什么是高分子材料（一文带你了解高分子材料）

别涅迪克是法国一家化学研究所的高级研究员，一次做实验时，他不小心把一只烧瓶掉在了地上。但与以往不同的是，当他捡起烧瓶时，发现它没有摔成碎片，只是摔出了几道裂痕。怎么回事呢？别涅迪克博士一时找不到答案，于是就把这只烧瓶贴上标签，暂时放在了一边。

不久后的一天，别涅迪克看到一则报道，说有两辆客车相撞，车上多名乘客被挡风玻璃的碎片划伤。别涅迪克博士一下子想起了那只裂而不碎的烧瓶。他找出那只烧瓶，仔细观察有啥特别之处，最后发现在它的瓶壁上有一层薄薄的透明的膜。别涅迪克博士取下一点后进行化验，结果表明，这只烧瓶曾盛过硝酸纤维素溶液，溶液蒸发后留下了这层无色透明的薄膜，牢牢地黏附在瓶壁上起到了保护作用。

玻璃纤维就这样被发现了，并很快得到了广泛的应用。

1 大分子量的巨物

我们生活中的每一样东西都是用材料做成的，常见的有金、铁、铝等金属材料，也有玻璃、石灰等非金属材料。除此之外，还有一种材料不得不提，它遍及人们的衣、食、住、行乃至信息、能源、航空航天以及国防等各个领域，其种类远远超过了传统的金属、陶瓷等材料的总和，它就是高分子材料。

什么是高分子材料？高分子材料是一类主要组分为高分子化合物的材料。“高”是什么意思呢？高分子化合物由许多简单的相同结构单元通过共价键连接而成，“高”是说它们的分子量大，和其他化合物的几十、几百的分子量相比，高分子化合物的分子量通常可达到1万以上。由于高分子化合物一般都是通过聚合反应得到的，所以又称为高聚物。

在我们身边到处可见高分子材料产品

我们周围世界里遍布着高分子材料：制成我们衣服的棉、毛、涤纶，每天我们吃的米、面、肉、蛋等食物里的淀粉和蛋白质，家里用的盆、杯等塑料制品，路上奔驰的汽车的橡胶轮胎……高分子材料无处不在。在漫长的化学史上，合成高分子的历史不过短短的100多年，而高分子化学真正成为一门科学还不足百年，但自从20世纪初合成第一个高分子材料以来，人类不仅掌握了地球上探明的所有天然高分子物质，还创造了成千上万种自然界不曾有过的物质。高分子合成材料的发展已经远远超过钢铁、水泥和木材这传统的三大基础材料。

分子的构型

分子的构型是影响高分子材料性质的一个重要的因素，不同的分子构型可以让高分子材料的性质大相径庭，比如保鲜膜可以被火熔化而橡皮则不能。

高分子材料按构型分线型高分子、支链型高分子和体型高分子3种。线型高分子材料可熔化和溶解，保鲜膜的成分聚丙烯就是一种线型高分子材料。体型高分子材料加热时不会熔融，只能变软和弹性增大，在溶剂中也只能溶胀。衡量高分子材料经常提到两种性质：热塑性和热固性。热塑性材料（线型和支链型）一般加热熔化成液态后，冷却下来又能恢复，因而可以多次加热成型；热固性材料（体型）则一旦成型就无法改变。

高分子材料构型

高分子材料种类繁多，我们生活中经常涉及的高分子材料大致可归结为三大类，即塑料（如赛璐珞、酚醛树脂）、橡胶、纤维。

2 赛璐珞

和很多科学发现一样，最早的塑料也来自于一场意外。1846年，瑞士化学家舍恩拜因偶然用布围裙擦拭不小心打翻在桌面上的浓硫酸和浓硝酸，后来，沾满混合酸的围裙碰到火苗后烧了起来，变成了一些硬硬的东西。舍恩拜因很奇怪围裙为什么没有烧成灰烬。经过研究后他发现，原来布围裙材料的主要成分纤维素在火的炙烤下与浓硝酸和浓硫酸发生了化学反应，变成了硝酸纤维素，最早的塑料组分就这样产生了。不过，硝酸纤维素问世后，最初主要用于炸药生产上。

赛璐珞台球

硝酸纤维素真正用于制造塑料，那是几年以后的事了，而且是由一位摄影师完成的。19世纪中叶时，摄影技术才刚刚兴起，摄影师都自己动手制作胶片。那时候的胶片是用“胶棉”制成的，胶棉就是硝酸纤维素在酒精和醚中的溶液，用它粘上一些对光敏感的染料，然后涂在玻璃上，就能得到一张胶片了。帕克斯是一位摄影师，为了得到高质量的胶片，他想方设法提高胶棉的质量，有一次，当他把胶棉和樟脑混合后，玻璃板上结起了一层薄薄的硬膜。帕克斯取下这层膜，发现它的韧性非常好，能弯曲且不易折断。帕克斯把这种神奇的物质命名为“帕克辛”，最早的塑料就这样问世了。

