第一章 緒論

第一節 高分子材料的基本概念和主要品種

一、概述^［1-3］

高分子材料又稱聚合物材料。所謂聚合物（polymer）或高分子化合物（macromolecule compound， macromolecule），系指那些由眾多原子或原子團主要以共價鍵結合而成的相對分子質量在1萬以上的化合物。高分子材料（polymer materials）是以高分子化合物為基體組分的材料。雖然一些高分子材料僅由高分子化合物組成，但大多數高分子材料，除基本組分高分子化合物之外，為獲得具有各種實用性能或改善其成型加工性能，一般還有各種添加劑。嚴格地講，高分子材料與高分子化合物的含義是有區別的。

高分子材料的分類是個比較復雜的問題。按高分子的來源，可分為天然高分子材料（natural polymer materials）和合成高分子材料（synthetic polymer materials）。按化學組成，可分為有機高分子材料（organic polymer materials）和無機高分子材料（inorganic polymer materials）。按照材料的性能，可分為通用高分子材料（general purpose polymer materials）和新型高分子材料（advanced polymer materials）。通用高分子材料是指量大、產值高、涉及面廣泛、性能一般的高分子材料。它們屬于傳統材料，并廣泛應用于人類的衣食住行，是很多支柱產業的基礎，所以又稱為基礎材料。新型高分子材料也稱先進高分子材料，是指那些正在發展，且具有通用高分子材料所不具備的優異性能和應用前景的一類高分子材料。這些材料用量少，具專一性，附加價值高，已經成為能源、生物、醫藥、信息和國防等高新技術發展與進步不可或缺的基石，正影響和改變著人類的生活質量和生活方式。

以下簡單介紹通用高分子材料和新型高分子材料的主要種類和基本概念。

二、通用高分子材料的主要種類和概念^［2-12］

通用高分子材料包括纖維（fiber）、塑料（plastics）、橡膠（ rubber ）、膠黏劑（adhesive ）和涂料（coating ）等幾大類。

1.纖維 一般認為，纖維是一種細長形狀的物體，其長度對其最大平均橫向尺寸比，至少為10∶1，其截面積小于0.05mm²，寬度小于0.25mm。作為組成織物的基本單元，紡織用纖維的直徑一般為幾微米至幾十微米，長度與直徑之比一般大于1000∶1^[1]，還應具有一定的柔曲性、強度、模量、伸長和彈性等。

隨著纖維制備技術的進步和用途拓寬，其定義也在不斷變化。一方面，一些一維尺度的材料也經常以纖維命名，例如納米纖維。最細的碳納米管直徑小于1nm，長度可達數微米，長徑比達千倍以上，也屬于纖維范圍。另一方面，一些作為結構材料的纖維，對于長徑比、柔曲性等的要求已沒有紡織纖維那么嚴格。

纖維的種類有許多，其分類方法按不同的基準有多種。按原料來源不同，纖維可分為兩大類，一類是天然纖維（natural fiber），另一類是化學纖維（manufactured fiber，man-made fiber，chemical fiber）。化學纖維又可分為人造纖維（artificial fiber）和合成纖維（synthetic fiber）兩大類，如圖1-1所示。

圖1-1 化學纖維按原料分類^［7］

除按原料分類外，化學纖維還可進行如下分類。按組分的數量不同，可分為單組分纖維（monocomponent fiber）和雙組分纖維（bicomponent fiber）或多組分纖維（multicomponent fiber）；按長度不同，可分為長絲（continuous filament）、短纖維（staple，staple fiber）、短切纖維（short cut fiber）和纖條體（fibrids，fibrid fiber）等；按直徑不同，可分為常規纖維、粗旦纖維（high-diner fiber）和細旦纖維（fine-diner fiber）；按纖維截面形狀不同，可分為圓形纖維和異形纖維（shaped fiber，profiled fiber）；根據表面和縱向的形狀及形態不同，可以分成直絲（flat， yarn）、變形絲（變形紗）（textured filament，textured yarn）、網絡紗（交絡紗）（interlaced yarn）、卷曲纖維（crimped fiber）、花絲（slub yarn）和薄膜纖維（film fiber）等許多種類。

2.塑料 塑料是以高分子化合物為主要成分，在一定條件下可加工成一定形狀并且在常溫下保持其形狀不變的材料。其成品狀態為柔韌性或剛性固體，習慣上也包括塑料的半成品，如壓塑粉等。

