怎样定义高分子（与你一起理解高分子）

身处“高分子时代”的我们，真的理解这个世界吗？

你敢想象没有高分子的世界吗？

塑料、橡胶、合成纤维，这些耳熟能详的材料，都是高分子(polymer)。

没有它们的世界，你能想象吗？

没有塑料瓶和轮胎，没有胶水和胶带，没有输液管和气球，也没有现在的高集成度的电脑手机，也不会有轻质低能耗的汽车飞机。

塑料：极大降低了日用品的成本

没有高分子，就没有现在的生活。

人类正处于“高分子时代”

【三期论】根据工具的材料，将人类的历史分为三个时代：石器时代、铜器时代和铁器时代。

今天，人类对于高分子的认知、理解都达到了前所未有的高度，我们的生产生活中充满了高分子材料的设计、使用。

人类文明已然进入“高分子时代”。

“高分子”究竟是什么？

身处“高分子时代”，对“高分子”的清晰概念，能帮助我们更好地理解这个五彩斑斓的物质世界。

高分子，就是分子量很高呗，要有多高呢？至少要到一千。水的分子量是18，乙醇（酒精）是46，这些都是小分子；而PMMA（有机玻璃）的分子量大约从2.5万到20万左右。

高分子的分子量，是一个“分布范围”

注意，高分子不仅仅是“一类材料”，高分子是“三大基本材料之一”。

学过科技千里眼【材料学专栏】的同学知道，材料的分类叫做“3 1”类，即三类“基本材料”和一类“复合材料”——

三类基本材料：金属、陶瓷、高分子

高分子 = 聚合物

要得到分子量很高的分子，就需要使用一种方法——“聚合”。

比如，我们有一种小分子“四氟乙烯”，它的最典型特征就是拥有一个“碳碳双键”（C=C）——

四氟乙烯：中心处的碳碳双键

碳碳双键，就像四只手互相拉在一起，只不过牵手的力量强弱不同，弱的那对很容易脱手，所以，碳碳双键的存在往往意味着较高的反应活性。

如果大量的脱手双键再互相拉手的话，就会变成“手拉手”的长链（聚四氟乙烯）——

聚合：四氟乙烯→聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）也被称为“特氟龙”（Teflon），后者其实是杜邦公司起的商品名。

聚合，就是“小分子手牵手构成大分子”的过程。

想让小分子本身的手松开（键打开）也并不容易，不过，科学家们发现了一类化合物，可以帮助小分子快速把双键打开、实现聚合，这一类物质被称为“引发剂”。

一个有趣的问题：塑料怎样才能透明？

我们先来思考一下，牛奶中的所有物质提纯出来都是透明的，为什么牛奶却是乳白色不透明的呢？或者说，光线为什么难以透过牛奶呢？

原因在于“光的散射”。

道理很简单，物质内部存在太多“界面”（不溶于水的油脂小液滴），导致光线散射到四面八方，当然就不透明了。

微观上来看，不透明的物质内存在大量“散射界面”

可是，塑料的化学成分是可以很纯的，哪来的界面呢？

原来，在塑料内部，由于分子链很长，所以无法全部形成像金属和陶瓷一样的“规律结构”（结晶态），许多部分只能散乱地堆在一起，称为“无定形态”，这样就形成了许多界面——