帕克斯看到了“帕克辛”的商业前途，开发了一些塑料制品，但他没能将塑料市场化，反而赔了钱。靠塑料制品发大财的第一人是美国的印刷工人海亚特。海亚特最初做塑料是为了挣得一家台球制造厂的一万元赏金。原来，19世纪时的台球是用真象牙做成的，造价极高，而非洲大象被人类屠杀得越来越少，台球制造商已经买不到象牙来做台球了，于是他们悬赏一万美金，希望能找到代替象牙做台球的材料。海亚特从“帕克辛”得到启发，他改进了帕克斯的生产工序，给“帕克辛”起了一个新名字——“赛璐珞”，然后自己建了一个工厂生产赛璐珞台球。赛璐珞台球很快得到市场的欢迎，海亚特乘胜追击，又用它生产挡风玻璃、箱子、体育用品、眼镜架及电影胶片等形形色色的产品，揭开了塑料工业的大幕。

3 酚醛树脂

塑料盒的“身份证”

塑料盒五花八门，你知道它们是用什么塑料制成的吗？其实，每个塑料容器都有一个小小身份证——一个三角形的符号，里面有1～7数字，它们就标示在塑料容器的底部，标明了它的成分及主要用途。

“1号”PET：矿泉水瓶、碳酸饮料瓶

“2号”HDPE：清洁用品、沐浴产品

“3号”PVC：目前很少用于食品包装

“4号”LDPE：保鲜膜、塑料膜等

“5号”PP：微波炉餐盒

“6号”PS：碗装泡面盒、快餐盒

“7号”PC：水壶、水杯、奶瓶等

赛璐珞成功地代替了一些传统材料，但也有致命的弱点——不耐高温、容易着火。1895年，年轻的比利时人贝克兰加入了他的偶像——大发明家爱迪生创办的爱迪生科技发明公司。在一个充满刺激的焦油气味和塑料气味的小实验室里，贝克兰成功地利用焦油分解出来的苯酚和甲醛反应，得到了一种不溶解也不熔化的特殊塑料树脂。如果在这种树脂中加入木粉，它就变得柔软可塑，加热加压后可以做成任何形状。这种材料具备很多优点：绝缘、稳定、耐热、耐腐蚀、不可燃等，因此很快就压倒赛璐珞，成为当时工业中仅次于钢铁的常用材料。这种塑料的名字叫做酚醛树脂。

齐格勒和纳塔发明的齐纳催化剂在高分子材料史上具有里程碑式的意义，将人工合成塑料、橡胶、纤维的技术提高到了新的高度

酚醛树脂是第一个真正意义上的人工合成塑料，它是由一些小分子直接聚合而成的，而之前无论是帕克辛还是赛璐珞，都只是将天然纤维进行改性而已。

在酚醛树脂之后，1953年，德国科学家齐格勒和意大利科学家纳塔发明了配位聚合催化剂，将合成塑料的发展推到了一个新的高度。齐纳催化剂大大降低了合成塑料的生产成本，扩大了原料来源，同时还提高了产品的聚合度和规整度，使得到的材料性能有了显著提高。在它们的催化下，一大批新的合成材料诞生了，聚乙烯、聚丙烯这些通用合成材料制品走入了千家万户，齐格勒和纳塔也因这个贡献而分享了1963年的诺贝尔化学奖。

随着技术的发展，如今塑料已经发展出几百个品种，各种新型塑料还在不断涌现，凭借它们坚固、质量轻、耐腐蚀等优点，塑料在我们生活中占据着越来越重要的地位，为我们的生活提供了诸多方便。

白色污染

塑料的问世给人们的生活带来了诸多方便，也极大地推动了工业的发展。但是，尽管近100年前的人们曾为它的诞生而欣喜若狂，现代社会的我们却不得不为如何处理这些给人类生存环境带来极大威胁的东西而煞费苦心了。大量废弃塑料袋已严重影响我们的生存环境，被称为“白色污染”。

塑料一旦生产出来很难自然降解，埋在地下200年也不会腐烂，而且大量的塑料废弃物填埋在地下，会破坏土壤的通透性，使土壤板结，影响植物的生长。如果家畜误食了混入饲料或残留在野外的塑料，也会造成因消化道梗阻而死亡。

4 橡胶

和坚硬的塑料相比，橡胶是另一种高分子材料，它们虽然硬度不高，但是在压力下能自由变形，随后又能迅速恢复原貌，因合，如做成鞋底可以让人行走时感觉轻松，制成轮胎能保证交通工具行进时平稳自如。

早在11世纪，南美洲的印第安人就开始利用自然界的天然橡胶了。他们把三叶橡树割开，从开口处就源源不断地流出乳白色液体，这些液体凝固以后便形成了具有弹性的固体材料，这就是天然橡胶。几百年后，哥伦布发现美洲新大陆，把这种从未见过的材料带回欧洲，橡胶便开始在欧洲流行起来。

