高分子材料的物理性质及其制品简介

尚九思

（四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065）

高分子，又称大分子，一般指相对分子质量在几千到几百万的化合物.高分子大多数品种的主链由碳原子构成，称为碳链高分子；也有碳、氧等原子构成主链的杂链高分子和由硅原子构成主链的有机硅高分子.高分子结构简单，通常由几百到几千个相同的结构单元（构成高分子链的基本单元）连接而成，可制成塑料、橡胶和化学纤维等主要产品.高分子材料已经应用于人类生活的方方面面，是不可或缺的包装、结构、装饰、功能材料，广泛应用于食品、服装、交通运输、环境、军事、生物医药等领域.

超高分子量、分子量的多分散性是高分子的主要特征，以若干结构单元为运动单位的独特运动特性又使得高分子的力学性能与温度形成了奇特的关系，这都是高分子与小分子的重要区别.本文介绍了高分子的主要特征和有关的物理性能，并以常见塑料、橡胶和化学纤维种类为例介绍了高分子材料制品的主要应用，又介绍了高分子学科研究热点之一的高分子电子材料，对读者了解高分子学科有所帮助.

1 高分子科学的发展

1907年，美国人贝克兰（Leo Baekeland）发明酚醛树脂，1909年酚醛树脂工业化，这是第一种完全人工合成的高分子.

1920年，赫尔曼·施陶丁格（Hermann Staudinger）发表论文《论聚合》，首次提出高分子概念，指出高分子是由结构相同的单体发生反应、相互连接形成的大分子化合物，这标志着高分子学科的建立.

1932年，赫尔曼·施陶丁格总结自己多年的工作，出版了划时代巨著《高分子有机化合物》.施陶丁格凭借自己的卓越贡献，成为了高分子科学当之无愧的奠基人，并于1953年获诺贝尔化学奖.

1937年，华莱士·卡罗瑟斯（Wallace Caroth-ers）成功合成尼龙66，尼龙66商品化后形成了万人空巷的尼龙抢购热潮，创造了辉煌的商业奇迹.

1974年，保罗·弗洛里（Paul Flory）获得诺贝尔化学奖，他提出的高分子等活性理论、高分子统计理论等为高分子科学发展做出了重大贡献.［1，2］

2 高分子材料的主要特点及物理性能

2.1 高分子材料的主要特点

超高的分子量是高分子材料的主要特点，也是其与小分子材料的根本差别.高分子组成简单，由结构单元（如聚乙烯结构式—［CH2—CH2］n—括号内部分，构成高分子链的基本单元）重复连接组成.同时，应当注意的是高分子材料是混合物：材料中组成分子链的结构单元数量不同，因此高分子材料是分子链长度不同的同系物的混合.这就是高分子的“多分散性”，多分散性使得针对高分子的微观层面研究难度骤升，需要借助统计学、概率学等工具进行.

高分子分子运动的基本单位也与小分子材料不同.通说认为，高分子运动的基本单位是链段，即若干个结构单元，而小分子运动的基本单位是单独的分子或原子.温度对高分子运动的影响通过对链段的作用而实现.［3］

以上是高分子区别于小分子的重要特征.

2.2 高分子材料主要的物理性能

高分子材料的力学性能和形变量与温度密切相关.温度较低时，材料力学模量大、形变量小且主要发生可逆的弹性形变，刚性较好；温度升高时，材料力学模量减小，弹性增强，形变量逐渐变大且不可逆形变所占比重逐渐增大.温度升高至某特定温度（该温度高低与材料种类有关）时，材料成为高粘度液体，分子链间相互滑移，力学性能发生突变.［4］

高分子材料具有优良的电绝缘性.材料基本由共价键连接，缺少可以导电的自由电子，故电绝缘性优良.［4］导电高分子是近年高分子的前沿研究方向之一.高分子材料导热性较差，如表1，金属（铜、铁）导热系数大，导热能力强；无机物（钠钙玻璃）导热系数低，导热能力差；高分子材料（聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯）导热系数极低，导热能力很差.［4］导热能力差对高分子合成、加工过程中设备的散热能力提出了较高要求.

表1 常见材料的导热系数

3 高分子材料的主要产品

高分子材料的主要产品有塑料、橡胶、和化学纤维等.

塑料由高分子化合物与添加剂经加工制成，常见的塑料种类有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，可以根据需要制成管材、片材、薄膜、各类容器等（图1）.不同种类的塑料性能各异，聚乙烯的耐腐蚀性、电绝缘性、加工流动性优异，可制造电绝缘产品等；聚丙烯的刚性、耐热性好，可用于制造管材等；聚四氟乙烯的耐高温性、耐腐蚀性优异，可制造输送设备等.［5］

图1 聚乙烯薄膜、聚丙烯管材和聚四氟乙烯片

橡胶的常见种类有天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶等.天然橡胶回弹性、电绝缘性、阻隔性好，应用最为广泛，可用于制造轮胎、医用手套等；丁苯橡胶耐磨、耐热、耐老化，可制造轮胎、电缆等；丁腈橡胶耐油性优异，主要用于制造耐油产品（图2）.［5］

图2 天然橡胶及其手套制品

常见的化学纤维有涤纶、锦纶、维纶、腈纶、丙纶和氨纶.涤纶挺括不易皱，耐冲击、耐光性好，染色性差，用量最大；锦纶结实耐磨，但耐日光性差；维纶吸湿性、保暖性好，但不耐热水、易皱、染色性差；腈纶耐日光性、耐候性好，吸湿性、染色性较差；丙纶质轻、保暖；氨纶弹性优良.可根据不同场景选择合适的纤维（图3）.［5］

图3 涤纶、腈纶和氨纶织物

4 高分子电子材料

随着电子器件集成化、轻型化进程加速，传统导电材料如金属耐化学性差、加工难等问题逐渐凸显，［6］而导电高分子不同层次结构的丰富性赋予了高分子在电子材料领域广阔的应用前景.结构单元连接方式、功能基团的多样性，分子的多种构型，分子链多样的折叠形态等，使高分子得以承担信号传递、转化等功能，高分子电子材料因此成为热点研究领域.上世纪70年代，美国科学家艾伦黑格（Alan Heeger，）、艾伦·马克迪尔米德（Alan MacDiarmid）和日本科学家白川英树发现了导电高分子材料，三人因此获得2000年诺贝尔化学奖.［7］

高分子电子材料按应用可分为导电材料、半导电材料、介电材料、绝缘材料、压电材料、热电材料等，应用于电池、显示设备、导体、绝缘封装、超级电容器、传感器等的制作.目前，高分子电子材料的主要开发方向有大功率蓄电池、太阳能电池、电磁屏蔽产品等，［8］涉及能源、军工、电力等领域，前景光明，大有可为.

高分子的主要特征是超高分子量和分子量的多分散性，其分子运动以链段为基本单位，这些特征是高分子与小分子的重要区别，也是高分子物理等学科进行研究的基本认识.高分子材料作为塑料、橡胶、化学纤维等产品已经深入人类生活，成为生产、生活中不可缺少的一部分.尽管如此，高分子材料仍有需要研究和改进的地方，如高分子电子材料的开发，这需要我们坚持不懈的努力，通过了解、学习、研究高分子的特性，为高分子科学的发展添砖加瓦.