“结晶区”（蓝色区域）：与旁边的无定形区域光学性质不同

所以，塑料不透明，是因为内部存在大量结晶区与非结晶区（无定形态）所形成的散射界面。

那么，是否有可能，让塑料内部“完全结晶”或“完全不结晶”呢？这样不就没有界面了吗？

从高分子的长链结构来看，我们应该能猜到，完全结晶是不太可能的，那么，就让塑料完全不结晶吧！

这就是塑料实现透明的原理：完全处于无定形态，使得其内部无散射界面。

如何得到完全无定形态呢？

比如我们熟悉的PMMA（有机玻璃），透明度非常高，它就属于完全无定形态；科学家把PMMA的分子设计成无规结构，因此自然就避免了结晶（规律性的排列）。

再比如生产透明饮料瓶的PET（涤纶），它的特点是结晶速度很慢，那么，咱们让熔融的PET以极快的速度降温，让塑料来不及结晶就已然凝固了，就得到了透明的塑料。

再比如做太空杯的透明的PC塑料，它的分子骨架上有许多“苯环”，这使得它的分子很笨重，流动性差，自然结晶十分困难，因此透明度很高。

透明的PET材质塑料瓶

另外，还有一种不可思议的方法——

杂质：让塑料更透明！

让我们再回忆一下，结晶与非结晶的界面会发生散射；不过，这里的散射有一个条件——晶体颗粒必须大到至少与光的波长接近才行！

可见光的波长大约0.4~0.8μm，所以，只要晶体颗粒足够小，也可以实现透明。

结晶是需要晶核作为起点的，就如同饱和盐水需要放入一个成核的引发物质——

“引燃”了结晶

原本无杂质的塑料中，大家都是一样的高分子，谁也不愿主动出来作为晶核，晶核数目非常少，所以结晶区域就很大；相反，如果我们在塑料中加入许多杂质微粒作为晶核，成核点很多，每片晶区就很小，小于光波波长，塑料就透明了。

这些杂质，我们称之为“澄清剂”。

高分子的底层混合——“无规共聚”

材料开发时，常常会遇到这样的场景：A材料与B材料的性质各有优劣，我们会想，要是能有一种材料能“取两者之所长”，就好了。

能不能把A和B混合起来看一看？

对于小分子来说，是可以的；对于高分子来说，不行。

想混合两种塑料来取得一种性能更优异的塑料，通常来说，是行不通的。

但是我们有别的办法，称为——“共聚”。

比如说我们经常听说的ABS塑料，它其实是丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)三种塑料的无规共聚物。

比如，简单聚合物（均聚物）是“-S-S-S-S-S-S-”；那么，无规共聚物就是“-S-A-A-B-S-A-”这种结构，没有规律地把不同的单体聚合在一起，就形成了无规共聚物，经常会获得优异的综合性能。

ABS塑料：乐高帝国的最大功臣

其实，大自然才是运用无规共聚物的大师：蛋白质与DNA就是天然的无规共聚物——通过有限的单体可以实现无穷的组合。

高分子之间的拉手——“交联”

有一些高分子就像是长长的毛线（“线型结构”）；温度升高后，分子之间可以相互滑移，在宏观上的表现就是“可流动”，而冷却后可塑形，称为“热塑性塑料”。

如果我们将高分子互相之间都拉上手，使得它们之间无法滑移，这就是“交联”(cross-linking)，交联后的结构就像一张“渔网”，称为“网型结构”，这类材料称为“热固性塑料”。

线型结构（I和II）与网型结构

热塑性塑料，可以反复熔化与固化；而热固性塑料，只有一次机会，交联固定后，就再也不能熔化了。

那么，问题来了，热固性塑料如何加工呢？总不能所有产品都要在材料的产地加工完成吧？

其实，一般我们会先制造一些“半成品”，比如‘未交联’或‘半交联’的材料，称为“预聚物”(prepolymer)；塑料制品的加工厂拿到的就是这种预聚物，通过再次加热或其他办法“重启暂时中断的交联反应”，等塑形后再去除模具，就完成了加工。

