第八章 合成材料

前面我们学过无机非金属材料和金属材料，在材料家族中还有一大类非常重要的，这就是高分子材料。高分子材料按材料的来源分，可分为天然高分子材料和合成高分子材料。例如棉花、羊毛、天然橡胶等都属于天然高分子材料，而日常生活中接触到的塑料、合成纤维、粘合剂、涂料等都是合成高分子材料，简称合成材料。随着社会的发展和科技的进步，合成材料的使用大大超过了天然高分子材料。从人们的衣、食、住、行到现代工业、农业、国防和科学技术；从交通运输、医疗卫生到环境、能源等领域，都离不开合成材料。特别是近年来为适应某些特殊领域的需要而发展起来的新型有机高分子材料的出现，大大扩展了合成材料的应用范围。甚至可以说，人类正进入一个合成材料的时代。在本章中，我们将对合成材料作一简单介绍。

有机高分子化合物简介

一、有机高分子化合物

我们知道，烃、醇、醛、羧酸、酯、葡萄糖、蔗糖等有机化合物的相对分子质量都比较低，如蔗糖的相对分子质量是342，硬脂酸甘油酯的相对分子质量是890，它们的相对分子质量很少上千，通常称它们为低分子化合物，或简称小分子。相反，淀粉的相对分子质量从几万到几十万，蛋白质的相对分子质量从几万到几百万或更高，核蛋白的相对分子质量则高达几千万。通常把它们称为高分子化合物，简称高分子。淀粉、纤维素、蛋白质、聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等物质都属于高分子化合物。由于高分子化合物大部分是由小分子通过聚合反应制得的，所以也常被称为聚合物或高聚物。

高分子虽然相对分子质量很大，但在通常情况下，结构并不复杂。它们是由简单的结构单元重复连接而成的。

例如，聚乙烯分子是由成千上万个乙烯分子聚合而成的

我们把——CH2——CH2——叫聚乙烯的结构单元，结构单元也叫链节。n表示每个高分子里链节的重复次数，叫聚合度。n值越大，相对分子质量越大。能合成高分子化合物的小分子物质叫单体。例如，乙烯就是聚乙烯的单体。

从单个分子来说，高分子有一定的聚合度，也就是说，n是某一个整数，所以它的相对分子质量是确定的。但对一块高分子材料来说，它是由许多聚合度相同或不相同的高分子聚集起来的。因此，我们从实验中测得的某种高分子的相对分子质量只能是平均值。高分子的这种特性跟小分子是不同的。

二、有机高分子化合物的结构特点

有机高分子的结构与小分子有很大的不同。单个高分子是由一个个链节连接起来的，成千上万的链节常常连成一条长链。

高分子最普通、最重要的结构是长链状的，这就是人们发现的高分子的线型结构（下图Ⅰ）。例如，聚乙烯、聚氯乙烯的长链就是由C——C 键连接

的，淀粉和纤维素的长链则是由C——C键和C——O键相连接的。可以想象，当这种多条高分子链聚集在一起时，相互间的缠绕使得许多分子间接触的地方以分子间作用力而紧密结合，这就使高分子材料的强度大大增加，相对分子质量越大，相互作用的分子间力就越强。线型结构的高分子，可以不带支链，也可以带支链（下图Ⅱ）。

高分子链上如果还有能起反应的官能团，当它跟别的单体或别的物质发生反应时，高分子链之间将形成化学键，产生一些交联（上图Ⅲ），形成网状结构，这就是高分子的体型（网状）结构，硫化橡胶就是这样的例子。

三、有机高分子化合物的基本性质

由于有机高分子化合物的相对分子质量大及其结构的特点，因而它们具有与小分子物质不同的一些性质。

1．溶解性

【实验1】取有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯）粉末0.5g放入试管中，加入10 mL三氯甲烷。观察溶解的情况。

【实验2】从废轮胎上刮下一些橡胶粉末，取0.5g放入试管中，加入10mL汽油。观察粉末能否溶解。

从实验可以看出，线型结构的有机高分子（如有机玻璃）能溶解在适当的溶剂里，但溶解过程比小分子缓慢；而体型结构的有机高分子（如橡胶）则不容易溶解，只是有一定程度的胀大。

2．热塑性和热固性

【实验3】在一支试管中放入聚乙烯塑料碎片约3g，用酒精灯缓缓加热，观察塑料碎片软化和熔化的情况。等熔化后立即停止加热以防分解。等冷却固化后再加热，观察现象。

我们可以观察到聚乙烯塑料受热到一定温度范围时①，开始软化，直到熔化成流动的液体。熔化的聚乙烯塑料冷却后又变固体，加热后又熔化。这种现象就是线型高分子的热塑性。根据这一性质制成的高分子材料具有良好的可塑性，能制成薄膜、拉成丝或压制成所需要的各种形状，用于工业、农业及日常生活等。

有些体型高分子一经加工成型就不会受热熔化，因而具有热固性，例如酚醛塑料等。

3．强度

高分子材料的强度一般都比较大，如果分别把10kg高分子材料与金属材料各制成100m长的绳子，在高处悬吊重物，所吊重物的最大质量可见下表。

4．电绝缘性

高分子化合物链里的原子是以共价键结合的，一般不易导电，所以高分子材料通常是很好的电绝缘材料，可广泛应用于电气工业上。例如，制成电器设备零件、电线和电缆的护套等。

此外，有的高分子材料还具有耐化学腐蚀、耐热、耐磨、耐油、不透水等性能，可用于某些有特殊需求的领域。但是，高分子材料也有不耐高温、易燃烧、易老化、废弃后不易分解等缺点。因此如何通过改善高分子化合物的结构，改进它们的聚合和加工工艺，以及使用的环境和条件等，以进一步提高高分子材料的性能，减少高分子材料对环境的污染，这些都是高分子材料研究的重要课题。

合成材料

人工合成高分子材料的出现是材料发展史上的一次重大突破。从此，人类摆脱了只能依靠天然材料的历史，在改造大自然的进程中又大大前进了一步。由于合成材料的原料丰富易得，制造加工简单，性能千变万化，所以，合成材料一经出现，便得到了广泛的应用。合成材料品种很多，塑料、合成纤维、合成橡胶就是我们通常所说的三大合成材料。近年发展起来的粘合

剂、涂料等也属于合成材料的范畴。

一、塑料

人们天天和塑料打交道，究竟什么是塑料呢？塑料的主要成分是合成树脂，它的组成中除了合成树脂以外，还有根据需要加入的具有某些特定用途的添加剂，如能提高塑性的增塑剂，防止塑料老化的防老化剂等。有些合成树脂具有热塑性，用它制成的塑料就是热塑性塑料，这种塑料可以反复加

工，多次使用；相反地，像体型的酚醛树脂，具有热固性，用它制成的塑料就是热固性塑料，这种塑料一旦加工成型，就不会受热熔化。

我们日常生活中用得最多的食品袋、包装袋大部分是由聚乙烯、聚氯乙烯制成的。在表2中列出了其他常见塑料的性能和用途。