有機高分子材料

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（單體）的結構單元，通過化學鍵重複連接而成。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於高分子化合物。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製造多種機械零部件。

3、優良的電(絕緣)性能——對電機、電器、儀器儀錶、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，其性能甚至優於金屬。

5、優良的耐蝕性能——對酸、鹼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，甚至勝過一般的不鏽鋼。

6、富於粘結力——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，並且有密封、堵漏作用。

7、易於合金化——兩種或兩種以上的高聚物可用物理的、化學的方法共混製得共混聚合物合金。如尼龍與聚烯烴共混的塑料合金，其衝擊韌度可提高15倍以上。聚合物的合金化使材料改性的自由度加大，可製備出性能多樣、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良的隔熱、隔聲性，是很好的輕型建築材料。

10、耐熱性差——長期使用溫度大多在200℃以下。近年來，可用於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。

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、橡膠三大類，此外還有塗料、膠粘劑和離子交換樹脂等。

(1) 塑料 在一定條件下具有流動性、可塑性，並能加工成形，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，並且在一定條件下可以反覆加工成形，例如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等；熱固性塑料則不溶、不熔，並且在一定溫度及壓力下加工成形時會發生變化，這樣形成的材料在再次受壓、受熱下不能反覆加工成形，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於直徑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%)，在較寬的溫度範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。例如將天然纖維用鹼和二硫化碳處理后，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)；聚醯胺纖維，如尼龍66；聚丙烯腈纖維(又稱腈綸)；聚丙烯纖維(丙綸)和聚氯乙烯纖維(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並沒有嚴格的界限。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，可製成類似橡膠的軟製品。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後分子呈線性結構，在一定條件（如溫度、壓力）下可塑成一定形狀並在常溫下保持其形狀，而且還可在特定的溫度範圍內反覆加熱軟化、冷卻固化，加工成形方便，有利於製品再生。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。常見的熱固性高分子材料有酚醛樹脂、環氧樹脂等。

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，即受力的同時發生高彈性變形和粘性流動，主要表現在蠕變和應力鬆弛、滯后和內耗等現象上。

1) 蠕變和應力鬆弛。在恆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。應力鬆弛是在應變恆定的情況下，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捲曲態變為較伸直的形態，從而產生蠕變；隨時間的延長，大分子鏈構象逐步調整，趨向於比較穩定的捲曲狀態，從而產生應力鬆弛。

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於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) 斷裂高聚物材料由於內部結構不均一，含有許多微裂紋，造成應力集中，使裂紋容易很快發展。在小應力下即可斷裂，稱為環境應力斷裂。

(5) 韌性高聚物的韌性用衝擊韌度表示。各類高聚物的衝擊韌度相差很大，脆性高聚物的衝擊韌度值一般都小於0.2J/cm，韌性高聚物的衝擊韌度值一般都大於0.9J/cm。

(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。由於高聚物內部無自由電子，因此具有低的導熱性能。高聚物的線脹係數也較大。

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

有機高分子化合物簡稱高分子化合物或高分子，又稱高聚物。高分子化合物是衣、食、住、行和工農業生產各方面都離不開的材料，其中棉、毛、絲、塑料、橡膠等都是最常用的。以往人們使用的高分子材料都取自天然產物。物質文明和精神文明都高度發展的今天，天然高分子材料已經不能滿足生產、生活和科技各方面日益增長的需要。近代化學化工科學技術的迅速發展，創造了許多自然界從來沒有過的人工合成高分子化合物，對滿足各種需求做出了重要貢獻

高分子是由一種或幾種結構單元多次（103～105）重複連接起來的化合物。它們的組成元素不多，主要是碳、氫、氧、氮等，但是相對分子質量很大，一般在10 000以上，可高達幾百萬。因此才叫做高分子化合物。

例如，用量很大的聚氯乙烯（PVC）是由結構單元氯乙烯(CH2=CHCl)，是由兩種結構單元—NH—(CH2)6—NH—和—CO(CH2)4CO—多次重複連接而成。有一些結構複雜或者結構尚未確定的高分子化合物，在名稱上有時加“樹脂”二字。例如酚醛樹脂、脲醛樹脂等。

高分子化合物的這種很不一般的結構，使它表現出了非同凡響的特性。例如，高分子主鏈有一定內旋自由度，可以彎曲，使高分子鏈具有柔性；高分子結構單元間的作用力及分子鏈間的交聯結構，直接影響它的聚集態結構，從而決定高分子材料的主要性能。

