淺析高分子材料的相關(guān)知識(shí)

崔永廣 姜景博

河南科技學(xué)院高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院

高分子材料是以高分子化合物為主要組成部分的材料。高分子化合物的分子量很大，通常每個(gè)分子可含有幾千至幾十萬(wàn)個(gè)原子，一般情況下高分子化合物分子量都在5000以上。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高分子材料以其特有的性能：重量輕、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性能好、絕緣性好，被大量地應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)件中。

高分子化合物有天然的和人工合成的兩種。天然的高分子化合物有松香、纖維素、蛋白質(zhì)及天然橡膠等；人工合成的高分子化合物有各種塑料、合成橡膠、合成纖維等。工程使用的高分子材料主要是人工合成的。

一、高分子化合物的組成

高分子化合物的相對(duì)分子質(zhì)量雖然很大，但化學(xué)組成卻相對(duì)簡(jiǎn)單。首先，組成高分子化合物的元素主要是C、H、O、N、Si、S、P等少數(shù)幾種元素；其次，所有的高分子都是由一種或幾種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元通過共價(jià)鍵連接并不斷重復(fù)而形成的。

組成聚合物的低分子化合物（如乙烯、氯乙烯等）稱為單體。高分子鏈中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元稱為鏈節(jié)。一條高分子鏈中所含的鏈節(jié)數(shù)目稱為聚合度。顯然，高分子的相對(duì)分子質(zhì)量是鏈節(jié)的相對(duì)分子質(zhì)量與聚合度的乘積。

高分子材料是由大量的大分子鏈聚集而成的，各個(gè)大分子鏈的長(zhǎng)短并不一致，是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律分布的，因此我們所說的相對(duì)分子質(zhì)量，指的是平均相對(duì)分子質(zhì)量。

大分子鏈也可以由幾種單體共同聚合而成。

二、高分子化合物的合成

高分子化合物是由一種或幾種簡(jiǎn)單化合物聚合而成。合成的基本方法有兩種：加成聚合反應(yīng)（簡(jiǎn)稱加聚反應(yīng)）和縮合聚合反應(yīng)（簡(jiǎn)稱縮聚反應(yīng)）。

（一）加聚反應(yīng)。在一定條件下，如光照、加熱或化學(xué)藥品處理等引發(fā)作用，就可以把參加聚合反應(yīng)單體的雙鍵打開，出現(xiàn)不飽和鍵，這樣第一個(gè)分子和第二個(gè)分子連接，第二個(gè)分子和第三個(gè)分子連接，形成一條大分子鏈，所以稱為加聚反應(yīng)，如氯乙烯加聚反應(yīng)生成聚氯乙烯。

加聚反應(yīng)的主要特點(diǎn)有：

1.反應(yīng)一旦開始，就進(jìn)行得很快、直到形成最后產(chǎn)物為止，中間不能停在某一階段上，也得不到中間產(chǎn)物。

2.鏈節(jié)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)相同。

3.沒有小分子副產(chǎn)物生成。

一般來說，凡是帶有雙鏈的有機(jī)化合物原則上都可以發(fā)生加聚反應(yīng)。加聚反應(yīng)是目前高分子合成工業(yè)的基礎(chǔ)，約有80%的高分子材料是由加聚反應(yīng)得到的，如合成橡膠等。

（二）縮聚反應(yīng)。由一種或幾種低分子化合物聚合，在生成高分子化合物的同時(shí)，有水、氨氣、鹵化氫、醇等低分子物質(zhì)析出，所以縮聚反應(yīng)生成的高分子化合物其成分與單體是不同的。

縮聚反應(yīng)的特點(diǎn)是：

1.縮聚反應(yīng)是由若干個(gè)聚合反應(yīng)構(gòu)成的，是逐步進(jìn)行的，反應(yīng)可以停在某一階段上，可得到中間產(chǎn)物；

2.縮聚產(chǎn)物鏈節(jié)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與單體的不完全相同；

3.在縮聚過程中總有小分子副產(chǎn)物析出。

縮聚反應(yīng)也有很大的實(shí)用價(jià)值，雖然在目前合成高分子工業(yè)占的比例不如加聚反應(yīng)那么大，但從原則上講，所有已知的聚合物都可由縮聚反應(yīng)制備，如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酰胺、有機(jī)硅樹脂以及其他一些工程塑料等。

三、高分子材料的結(jié)構(gòu)

