粘胶纤维)。合成纤维是将单体经聚合反应而得到的树脂经纺丝而成的纤维。重要的纤维品种有：聚酯纤维(又称涤纶)；聚酰胺纤维，如尼龙66；聚丙烯腈纤维(又称腈纶)；聚丙烯纤维(丙纶)和聚乙烯纤维(氯纶)等。

(3) 橡胶在室温下具有高弹性的高分子材料称为橡胶。在外力作用下，橡胶能产生很大的形变(可达1000%)，外力除去后又能迅速恢复原状。重要的橡胶品种有：聚丁二烯(顺丁橡胶)、聚异戊二烯(异戊橡胶)、氯丁橡胶、丁基橡胶等。

塑料、纤维和橡胶三大类聚合物之间并没有严格的界限。有的高分子可以作纤维，也可以作塑料，如聚氯乙烯既是典型的塑料，又可做成纤维即氯纶；若将氯乙烯配入适量增塑剂，可制成类似橡胶的软制品。又如尼龙既可以用作纤维又可作工程塑料；橡胶在较低温度下也可作塑料使用。

2、按聚合物的热行为分类

(1) 热塑性高分子材料 热塑性高分子材料成形后分子呈线性结构，在一定条件(如温度、压力)下可塑成一定形状并在常温下保持其形状，而且还可在特定的温度范围内反复加热软化、冷却固化，加工成形方便，有利于制品再生。因此，热塑性高分子材料用途广、产量大(占所有高分子材料的80%以上)。常见的热塑性高分子材料有聚乙烯、聚丙烯等。

(2) 热固性高分子材料热固性高分子材料成形后变成网状的体型结构，不熔不溶，受热后只能分解，不能软化，不能回复到可塑状态。常见的热固性高分子材料有酚醛树脂、环氧树脂等2。

有机高分子材料的加工性能有机高分子材料具有一些特有的加工性能，如良好的高弹性、耐磨性、化学稳定性等，这些加工性能为有机高分子材料提供了适用多种加工技术的可能性，也是高分子材料能够得到广泛应用的重要原因。

1、有机高分子材料的力学性能

(1) 高弹性轻度交联的高聚物具有典型的高弹性，即变形大、弹性模量小，而且弹性随温度升高而增大。橡胶是典型的高弹性材料。

(2) 粘弹性高聚物的粘弹性是指高聚物材料既具有弹性材料的一般特性，又具有粘性流体的一些特性，即受力的同时发生高弹性变形和粘性流动，主要表现在蠕变和应力松弛、滞后和内耗等现象上。

1) 蠕变和应力松弛。在恒定温度和应力作用下，应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。应力松弛是在应变恒定的情况下，应力随时间延长而衰减的现象。在外力的作用下，高聚物大分子链由原来的卷曲态变为较伸直的形态，从而产生蠕变；随时间的延长，大分子链构象逐步调整，趋向于比较稳定的卷曲状态，从而产生应力松弛。

2) 滞后和内耗。滞后是指在交变应力的作用下，变形速度跟不上应力变化的现象。在克服内摩擦时，一部分机械能被损耗，转化为热能，即内耗。滞后越严重，内耗越大。内耗大对减振和吸声有利，但内耗会引起发热，导致高聚物老化。

(3) 强度高聚物的强度很低，如塑料的抗拉强度一般低于100MPa，比金属材料低很多。但高聚物的密度很小，只有钢的1/4～1/8，所以其比强度比一些金属高。

(4) 断裂高聚物材料由于内部结构不均一，含有许多微裂纹，造成应力集中，使裂纹容易很快发展。在小应力下即可断裂，称为环境应力断裂。

(5) 韧性高聚物的韧性用冲击韧度表示。各类高聚物的冲击韧度相差很大，脆性高聚物的冲击韧度值一般都小于0.2J/cm2，韧性高聚物的冲击韧度值一般都大于0.9J/cm2。

(6)耐磨性高聚物的硬度低，但耐磨性高。如塑料的摩擦因数小，有些还具有自润滑性能，在无润滑和少润滑的摩擦条件下，它们的耐磨、减摩性能要比金属材料高很多。

2、有机高分子材料的电学和物理化学性能

(1) 电学性能高聚物内原子间以共价键相连，没有自由电子和离子，因此介电常数小、介电损耗低，具有高的绝缘性。

(2) 热性能高聚物在受热过程中，大分子链和链段容易产生运动，因此其耐热性较差。由于高聚物内部无自由电子，因此具有低的导热性能。高聚物的线胀系数也较大。

(3) 化学稳定性高聚物不发生电化学反应，也不易与其他物质发生化学反应。所以大多数高聚物具有较高的化学稳定性，对酸、碱溶液具有优良的耐蚀性。

本词条内容贡献者为:

吴俊文 - 博士 - 厦门大学