浅析高分子材料的相关知识

崔永广 姜景博

摘要：人类很早就在利用天然高分子材料，但有目的地人工合成高分子材料，至今只有一个多世纪的历史。高分子材料由于其独特的性能特点而得到了迅猛发展，到目前为止，已发展出由塑料、橡胶、合成纤维三大合成结构材料及油漆、胶黏剂等组成的庞大的非金属材料群体，这些材料被广泛应用于工业、农业和尖端科学技术等各个领域。

关键词：高分子材料 单体 分子链 聚合度 加聚反应 缩聚反应

高分子材料是以高分子化合物为主要组成部分的材料。高分子化合物的分子量很大，通常每个分子可含有几千至几十万个原子，一般情况下高分子化合物分子量都在5000以上。随着科学技术的发展，高分子材料以其特有的性能：重量轻、比强度高、比模量高、耐腐蚀性能好、绝缘性好，被大量地应用于工程结构件中。

高分子化合物有天然的和人工合成的两种。天然的高分子化合物有松香、纤维素、蛋白质及天然橡胶等;人工合成的高分子化合物有各种塑料、合成橡胶、合成纤维等。工程使用的高分子材料主要是人工合成的。

一、高分子化合物的组成

高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但化学组成却相对简单。首先，组成高分子化合物的元素主要是c、H、o、N、si、s、P等少数几种元素;其次，所有的高分子都是由一种或几种简单的结构单元通过共价键连接并不断重复而形成的。

组成聚合物的低分子化合物（如乙烯、氯乙烯等）称为单体。高分子鏈中重复的结构单元称为链节。一条高分子链中所含的链节数目称为聚合度。显然，高分子的相对分子质量是链节的相对分子质量与聚合度的乘积。

高分子材料是由大量的大分子链聚集而成的，各个大分子链的长短并不一致，是按统计规律分布的，因此我们所说的相对分子质量，指的是平均相对分子质量。

大分子链也可以由几种单体共同聚合而成。

二、高分子化合物的合成

高分子化合物是由一种或几种简单化合物聚合而成。合成的基本方法有两种：加成聚合反应（简称加聚反应）和缩合聚合反应（简称缩聚反应）。

（一）加聚反应。在一定条件下，如光照、加热或化学药品处理等引发作用，就可以把参加聚合反应单体的双键打开，出现不饱和键，这样第一个分子和第二个分子连接，第二个分子和第三个分子连接，形成一条大分子链，所以称为加聚反应，如氯乙烯加聚反应生成聚氯乙烯。

加聚反应的主要特点有：

1.反应一旦开始，就进行得很快、直到形成最后产物为止，中间不能停在某一阶段上，也得不到中间产物。

2.链节的化学结构与单体的化学结构相同。

3.没有小分子副产物生成。

一般来说，凡是带有双链的有机化合物原则上都可以发生加聚反应。加聚反应是目前高分子合成工业的基础，约有80%的高分子材料是由加聚反应得到的，如合成橡胶等。

（二）缩聚反应。由一种或几种低分子化合物聚合，在生成高分子化合物的同时，有水、氨气、卤化氢、醇等低分子物质析出，所以缩聚反应生成的高分子化合物其成分与单体是不同的。

缩聚反应的特点是：

1.缩聚反应是由若干个聚合反应构成的，是逐步进行的，反应可以停在某一阶段上，可得到中间产物;

2.缩聚产物链节的化学结构与单体的不完全相同;

3.在缩聚过程中总有小分子副产物析出。

缩聚反应也有很大的实用价值，虽然在目前合成高分子工业占的比例不如加聚反应那么大，但从原则上讲，所有已知的聚合物都可由缩聚反应制备，如酚醛树脂、环氧树脂、聚酰胺、有机硅树脂以及其他一些工程塑料等。

三、高分子材料的结构

高分子材料的应用状态各式各样，性质各异。性质不同的主要原因是材料的成分及结构不同。高分子化合物的结构比常见的低分子化合物复杂得多，高聚物按其研究单元不同分为两大类结构：一是分子内结构（称高分子链结构），二是分子间结构（称聚集态结构）。

（一）高分子链的组成。只有在元素周期表中处于IIIA、IVA、VA、VIA族的金属和非金属元素硼、碳、硅、氮、磷、氧及硫等能组成高分子链，其中以碳链高分子产量最大，应用最广。由于高聚物中常见的碳、氢、氧、氮等元素都是轻元素，使高分子材料都具有密度小的特点。高分子链内组成元素不同，则性能不同。这主要是由于高分子链中原子间以共价键结合，不同元素间的结合力大小不同。

（二）高分子链的形态。高分子链可以呈不同的几何形状，一般可分为以下三种：线型分子链、支链型分子链和体型分子链，如图l所示。

1.线型分子链。由许多链节组成的长链通常卷曲成团状，这类高聚物的弹性、塑性好，硬度低，是典型热塑性材料的结构，属于此类的高聚物有聚乙烯、聚丙烯等。

2.支链型分子链。在主链上带有支链，这类高聚物的性能和加工都接近于线型分子链高聚物。由于支链的存在，分子链不易规则排列，故难以结晶，呈无定形。支链可呈三维缠结，对塑性变形不利。

3.体型分子链。分子链之间有许多链节互相交联，这类高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是典型热固性材料的结构，这种形态也称为网状结构。热固性塑料的酚醛树脂就具有这样的结构。

四、高分子材料的性能特点

1.密度小。高聚物比金属和陶瓷的密度都小，密度为1000～2000kg/m³，最轻的聚丙烯密度为910kg/m³，而泡沫塑料只有10kg/m³。

2.强度低，比强度高。高聚物的抗拉强度只有几十MPa，比钢低得多。但是，由于密度小，其比强度却很高，某些塑料的比强度比钢铁还高。

3.弹性模量小。高聚物弹性模量约2～20MPa，比金属低得多。

4高弹性。不少高聚物（特别是含柔性链的轻度交联的高聚物）在玻璃化温度以上时具有典型的高弹性，弹性变形量可达100%～1000%，而金属只有0.1%左右。卷曲的大分子对振动的减震性也好。

5.绝缘性好。因无自由电子和离子，其导电能力低，介质损耗小，耐电弧，导热性小（金属的I/100～1/1000）。

6.耐磨。虽然高聚物硬度低，但不少有自润滑性，摩擦系数小，在无润滑条件下，耐磨减摩性很多都优于金属材料。

7.耐蚀。它不受电化学腐蚀，大多也不和周围介质发生化学作用，具有很高的化学稳定性。

8.黏弹性。不少高聚物既具有弹性材料的一般特征，又具有黏性流体的一些特性，即受力后同时发生弹性变形和黏性流动，变形量与时间有关，形变总是落后于应力变化。应力作用速度越快，链段越来不及作出反应，则黏弹性越显著。高聚物的黏弹性主要表现在蠕变、应力松弛、滞后和内耗等现象上，比其他材料明显很多。

9.可加工性好。可用各种方法加工，单件生产成本低。

此外，高聚物对环境因素很敏感，如高温、紫外线等的作用可以使之氧化或软化，或者发生解聚作用，使性能恶化，部分易溶于一些有机溶剂，大多在150°C以下才可使用。