将橡树割开后，其开口处会流出白色乳状物质，这种乳液凝固后就成了天然橡胶

天然橡胶的高弹性来自于它内部分子结构特点，每条分子链非常长；但也因为长，天然橡拉扯久了或者在高温下会失去弹性。1939年，美国人古德伊尔成功地将天然橡胶进行硫化，从而让橡胶成为有使用价值的材料。人们将充气橡胶管套在轮子上，感受到了前所未有的舒适，橡胶迅速得到广泛应用，天然橡胶已满足不了人们的需求。

各式各样的橡胶制品在工业、交通线上随处可见

怎么办？很自然地，科学家们开始寻找人工合成橡胶的方法。1826年，法拉第等人发现天然橡胶的化学成分和异戊二烯类似；30年后，人们从天然橡胶裂解产物中分离出了异戊二烯，后来有人把这种异戊二烯重新制成了弹性物体，由此人们断定，橡胶和塑料一样是由异戊二烯这样的小分子单体聚合而成的，橡胶世界的密码被解开了。1900年，第一种合成橡胶问世。第一次世界大战期间，被切断橡胶输入的德国发明了甲基橡胶，随后氯丁橡胶、丁纳橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、聚氨酯橡胶等各种新品种相继诞生。

20世纪50年代齐纳催化剂的问世，同样让橡胶合成工业得到迅猛发展。和合成塑料一样，齐纳催化剂可以有效地控制橡胶分子的结构规整性，从而得到性能更好的新一代橡胶产品。到目前为止，合成橡胶的年产量已是天然橡胶的数倍。

5 纤维

说到纤维，相信大家就更熟悉了。丝、绸、棉、毛等都是纤维材料。具体来说，纤维是弹性、强度都很大的线性材料。纤维的直径可以达几微米左右，细到人的肉眼都观察不到，而长度可以达到几厘米甚至几十厘米。当然使用时都是很多根纤维扭聚在一起的。

人类使用纤维的历史非常久远。且不说原始社会的人类用毛皮、树叶遮体保温。公元前两三千年，世界各地的人们就已经开始种植棉花、亚麻用以织布，并且也掌握了将植物纤维分离精制的技术。中国古代历史悠久的养蚕业，生产的真丝产品美轮美奂，享誉世界，由此还开辟了中国商人将丝绸运输到欧洲贩卖的丝绸之路。

但是，除了蚕丝、棉花外，大多数的天然纤维性能都达不到纺织要求，于是人们开始用化学方法对木材、甘蔗、芦苇等低质量纤维进行处理和改造，于是就产生了人造化学纤维。第一例人造化学纤维于1846年出现，就是前文提到的硝酸纤维素。随后铜氨纤维、粘胶纤维、醋酯纤维、蛋白质纤维等各种人造纤维相继出现，并实现了工业化生产。

和塑料和橡胶一样，人们也希望能从小分子单体直接聚合得到纤维。不过第一种合成纤维直到进入20世纪才出现，那就是由氯乙烯直接合成的聚氯乙烯纤维，但这种世界上最早生产的合成纤维由于性能太差而未得到很好的发展。其后随着技术的不断发展，市场上出现了几十种纤维，不过，和人们生活密切相关的是三大合成纤维——锦纶、涤纶、腈纶。

20世纪30年代，一种重要的高分子材料产品诞生了，那就是如今家喻户晓的尼龙（锦纶）。尼龙具有丝的外观和光泽，在结构和性质上也接近天然丝，耐磨性和强度高。而且尼龙不溶于普通溶剂，熔点高达263℃，做成的丝制品常温熨烫一点儿问题也没有。横空出世的尼龙被称为是“由煤炭、空气和水合成，比蜘蛛丝细，比钢铁坚硬，优于丝绸的纤维”，并由此衍生出了广泛的体系，迅速成为市场上的宠儿。当时生产尼龙的唯一一家公司——杜邦公司在销售尼龙丝长袜时引起轰动和抢购，惊动警察出来维持秩序。

提到“的确良”，大家一定不会陌生吧？那可是在我国曾风靡一时。20世纪六七十年代，我国人人以拥有一件“的确良”而自豪。“的确良”如此受欢迎，是因为它的材料——涤纶当时我们国家还不能生产，物以稀为贵。涤纶学名聚酯纤维，从20世纪70年代起成为世界上销量最高的纤维。

三大合成纤维之一的最后一种产品叫腈纶，即聚丙烯腈纤维。这种纤维柔软、轻盈、保暖，因此又被叫做“合成羊毛”。和真羊毛相比，腈纶耐光、抗菌、不怕虫蛀，性能更胜一筹。

尼龙（锦纶，左）、腈纶（中）和涤纶（右）是使用最广泛的3种纤维，工业上称为三大合成纤维