塑料的種類很多。根據原料來源，塑料可分為合成塑料（synthetic plastics）和半合成塑料（semi-synthetic plastics）。根據塑料的熱可塑性不同，塑料可分為熱塑性塑料（thermoplastics，thermoplastic plastics）和熱固性塑料（thermoset， thermoset plastics）。熱塑性塑料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯（包括ABS樹脂）、聚丁烯、氯化聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、纖維素等塑料。熱固性塑料主要有酚醛塑料、氨基塑料、呋喃塑料、環氧樹脂、不飽和聚酯塑料和有機硅塑料等。按使用性不同，塑料可分為通用塑料（general purpose plastics）和工程塑料（engineering plastics）。工程塑料又分為通用工程塑料和特種工程塑料。目前，通用塑料和通用工程塑料之間的界限越來越模糊。特種工程塑料屬于特種高分子材料。工程塑料的分類如圖1-2所示。

圖1-2 工程塑料的分類^［9］

3.橡膠 橡膠是有機高分子彈性化合物，在很寬的溫度（-50～150℃）范圍內具有優異的彈性，所以又稱為高彈體。

橡膠的種類很多。根據原料來源，橡膠可分為天然橡膠（natural rubber）和合成橡膠（synthetic rubber）兩類。合成橡膠按用途可分為通用合成橡膠（general purpose synthetic rubber）和特種合成橡膠（speciality synthetic rubber）。特種合成橡膠屬于特種高分子材料。

天然橡膠是從天然植物中采集出來的一種乳白色液體，經加工制成的高彈性材料，天然橡膠的主要成分橡膠烴是異戊二烯的聚合物。通用合成橡膠主要有聚丁二烯橡膠、聚異戊二烯橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡膠、聚異丁烯橡膠和乙丙橡膠等。

4.膠黏劑 能把各種材料緊密地結合在一起的物質，稱為膠黏劑，又稱黏合劑。

膠黏劑通常由幾種材料配制而成，這些材料按其作用不同，一般分為主體材料和輔助材料兩大類。膠黏劑品種繁多。按照膠黏劑主體材料的來源，可分為天然膠黏劑（natural adhesive）和合成膠黏劑（synthetic adhesive）兩類（圖1-3）。按照黏結度特性，可分為結構膠黏劑（structure adhesive）、非結構膠黏劑（non-structure adhesive）和次結構膠黏劑（secondary structure adhesive）三類。

圖1-3 膠黏劑的分類^［2］

5.涂料 涂料是指涂布在物體表面能形成具有保護和裝飾作用膜層的材料。過去，由于涂料都是用植物油和天然樹脂熬煉而成，其作用又同我國的生漆差不多，因此一直被叫作油漆（oil paint）。涂料種類繁多，命名也很混亂，從涂料的發展而言，最早出現的是清油和厚漆。根據施工層次，涂料可分為泥子、底漆、罩光漆等不同品種；根據所用的分散介質，涂料可分為溶劑型和水溶型；根據漆膜光澤的強弱，人們又把涂料分成無光、半光（平光）、有光等品種；根據使用的場合可分成內用和外用；根據用途又可分為防銹漆、絕緣漆、地板漆、機床漆、美術漆等；有些是以施工方法命名的，如噴漆、電鍍漆、烘漆、自干漆；還有的從音譯來命名，如萬能漆、可丁漆、永明漆等。

目前看來，按主要成膜物來進行分類和命名是一種比較科學的方法，根據這種分類方法，可以將涂料分為油性涂料、天然樹脂涂料、瀝青涂料、醇酸樹脂涂料、酚醛樹脂涂料、氨基樹脂涂料、硝基涂料、纖維素涂料、過氯乙烯涂料、乙烯樹脂涂料、丙烯酸樹脂涂料、聚酯樹脂涂料、環氧樹脂涂料、氨基甲酸酯涂料、元素有機涂料、橡膠涂料及其他涂料等十幾大類。在這十幾類涂料中，以植物油和天然樹脂為主要原料的統稱為油性涂料；采用合成材料作原料的比重較大，有的甚至完全以合成樹脂作為其主要成膜物質，此類涂料統稱為合成樹脂類漆。

三、新型高分子材料的主要種類和概念^{［5，9，13-17］}

新型高分子材料包括高性能高分子材料（high-performance polymer materials）、功能高分子材料（functional polymer materials）、智能高分子材料（intelligent polymer materials）和生態高分子材料（eco-polymer materials）等種類。

