[科普中国]-合成高分子材料

高分子材料可称为聚合物材料，按照其来源可划分为合成高分子材料和天然高分子材料两大类。

定义高分子材料可称为聚合物材料，按照其来源可划分为合成高分子材料和天然高分子材料两大类。天然高分子均由生物体内生成，与人类有着密切的联系，如天然橡胶、纤维素、甲壳素、蚕丝、淀粉等。合成高分子是指用结构和相对分子质量已知的单体为原料，经过一定的聚合反应得到的聚合物。合成高分子采用的化学合成方式即聚合反应包括逐步聚合、自由基聚合、离子型聚合（阴离子聚合、阳离子聚合）、配位聚合、开环聚合以及共聚合。同时，对于一个聚合反应又可根据其聚合机理、所需求产品不同的性能采用不同的聚合方法。以聚合体系的相溶性为标准，可分为均相聚合和非均相聚合，均相聚合包括本体聚合、溶液聚合、熔融缩聚、溶液聚合，非均相聚合包括悬浮聚合、乳液聚合、界面缩聚和固相缩聚。需要指出的是对于同一种合成高分子材料来说，尽管采用的单体和聚合反应机理相同，但采用不同的聚合方法所得的产物的分子结构、相对分子质量、相对分子质量的分别往往会有很大的差别，进而影响到产物最终的性能，在工业生产中，为满足不同的制品性能，一种单体常需要采用不同的聚合方法，如对于常用的聚苯乙烯产品，用于挤塑或注塑成型的通用型聚苯乙烯多采用本体聚合，可发型聚苯乙烯主要采用悬浮聚合，而高抗冲聚苯乙烯则是溶液聚合-本体聚合的联合使用。

合成高分子材料根据材料性能可分为结构材料和功能材料两大类，对于结构材料，主要使用的是它的力学性能，需要了解材料的强度、刚度、变形等特性，其中结构材料主要包括塑料、橡胶和纤维三大合成材料，主要的塑料品种有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。主要的橡胶品种有丁苯橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等。主要的化纤品种有尼龙、腈纶、丙纶、涤纶等。对于功能材料，主要使用它的声、光、电、热等性能。功能材料用的高分子化合物一般称为功能高分子，根据功能可分为反应型高分子，如高分子催化剂；光敏型高分子，如光刻胶、感光材料、光致变色材料；电活性高分子，如导电高分子；膜型高分子，如分离膜、缓释膜；吸附型高分子，如离子交换树脂等；此外高分子材料在黏合剂、涂料、聚合物基复合材料、聚合物合金、生物高分子材料领域也有广泛用途。目前合成高分子材料已经广泛渗透到人类生活的各个方面，成为工业、农业、国防和科技等领域的重要组成部分。

历史合成高分子的诞生和发展是从酚醛树脂开始的。在20世纪初期，化学家们研究了苯酚和甲醛的反应，发现在不同的反应条件下，可以得到两类树脂，包括在酸催化下生成的可熔化、可溶解的线型酚醛树脂；另一种是在碱催化下生成的不溶解、不熔化的体型酚醛树脂。这两种酚醛树脂是人类历史上第一次通过化学合成方法生产的合成树脂。自此以后，合成并工业化生产的高分子材料种类迅速发展，在20世纪60年代后期，新的产物层出不穷，合成了各种特性的塑料材料，如聚甲醛、聚氨酯、聚碳酸酯、聚砜、聚酰亚胺、聚醚醚酮等；合成了特种涂料、黏合剂、液体橡胶、热塑性弹性体以及耐高温特种有机纤维，使高分子合成材料成为国民经济和日常生活不可缺少的材料。

类型下面以合成高分子材料三大主要用途即塑料、橡胶以及纤维为例来进一步介绍一下常用的高分子材料：

1.塑料人们常用的塑料主要是以合成树脂为基础，在加入塑料辅助剂（如填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、交联剂及其他添加剂）制得的。按照塑料的受热行为和是否具有反复成型加工性，可分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。前者受热时熔融，可进行各种成型加工，冷却时硬化，再受热，又可熔融、加工，即具有多次重复加工性。后者受热熔化成型的同时发生固化反应，形成立体网状结构，再受热不熔融，在溶剂中也不溶解，当温度超过分解温度时将被分解破坏，即不具备重复加工性。按照塑料的使用范围和用途来分，可分为通用塑料和工程塑料。通用塑料的产量大、用途广、价格低、但是性能一般主要用于非结构材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂等。工程塑料具有较高的力学性能，能够经受较宽的温度变化范围和较苛刻的环境条件，并且能在此条件下长时间使用，且可作为结构材料。对于工程塑料而言，人们一般把长期使用温度在100-150℃范围内的塑料称为通用工程塑料，如聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、热塑性聚酯等；把能够在150℃以上使用的塑料称为特种工程塑料，如聚酰亚胺、聚芳酯、聚苯酯、聚砜、聚醚醚铜、氟塑料等。

2.橡胶橡胶是一类线型柔性高分子聚合物，其分子链柔性好，在外力作用下可产生较大的形变，除去外力后能迅速恢复原状。它的特点是在很宽的温度范围内具有优异的弹性，所以又称为弹性体。橡胶的来源分为天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶按其性能和用途又可分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。用于代替天然橡胶制造轮胎及其他常用橡胶制品的合成橡胶称为通用合成橡胶，如丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶等；用于各种耐寒、耐热、耐油、耐臭氧等特种环境的橡胶制品称为特种合成橡胶，如丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶等。橡胶的结构应具有如下特征：（1）大分子链具有足够的柔性；（2）玻璃化温度应该比室温低得多；（3）在使用条件下不结晶或结晶较少，比较理想的情况是在拉伸时可结晶，除去外力之后结晶消失。

3.纤维纤维是指长度比直径大很多倍并且有一定柔韧性的纤细物质。人类早期使用的纤维主要是天然高分子，如蚕丝、棉花、麻等。合成纤维是由合成的聚合物制得，它种类繁多，已经投入工艺生产的有40余种。合成纤维可分为通用合成纤维、高性能合成纤维和功能合成纤维。涤纶、锦纶、腈纶和丙纶是四大通用合成纤维。高性能合成纤维是指强度大于18 cN/dtex (1cN/dtex=91MPa)、模量大于440cN/dtex的纤维，可由刚性链聚合物（芳香聚酰胺、聚芳酯和芳杂环聚合物）和柔性聚合物（聚烯烃）纺丝制备；功能合成纤维是具有除力学和耐热性能外的特殊性能，如光、电、化学（耐腐蚀、阻燃）、高弹性和生物可降解等性能。现使用较广泛的高性能合成纤维有超高分子量聚乙烯纤维、芳香聚酰胺纤维（芳纶）、聚酰亚胺（PI）纤维；

发展趋势进一步随着科学技术和经济的发展，电子、汽车、交通运输、航空航天工业的应用需求，耐高温、高强度、高模量、高冲击性、耐极端条件等高性能的高分子材料得到极大的发展。目前合成高分子材料正在向功能化、智能化、精细化方向发展，使其由结构材料向具有光、电、声、磁、生物医学、仿生、催化、物质分离以及能量转化等效应的功能材料方向扩展，分离材料、生物材料、智能材料、储能材料、光导材料、纳米材料、电子信息材料等的发展都显示了该发展趋势。

扩展阅读[1] 潘祖仁. 高分子化学. 北京：化学工业出版社，2003.

[2] 张兴英 程珏 赵京. 高分子化学. 化学工业出版社.

[3] 黄丽. 高分子材料. 化学工业出版社，2009.

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成艳 - 副教授 - 北京大学前沿交叉学科研究院