高分子材料的應(yīng)用狀態(tài)各式各樣，性質(zhì)各異。性質(zhì)不同的主要原因是材料的成分及結(jié)構(gòu)不同。高分子化合物的結(jié)構(gòu)比常見的低分子化合物復(fù)雜得多，高聚物按其研究單元不同分為兩大類結(jié)構(gòu)：一是分子內(nèi)結(jié)構(gòu)（稱高分子鏈結(jié)構(gòu)），二是分子間結(jié)構(gòu)（稱聚集態(tài)結(jié)構(gòu)）。

（一）高分子鏈的組成。只有在元素周期表中處于ⅢA、IVA、VA、VIA族的金屬和非金屬元素硼、碳、硅、氮、磷、氧及硫等能組成高分子鏈，其中以碳鏈高分子產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣。由于高聚物中常見的碳、氫、氧、氮等元素都是輕元素，使高分子材料都具有密度小的特點(diǎn)。高分子鏈內(nèi)組成元素不同，則性能不同。這主要是由于高分子鏈中原子間以共價(jià)鍵結(jié)合，不同元素間的結(jié)合力大小不同。

（二）高分子鏈的形態(tài)。高分子鏈可以呈不同的幾何形狀，一般可分為以下三種：線型分子鏈、支鏈型分子鏈和體型分子鏈，如圖1所示。

圖 高分子鏈的形狀示意圖 a一線型；b一支鏈型；c一體型

1.線型分子鏈。由許多鏈節(jié)組成的長(zhǎng)鏈通常卷曲成團(tuán)狀，這類高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是典型熱塑性材料的結(jié)構(gòu)，屬于此類的高聚物有聚乙烯、聚丙烯等。

2.支鏈型分子鏈。在主鏈上帶有支鏈，這類高聚物的性能和加工都接近于線型分子鏈高聚物。由于支鏈的存在，分子鏈不易規(guī)則排列，故難以結(jié)晶，呈無定形。支鏈可呈三維纏結(jié)，對(duì)塑性變形不利。

3.體型分子鏈。分子鏈之間有許多鏈節(jié)互相交聯(lián)，這類高聚物的硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是典型熱固性材料的結(jié)構(gòu)，這種形態(tài)也稱為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。熱固性塑料的酚醛樹脂就具有這樣的結(jié)構(gòu)。

四、高分子材料的性能特點(diǎn)

1.密度小。高聚物比金屬和陶瓷的密度都小，密度為1000～2000kg/m3，最輕的聚丙烯密度為910kg/m3，而泡沫塑料只有10kg/m3。

2.強(qiáng)度低，比強(qiáng)度高。高聚物的抗拉強(qiáng)度只有幾十MPa，比鋼低得多。但是，由于密度小，其比強(qiáng)度卻很高，某些塑料的比強(qiáng)度比鋼鐵還高。

3.彈性模量小。高聚物彈性模量約2～20MPa，比金屬低得多。

4.高彈性。不少高聚物（特別是含柔性鏈的輕度交聯(lián)的高聚物）在玻璃化溫度以上時(shí)具有典型的高彈性，彈性變形量可達(dá)100%～1000%，而金屬只有0.1%左右。卷曲的大分子對(duì)振動(dòng)的減震性也好。

5.絕緣性好。因無自由電子和離子，其導(dǎo)電能力低，介質(zhì)損耗小，耐電弧，導(dǎo)熱性小（金屬的1/100～1/1000）。

6.耐磨。雖然高聚物硬度低，但不少有自潤(rùn)滑性，摩擦系數(shù)小，在無潤(rùn)滑條件下，耐磨減摩性很多都優(yōu)于金屬材料。

7.耐蝕。它不受電化學(xué)腐蝕，大多也不和周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用，具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。

8.黏彈性。不少高聚物既具有彈性材料的一般特征，又具有黏性流體的一些特性，即受力后同時(shí)發(fā)生彈性變形和黏性流動(dòng)，變形量與時(shí)間有關(guān)，形變總是落后于應(yīng)力變化。應(yīng)力作用速度越快，鏈段越來不及作出反應(yīng)，則黏彈性越顯著。高聚物的黏彈性主要表現(xiàn)在蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和內(nèi)耗等現(xiàn)象上，比其他材料明顯很多。

9.可加工性好。可用各種方法加工，單件生產(chǎn)成本低。

此外，高聚物對(duì)環(huán)境因素很敏感，如高溫、紫外線等的作用可以使之氧化或軟化，或者發(fā)生解聚作用，使性能惡化，部分易溶于一些有機(jī)溶劑，大多在150℃以下才可使用。