各种颜色的塑料预聚物颗粒

即便如此，热固性塑料还是有个棘手的问题：难以‘回收’与‘回炉’。

科研人员想到一些回收办法，比如，在网型结构中添加一些‘机关’，只有在一些特殊条件（强酸/强碱）下，这些‘机关’自动解体，实现回收。

回炉（加热后可重新塑形）也是能实现的，这就需要找到“可逆的交联反应”（如狄尔斯-阿尔德反应）了。

橡胶与塑料：本质区别是什么？

橡胶，在室温下富有弹性；它与塑料有什么本质区别吗？我们需要从高分子的三种状态说起。

高分子不像金属与陶瓷，由于没有‘泾渭分明’的结晶温度（熔点），所以加热时，没有瞬变只有渐变——

高分子（非晶态）的温度转变曲线

按表现形态分为：玻璃态、橡胶态、黏流态。

按字面理解就可以——玻璃态像玻璃，橡胶态像橡胶，黏流态像黏黏的流体。

把这三个状态分割开的，是两个温度点——

• Tg：玻璃化转变温度（g代表glass）
• Tf：流动温度（f代表flow）

讲到这里，我想你已经猜到了——在室温下，高分子处于玻璃态就是塑料，处于橡胶态就是橡胶。

所以，引起“挑战者”号事故的橡胶圈为什么失效？就是因为当天的气温低于了Tg，橡胶被冻成了塑料，失去弹性了。事后的听证会上，费曼用一杯冰水就现场完成了实验——

费曼用一杯冰水演示了橡胶圈的失效机理

橡胶要想‘完全回弹’，必须保证分子之间不能产生滑移流动，方法是通过交联形成“网型结构”。

比如说最早的天然橡胶，只要一遇到炎热的天气，就会开始变得黏稠流动，根本无法使用；后来人们发现可以通过‘硫’让分子之间拉起手（交联），形成网型结构，才使天然橡胶具有了良好的弹性，也不用担心炎热的天气了；这就是“硫化橡胶”的由来。

橡胶能不能反复加工？

前面讲到，热塑性塑料（线型结构）可以反复热成型加工，而热固性塑料（网型结构）只能成型一次。那么，橡胶有没有‘热塑性’的呢？

有的；有一类橡胶被称为“热塑性弹性体”（或称‘热塑性橡胶’），它们具有独特的分子结构被称为“嵌段共聚物”。

如果说简单聚合物（均聚物）是“-S-S-S-S-S-S-”，无规共聚物是“-S-A-A-B-S-A-”，那么嵌段共聚物就可以表示为“-A-A-A-B-B-B-”，好似两种高分子拉起了手。

聚氨酯（PU）就是一种典型的嵌段共聚物，构成它的链段我们称为“软段”和“硬段”，从这个名字上我们也能想象到，在室温下，软段的流动性好，而硬段则比较坚固，所以，整个分子表现出良好的弹性，在高温下又体现出热塑性。

一本以聚氨酯为名的书的封面

巧妙的设计：形状记忆高分子

我们知道有形状记忆合金，加热后就能恢复设计好的形状；高分子也能！

咱们回忆一下上面讲过的内容，交联高分子在低温下是塑料，在高温下就是橡胶。

比如交联后的聚己内酯（PCL），它的玻璃化转变温度（Tg）大约只有60℃左右，也就是说，室温下是塑料，而泡在热水中一会，它就变成弹弹的橡胶了。

这时，咱们保持在热水中，给交联PCL捏一个形状，比如小碗的形状吧，而且一直不松手，直到温度降低到室温，会发生什么呢？

显然，由于形状被束缚了无法改变，高分子无法运动，因此直到室温下松开手，它也还是一个小碗的形状。

这时只要再一加热，PCL分子就又可以自由运动了，因为就回归了最初的形状。

形状记忆高分子太高级了吧，生活中有应用吗？其实已经非常多了，我们最熟悉的“热塑管”就是最典型的形状记忆高分子呀——

“热塑管”：典型的形状记忆高分子

再比如，设计一种形状记忆高分子，让它的转化温度略高于体温，就可以做为“智能缝合线”，自动将缝合处收紧。

不过，这一类形状记忆高分子有个明显的缺点：只能变形一次。比如，热塑管要想再膨胀起来，就做不到了。

不过近年来，科学家们已成功研发出“双向形状记忆高分子”，这就大大拓展了这类材料的应用，目前大量应用在软体机器人等领域的智能驱动，比如本月初在哈工大威海校区举办的“软体机器人理论与技术”大会上，哈工大冷劲松教授就做了非常精彩的关于形状记忆高分子的报告，近几天新闻报道了冷劲松教授已当选为中国科学院院士，恭喜冷教授，国家栋梁，国士无双。

正身处于“高分子时代”的我们，若能真正理解高分子材料，无疑能更好地理解科技，认识这个五彩斑斓的世界。

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