合成高分子材料

天然高分子均由生物體內生成，與人類有著密切的聯繫，如天然橡膠、纖維素、甲殼素、蠶絲、澱粉等。合成高分子是指用結構和相對分子質量已知的單體為原料，經過一定的聚合反應得到的聚合物。合成高分子採用的化學合成方式即聚合反應包括逐步聚合、自由基聚合、離子型聚合（陰離子聚合、陽離子聚合）、配位聚合、開環聚合以及共聚合。同時，對於一個聚合反應又可根據其聚合機理、所需求產品不同的性能採用不同的聚合方法。以聚合體系的相溶性為標準，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。需要指出的是對於同一種合成高分子材料來說，儘管採用的單體和聚合反應機理相同，但採用不同的聚合方法所得的產物的分子結構、相對分子質量、相對分子質量的分別往往會有很大的差別，進而影響到產物最終的性能，在工業生產中，為滿足不同的製品性能，一種單體常需要採用不同的聚合方法，如對於常用的聚苯乙烯產品，用於擠塑或注塑成型的通用型聚苯乙烯多採用本體聚合，可髮型聚苯乙烯主要採用懸浮聚合，而高抗沖聚苯乙烯則是溶液聚合-本體聚合的聯合使用。

合成高分子材料根據材料性能可分為結構材料和功能材料兩大類，對於結構材料，主要使用的是它的力學性能，需要了解材料的強度、剛度、變形等特性，其中結構材料主要包括塑料、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。對於功能材料，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，根據功能可分為反應型高分子，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，如離子交換樹脂等；此外高分子材料在黏合劑、塗料、聚合物基複合材料、聚合物合金、生物高分子材料領域也有廣泛用途。目前合成高分子材料已經廣泛滲透到人類生活的各個方面，成為工業、農業、國防和科技等領域的重要組成部分。

合成高分子的誕生和發展是從酚醛樹脂開始的。在20世紀初期，化學家們研究了苯酚和甲醛的反應，發現在不同的反應條件下，可以得到兩類樹脂，包括在酸催化下生成的可熔化、可溶解的線型酚醛樹脂；另一種是在鹼催化下生成的不溶解、不熔化的體型酚醛樹脂。這兩種酚醛樹脂是人類歷史上第一次通過化學合成方法生產的合成樹脂。自此以後，合成並工業化生產的高分子材料種類迅速發展，在20世紀60年代後期，新的產物層出不窮，合成了各種特性的塑料材料，如聚甲醛、聚氨酯、聚碳酸酯、聚碸、聚醯亞胺、聚醚醚酮等；合成了特種塗料、黏合劑、液體橡膠、熱塑性彈性體以及耐高溫特種有機纖維，使高分子合成材料成為國民經濟和日常生活不可缺少的材料。

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進一步介紹一下常用的高分子材料：

人們常用的塑料主要是以合成樹脂為基礎，在加入塑料輔助劑（如填料、增塑劑、穩定劑、潤滑劑、交聯劑及其他添加劑）製得的。按照塑料的受熱行為和是否具有反覆成型加工性，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料兩大類。前者受熱時熔融，可進行各種成型加工，冷卻時硬化，再受熱，又可熔融、加工，即具有多次重複加工性。後者受熱熔化成型的同時發生固化反應，形成立體網狀結構，再受熱不熔融，在溶劑中也不溶解，當溫度超過分解溫度時將被分解破壞，即不具備重複加工性。按照塑料的使用範圍和用途來分，可分為通用塑料和工程塑料。通用塑料的產量大、用途廣、價格低、但是性能一般主要用於非結構材料，如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛樹脂等。工程塑料具有較高的力學性能，能夠經受較寬的溫度變化範圍和較苛刻的環境條件，並且能在此條件下長時間使用，且可作為結構材料。對於工程塑料而言，人們一般把長期使用溫度在100-150℃範圍內的塑料稱為通用工程塑料，如聚醯胺、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，如聚醯亞胺、聚芳酯、聚苯酯、聚碸、聚醚醚銅、氟塑料等。

橡膠是一類線型柔性高分子聚合物，其分子鏈柔性好，在外力作用下可產生較大的形變，除去外力后能迅速恢復原狀。它的特點是在很寬的溫度範圍內具有優異的彈性，所以又稱為彈性體。橡膠的來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。用於代替天然橡膠製造輪胎及其他常用橡膠製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；用於各種耐寒、耐熱、耐油、耐臭氧等特種環境的橡膠製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。橡膠的結構應具有如下特徵：（1）大分子鏈具有足夠的柔性；（2）玻璃化溫度應該比室溫低得多；（3）在使用條件下不結晶或結晶較少，比較理想的情況是在拉伸時可結晶，除去外力之後結晶消失。

纖維是指長度比直徑大很多倍並且有一定柔韌性的纖細物質。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製得，它種類繁多，已經投入工藝生產的有40餘種。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度大於18 cN/dtex (1cN/dtex=91MPa)、模量大於440cN/dtex的纖維，可由剛性鏈聚合物（芳香聚醯胺、聚芳酯和芳雜環聚合物）和柔性聚合物（聚烯烴）紡絲製備；功能合成纖維是具有除力學和耐熱性能外的特殊性能，如光、電、化學（耐腐蝕、阻燃）、高彈性和生物可降解等性能。現使用較廣泛的高性能合成纖維有超高分子量聚乙烯纖維、芳香聚醯胺纖維（芳綸）、聚醯亞胺（PI）纖維；

進一步隨著科學技術和經濟的發展，電子、汽車、交通運輸、航空航天工業的應用需求，耐高溫、高強度、高模量、高衝擊性、耐極端條件等高性能的高分子材料得到極大的發展。目前合成高分子材料正在向功能化、智能化、精細化方向發展，使其由結構材料向具有光、電、聲、磁、生物醫學、仿生、催化、物質分離以及能量轉化等效應的功能材料方向擴展，分離材料、生物材料、智能材料、儲能材料、光導材料、納米材料、電子信息材料等的發展都顯示了該發展趨勢。

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[2] 張興英 程珏 趙京. 高分子化學. 化學工業出版社.

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