1.高性能高分子材料 高性能高分子材料是指材料的機械性能、耐熱性、耐久性、耐腐蝕性等性能有較大提高的高分子材料。主要的高性能高分子材料包括以下三大類。（1）特種工程塑料（高性能塑料）。其主要品種已示于圖1-2中。（2）特種合成橡膠。包括氟橡膠、硅橡膠、聚醚橡膠、氯化聚乙烯、聚硫橡膠、氟硫化聚乙烯橡膠（CSM）、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠（PUE）、氯氧化橡膠（CPE）和氯醇橡膠等。（3）高性能纖維。包括高強高模合成纖維及其他特種合成纖維，主要品種如圖1-4所示。

圖1-4 高性能纖維主要品種

2.功能高分子材料 功能高分子是指在高分子的主鏈或側鏈上具有反應性能官能團，因而具有特定功能的高分子。功能高分子材料是指與常規高分子材料相比具有明顯不同的性質，并具有某些特殊功能的高分子材料。功能高分子材料從組成和結構上可分為兩大類：結構型和復合型。結構型功能高分子材料可以僅由功能高分子組成。復合型功能高分子材料可以以普通高分子為基體或載體，與具有某些特定功能的其他材料進行復合而制得。功能高分子材料從作用機理上可分為兩大類：一類是對外界或內部的刺激強度，如應力、應變、光、電、磁、熱、濕、化學、生物化學和輻射等具有感知功能的材料，稱為“感知材料”，可以用來制成各種傳感器（感應器）；另一類是對外界環境條件或內部狀態發生的變化做出響應或驅動的材料，稱為“驅動材料”，可以用來做成各種執行器（動作器）。

功能高分子材料的研究，從離子交換發展到電子交換，又發展到各種高分子分離膜和高分子吸附劑；從電絕緣體擴展到半導體、導體，甚至超導體；由電性能擴展到光、磁、聲、熱、力等性能；從化學、物理性能擴展到生物性能。目前世界上研究開發的功能高分子材料可謂日新月異，大致可以概括為表1-1中的幾類。

表1-1 功能高分子材料的分類

3.智能高分子材料 智能高分子材料是指能隨著外部條件的變化，而進行相應動作的高分子材料。智能高分子材料必須具備能感應外部刺激的感應器功能、能進行實際操作的動作器功能以及得到感應器的信號后而使動作器動作的過程器功能。智能高分子材料既屬于高分子材料的范疇，又屬于智能材料的范疇。

智能高分子材料來源于功能高分子材料，但又與傳統的功能高分子材料不同。對于功能高分子材料，不管是“感知材料”還是“驅動材料”，它們通常只能像奴隸一樣機械地進行輸入/輸出的響應，因此是一種被動性材料。機敏高分子材料（smart polymer materials）則兼具感知和驅動的功能。但機敏高分子材料自身不具備信息處理和反饋機制，不具備順應環境的自適應性。科學家把仿生功能引入高分子材料，使高分子材料達到更高的層次，從無生命變得有了“感覺”和“知覺”；并賦予材料嶄新的使命，使它可以主動地針對一定范圍內花樣繁多、種類各異的輸入信號進行判斷，并決定輸出什么以應對之，即能自動適應表1-2所列的環境變化，不僅能夠發現問題，而且還能自行解決問題。這類主動性新型高分子材料，才是真正意義上的智能高分子材料。

表1-2雖然沒有列出生物刺激因素（例如各種細菌、真菌、藻類和病毒），但它們也能在特定的條件下對特定的高分子材料發生有效的刺激。

表1-2 環境介質^［16］

4.生態高分子材料 生態高分子材料與其他新型高分子材料的區分不是其性能，而是其與環境的關系。由于高分子材料生產過程對環境造成一定的污染，而且現有的合成高分子材料以不可再生的石油資源為基礎，其大部分廢棄物不可降解，因此研究開發資源可再生、生產過程清潔、廢棄物可降解的生態高分子材料，符合可持續發展的要求，成為國際研究開發的熱點。

由于在環境方面與大部分合成高分子材料相比具有優良的生物降解性，降解產物的環境友好性、清潔性，以及與石油基高分子來源相比具有可再生、可持續開發的特點，下面幾種高分子材料已成為重要的生態高分子材料而吸引了全世界科學家的目光。

（1）多糖。如纖維素（包括細菌纖維素）、甲殼素、海藻酸、淀粉和黃原膠。

（2）蛋白質。如大豆蛋白、明膠、膠原蛋白、蜘蛛蛋白。

（3）核酸。如核糖核酸和脫氧核糖核酸。

（4）脂肪族聚酯。如聚乳酸（PLA）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）。

（5）聚氨基酸。

（6）聚硫酯。

（7）聚異戊二烯。如天然橡膠或古塔波膠。

（8）聚酚。如木質素和腐殖酸。