高分子化合物固、液、氣三種存在狀態的變化一般並不很明顯。固體高分子化合物的存在狀態主要有玻璃態、橡膠態和纖維態。固體狀態的高分子化合物多是硬而有剛性的物體。無定形的透明固體高分子化合物很像玻璃，故稱它為玻璃態。在橡膠態下，高分子鏈處於自然無規則和捲曲狀態，在應力作用下被拉伸，去掉應力又恢復捲曲，表現出彈性。纖維是由高分子化合物構成的長度對直徑比大很多倍的纖細材料。

高分子化合物的基本結構特徵，使它們具有跟低分子化合物不同的許多寶貴性能。例如機械強度大、彈性高、可塑性強、硬度大、耐磨、耐熱、耐腐蝕、耐溶劑、電絕緣性強、氣密性好等，使高分子材料具有非常廣泛的用途。

通常使用的高分子材料，常是由高分子化合物加入各種添加劑所形成，其基本性能取決於所含高分子化合物的性質，各種不同添加劑的作用在於更好地發揮、保持、改進高分子化合物的性能，滿足不同的要求，用在更多的方面。

隨著化學化工的發展，高分子化合物的品種日益增加。對眾多的高分子化合物可以從不同角度進行分類。通常的分類方法有：

①根據來源分為天然高分子化合物、合成高分子化合物和半合成高分子化合物。天然高分子化合物如纖維素、澱粉等；各種人工合成的高分子如聚乙烯、聚丙烯等為合成高分子化合物；醋酸纖維素等為半合成高分子化合物。

②根據合成反應特點分為聚合物、縮合物和開環聚合物等。

③根據性質和用途分為塑料、橡膠、纖維等。

高分子分離膜是用高分子材料製成的具有選擇性透過功能的半透性薄膜。採用這樣的半透性薄膜，以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動力，使氣體混合物、液體混合物或有機物、無機物的溶液等分離技術相比，具有省能、高效和潔凈等特點，因而被認為是支撐新技術革命的重大技術。膜分離過程主要有反滲透、超濾、微濾、電滲析、壓滲析、氣體分離、滲透汽化和液膜分離等。用來製備分離、滲透汽化和液膜分離等。用來製備分離膜的高分子材料有許多種類。現在用的較多的是聚楓、聚烯烴、纖維素脂類和有機硅等。膜的形式也有多種，一般用的是平膜和空中纖維。推廣應用高分子分離膜能獲得巨大的經濟效益和社會效益。例如，利用離子交換膜電解食鹽可減少污染、節約能源：利用反滲透進行海水淡化和脫鹽、要比其它方法消耗的能量都小；利用氣體分離膜從空氣中富集氧可大大提高氧氣回收率等。

是人類在不斷開拓磁與高分子聚合物（合成樹脂、橡膠）的新應用領域 的同時，而賦予磁與高分子的傳統應用以新的涵義和內容的材料之一。早期磁性材料源於天然磁石，以後才利用磁鐵礦（鐵氧體）燒結或鑄造成磁性體，現在工業常用的磁性材料有三種，即鐵氧體磁鐵、稀土類磁鐵和鋁鎳鈷合金磁鐵等。它們的缺點是既硬且脆，加工性差。為了克服這些缺陷，將磁粉混煉於塑料或橡膠中製成的高分子磁性材料便應運而生了。這樣製成的複合型高分子磁性材料，因具有比重輕、容易加工成尺寸精度高和複雜形狀的製品，還能與其它元件一體成型等特點，而越來越受到人們的關注。高分子磁性材料主要可分為兩大類，即結構型和複合型。所謂結構型是指並不添加無機類磁粉而高分子中製成的磁性體。目前具有實用價值的主要是複合型。

所謂光功能高分子材料，是指能夠對光進行透射、吸收、儲存、轉換的一類高分子材料。目前，這一類材料已有很多，主要包括光導材料、光記錄材料、光加工材料、光學用塑料（如塑料透鏡、接觸眼鏡等）、光轉換系統材料、光顯示用材料、光導電用材料、光合作用材料等。光功能高分子材料在整個社會材料對光的透射，可以製成品種繁多的線性光學材料，像普通的安全玻璃、各種透鏡、稜鏡等；利用高分子材料曲線傳播特性，又可以開發出非線性光學元件，如塑料光導纖維、塑料石英複合光導纖維等；而先進的信息儲存元件興盤的基本材料就是高性能的有機玻璃和聚碳酸脂。此外，利用高分子材料的光化學反應，可以開發出在電子工業和印刷工業上得到廣泛使用的感光樹脂、光固化塗料及粘合劑；利用高分子材料的能量轉換特性，可製成光導電材料和光致變色材料；利用某些高分子材料的折光率隨機械應力而變化的特性，可開發出光彈材料，用於研究力結構材料內部的應力分佈等。