[科普中國]-合成高分子

分子由一千個以上原子通過共價鍵結(jié)合形成，分子量可達(dá)幾萬至幾百萬，這類分子稱為高分子，或稱高分子化合物。存在于自然界中的高分子化合物稱為天然高分子，如淀粉、纖維素、棉、麻、絲、毛都是天然高分子，人體中的蛋白質(zhì)、糖類、核酸等也是天然高分子。用化學(xué)方法合成的高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺(尼龍)等都是常用的合成高分子材料。

基本概念分子由一千個以上原子通過共價鍵結(jié)合形成，分子量可達(dá)幾萬至幾百萬，這類分子稱為高分子，或稱高分子化合物。

存在于自然界中的高分子化合物稱為天然高分子，如淀粉、纖維素、棉、麻、絲、毛都是天然高分子，人體中的蛋白質(zhì)、糖類、核酸等也是天然高分子。

用化學(xué)方法合成的高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺(尼龍)等都是常用的合成高分子材料1。

高分子的原料和合成方法高分子的原料從農(nóng)、林副產(chǎn)品、煤或石油中得到的有機(jī)小分子化合物作為單體，通過聚合反應(yīng)可以合成高分子。具體的合成方法有加成聚合、縮合聚合和共聚合等2。

加成聚合反應(yīng)含有重鍵的單體分子，如乙烯(C2H4)、氯乙烯(C2H3Cl)、丙烯(C3H6)、苯乙烯等，它們是通過加成聚合反應(yīng)得到聚合物的。加聚反應(yīng)后除了生成聚合物外，再沒有任何其他產(chǎn)物生成，聚合物中包含了單體中全部原子，如聚乙烯、聚氯乙烯。

C2H4是平面對稱分子，當(dāng)一個Cl原子取代了C2H4分子中的一個H原子后，對稱性被破壞了。C2H3Cl分子中若將帶氯原子的碳原子看成是頭，則不帶氯的碳原子就是尾了。氯乙烯分子進(jìn)行加成聚合反應(yīng)時，可能產(chǎn)生三種情況：頭-頭、尾-尾連接；頭-尾連接；混亂無序連接，如圖8-2所示。從圖中看到，第一種連接方式，相鄰碳原子上有氯原子；第二種連接方式，碳原子上的氯原子是間隔開的；第三種連接方式是上述兩種連接的混合。連接方式不同，所形成的聚氯乙烯分子的結(jié)構(gòu)不同，反映在性質(zhì)上也就有差異。

在工業(yè)上利用加成聚合反應(yīng)生產(chǎn)的合成高分子約占合成高分子總量的80%，最重要的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。

縮合聚合反應(yīng)含有雙官能團(tuán)或多官能團(tuán)的單體分子，通過分子間官能團(tuán)的縮合反應(yīng)把單體分子聚合起來，同時生成水、醇、氨等小分子化合物，稱為縮合聚合反應(yīng)，簡稱縮聚反應(yīng)。如尼龍-66又稱聚酰胺。用己二胺和己二酸作為單體，這兩種單體分子之間通過脫水縮合，形成肽鍵，兩端的氨基和羧基具有活性，可繼續(xù)與單體分子縮合，最終形成長鏈狀大分子聚合物，即聚酰胺。它的商品名稱叫尼龍-66或錦綸-66，數(shù)字表示兩種單體中碳原子的數(shù)目。把粘稠的尼龍-66液體從抽絲機(jī)的小孔里擠出來，得到性能優(yōu)異的尼龍-66合成纖維。日常生活中我們熟悉的“的確良”是對苯二甲酸和乙二醇脫水縮合聚合而成的聚酯纖維高分子，商品名稱也叫滌綸，它有挺括不皺、易洗易干等特點。

縮合聚合反應(yīng)在合成高分子工業(yè)上的重要性僅次于加聚反應(yīng)，常見的聚酰胺(尼龍)、聚酯(滌綸)、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂、聚碳酸酯等，都是通過縮聚反應(yīng)生產(chǎn)的。

共聚合反應(yīng)將兩種或兩種以上不同的單體進(jìn)行聚合，得到的聚合物中含有兩種或兩種以上單體單元，這種聚合物叫做共聚物。合成共聚物的聚合反應(yīng)稱為共聚合反應(yīng)。按照共聚物中單體分布的不同，可分為交替共聚、嵌段共聚、無規(guī)共聚和接枝共聚等。共聚合反應(yīng)常用來改進(jìn)合成高分子的性能，這種改進(jìn)叫做結(jié)構(gòu)改性。共聚物中單體單元的結(jié)構(gòu)、數(shù)量和排列方式會影響共聚物的物理性能。例如聚丙烯腈(腈綸)性如羊毛，但著色性差，若用1%的丙烯基磺酸鈉與之共聚合后，腈綸纖維就可染成各種顏色。又如將丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)進(jìn)行共聚合制得的ABS樹脂，是一種綜合性能極好的三元共聚物2。

合成高分子的特性合成高分子的主鏈主要是由碳原子以共價鍵結(jié)合起來的碳鏈，由于單鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，使線型長鏈高分子在旋轉(zhuǎn)的影響下，整個分子保持直線狀態(tài)的機(jī)率甚微。事實上線型長鏈高分子處于自然蜷曲的狀態(tài)，分子糾纏在一起，因而具有可柔性。當(dāng)有外力作用在分子上，蜷曲的分子可以被拉直，但外力一除去，分子又恢復(fù)到原來的蜷曲狀態(tài)，因此合成高分子都有一定的彈性。

由于合成高分子都是長鏈大分子，又處于自然的蜷曲狀態(tài)，所以不容易排列整齊成為周期性的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。與小分子不同，合成高分子不容易形成完整的晶體。然而在局部范圍內(nèi)，分子鏈有可能排列整齊，形成結(jié)晶態(tài)，即所謂短程有序。因此在高分子晶體中往往含有晶態(tài)部分和非晶態(tài)部分，故常用結(jié)晶度來衡量整個高分子中晶態(tài)部分所占的比例。晶態(tài)高分子的耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度一般要比非晶態(tài)高分子高，而且還有一定的熔點，所以要提高高分子的這些性質(zhì)，就要設(shè)法提高高分子的結(jié)晶度。

高分子結(jié)構(gòu)具有不均一性，或稱多分散性，這一點與小分子結(jié)構(gòu)是截然不同的。小分子的結(jié)構(gòu)是確定的，分子量也是確定的。但對合成高分子來說，每個獨立的高分子只要聚合度n確定了，分子量也就確定了。但在聚合反應(yīng)中，得到的聚合物不是均一的，而是不同聚合度的高分子的混合物，因此在這種情況下無法確定高分子的分子量。實驗測定高分子的分子量，只是試樣中聚合度大小不一的高分子分子量的統(tǒng)計平均結(jié)果而已。

合成高分子的上述結(jié)構(gòu)特點，使其具有熱塑性、熱固性、耐磨性、絕緣性、相對密度小、比強(qiáng)度高等特殊的性能。

長鏈型高分子被加熱時，分子受熱不均勻，有的部分已受熱，有的部分受熱少，甚至還有一部分沒有受熱。因此高分子加熱后不是馬上熔化變成液體，而是先經(jīng)歷一個軟化過程再變?yōu)橐后w。當(dāng)然，這是外因的作用，分子內(nèi)部不均勻，也是一個重要的原因。液體冷卻后，變硬成為固體，再次加熱，它又能軟化、流動。線型高分子的這種性質(zhì)稱為熱塑性，它不但使高分子材料便于加工，而且還可以多次重復(fù)操作。

單體進(jìn)行聚合反應(yīng)時，先形成線型高分子，在某種條件下分子鏈之間發(fā)生交聯(lián)由線型轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型高分子。體型高分子加熱后不會熔化、流動，當(dāng)加熱到一定溫度時體型高分子的結(jié)構(gòu)遭到破壞，這種性質(zhì)稱為熱固性。因此體型高分子一旦加工成型后，不能通過加熱重新回到原來的狀態(tài)。

合成高分子中主要含C，H，O，N，S及鹵素等元素，因此比金屬材料輕得多。一般高分子相對密度在1～2之間，最輕的聚丙烯塑料，相對密度只有0.91；泡沫塑料的相對密度只有0.01，比水輕100倍，是非常好的救生材料。高分子材料相對密度小，但強(qiáng)度高，有的工程塑料的強(qiáng)度超過鋼鐵和其他金屬材料。例如玻璃鋼的強(qiáng)度比合金鋼大1.7倍，比鋁大1.5倍，比鈦鋼大1倍。由于質(zhì)輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、價廉，所以高分子材料在不少場合已逐步取代金屬材料的位置，全塑汽車的問世就是典型的例子。高分子材料為什么有這樣高的強(qiáng)度呢？高分子的分子量大，分子中原子數(shù)目多，且分子鏈彼此纏繞在一起，因此分子鏈之間原子的接觸點非常多，相互間的作用力很大。這種作用力稱為分子間作用力，或稱范德華力。如果具備形成氫鍵的條件，分子鏈之間還可形成氫鍵。高分子中存在強(qiáng)大的分子間作用力是高分子材料具有高強(qiáng)度的主要原因。

高分子的分子鏈纏繞在一起，許多分子鏈上的基團(tuán)被包在里面，當(dāng)有試劑分子加入時，只有露在外面的基團(tuán)容易與試劑分子作用，而被包在里面的基團(tuán)不易反應(yīng)，所以高分子化合物的化學(xué)反應(yīng)性能較差，對化學(xué)試劑顯得比較穩(wěn)定。高分子具有耐酸、耐腐蝕等特性，著名的“塑料王”聚四氟乙烯，即使把它放在王水中煮也不會變質(zhì)，其耐酸程度遠(yuǎn)超過金。聚四氟乙烯是優(yōu)異的耐酸、耐腐蝕材料。

高分子中的分子鏈?zhǔn)窃右怨矁r鍵結(jié)合起來的，分子既不能電離，也不能在結(jié)構(gòu)中傳遞電子，所以高分子具有絕緣性，電線的包皮、電插座等都是用塑料制成。此外，高分子對多種射線如α，β，γ和X射線有抵抗能力，可以抗輻射1。

合成高分子的命名合成高分子的命名，一種是在單體前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等；另一種是在簡化的單體名稱后面加“樹脂”二字，如酚醛樹脂，它是由甲醛和苯酚縮聚得到的，又如脲醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。商業(yè)上喜歡用商品名稱，比較方便。

一些合成高分子的商品名稱如下1：

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本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

蒲富永 - 教授 - 西南大學(xué)