合成高分子

分子由一千個以上原子通過共價鍵結合形成，分子量可達幾萬至幾百萬，這類分子稱為高分子，或稱高分子化合物。存在於自然界中的高分子化合物稱為天然高分子，如澱粉、纖維素、棉、麻、絲、毛都是天然高分子，人體中的蛋白質、糖類、核酸等也是天然高分子。用化學方法合成的高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚醯胺(尼龍)等都是常用的合成高分子材料。

基本介紹

• 中文名：合成高分子
• 外文名：synthetic macromolecule
• 相對概念：天然高分子
• 典型例子：聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈等

定義

分子由一千個以上原子通過共價鍵結合形成，分子量可達幾萬至幾百萬，這類分子稱為高分子，或稱高分子化合物。

存在於自然界中的高分子化合物稱為天然高分子，如澱粉、纖維素、棉、麻、絲、毛都是天然高分子，人體中的蛋白質、糖類、核酸等也是天然高分子。

用化學方法合成的高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚醯胺(尼龍)等都是常用的合成高分子材料。

高分子的原料

從農、林副產品、煤或石油中得到的有機小分子化合物作為單體，通過聚合反應可以合成高分子。具體的合成方法有加成聚合、縮合聚合和共聚合等。

加成聚合反應

含有重鍵的單體分子，如乙烯(C₂H₄)、氯乙烯(C₂H₃Cl)、丙烯(C₃H₆)、苯乙烯等，它們是通過加成聚合反應得到聚合物的。加聚反應後除了生成聚合物外，再沒有任何其他產物生成，聚合物中包含了單體中全部原子，如聚乙烯、聚氯乙烯。

C₂H₄是平面對稱分子，當一個Cl原子取代了C₂H₄分子中的一個H原子後，對稱性被破壞了。C₂H₃Cl分子中若將帶氯原子的碳原子看成是頭，則不帶氯的碳原子就是尾了。氯乙烯分子進行加成聚合反應時，可能產生三種情況：頭-頭、尾-尾連線；頭-尾連線；混亂無序連線，如圖8-2所示。從圖中看到，第一種連線方式，相鄰碳原子上有氯原子；第二種連線方式，碳原子上的氯原子是間隔開的；第三種連線方式是上述兩種連線的混合。連線方式不同，所形成的聚氯乙烯分子的結構不同，反映在性質上也就有差異。

在工業上利用加成聚合反應生產的合成高分子約占合成高分子總量的80%，最重要的有聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等。

縮合聚合反應

含有雙官能團或多官能團的單體分子，通過分子間官能團的縮合反應把單體分子聚合起來，同時生成水、醇、氨等小分子化合物，稱為縮合聚合反應，簡稱縮聚反應。如尼龍-66又稱聚醯胺。用己二胺和己二酸作為單體，這兩種單體分子之間通過脫水縮合，形成肽鍵，兩端的氨基和羧基具有活性，可繼續與單體分子縮合，最終形成長鏈狀大分子聚合物，即聚醯胺。它的商品名稱叫尼龍-66或錦綸-66，數字表示兩種單體中碳原子的數目。把粘稠的尼龍-66液體從抽絲機的小孔里擠出來，得到性能優異的尼龍-66合成纖維。日常生活中我們熟悉的“的確良”是對苯二甲酸和乙二醇脫水縮合聚合而成的聚酯纖維高分子，商品名稱也叫滌綸，它有挺括不皺、易洗易乾等特點。

縮合聚合反應在合成高分子工業上的重要性僅次於加聚反應，常見的聚醯胺(尼龍)、聚酯(滌綸)、環氧樹脂、酚醛樹脂、有機矽樹脂、聚碳酸酯等，都是通過縮聚反應生產的。

共聚合反應

將兩種或兩種以上不同的單體進行聚合，得到的聚合物中含有兩種或兩種以上單體單元，這種聚合物叫做共聚物。合成共聚物的聚合反應稱為共聚合反應。按照共聚物中單體分布的不同，可分為交替共聚、嵌段共聚、無規共聚和接枝共聚等。共聚合反應常用來改進合成高分子的性能，這種改進叫做結構改性。共聚物中單體單元的結構、數量和排列方式會影響共聚物的物理性能。例如聚丙烯腈(腈綸)性如羊毛，但著色性差，若用1%的丙烯基磺酸鈉與之共聚合後，腈綸纖維就可染成各種顏色。又如將丙烯腈(A)、丁二烯(B)和苯乙烯(S)進行共聚合製得的ABS樹脂，是一種綜合性能極好的三元共聚物。

特性

合成高分子的主鏈主要是由碳原子以共價鍵結合起來的碳鏈，由於單鍵可以自由旋轉，使線型長鏈高分子在旋轉的影響下，整個分子保持直線狀態的機率甚微。事實上線型長鏈高分子處於自然蜷曲的狀態，分子糾纏在一起，因而具有可柔性。當有外力作用在分子上，蜷曲的分子可以被拉直，但外力一除去，分子又恢復到原來的蜷曲狀態，因此合成高分子都有一定的彈性。

由於合成高分子都是長鏈大分子，又處於自然的蜷曲狀態，所以不容易排列整齊成為周期性的晶態結構。與小分子不同，合成高分子不容易形成完整的晶體。然而在局部範圍內，分子鏈有可能排列整齊，形成結晶態，即所謂短程有序。因此在高分子晶體中往往含有晶態部分和非晶態部分，故常用結晶度來衡量整個高分子中晶態部分所占的比例。晶態高分子的耐熱性和機械強度一般要比非晶態高分子高，而且還有一定的熔點，所以要提高高分子的這些性質，就要設法提高高分子的結晶度。

高分子結構具有不均一性，或稱多分散性，這一點與小分子結構是截然不同的。小分子的結構是確定的，分子量也是確定的。但對合成高分子來說，每個獨立的高分子只要聚合度n確定了，分子量也就確定了。但在聚合反應中，得到的聚合物不是均一的，而是不同聚合度的高分子的混合物，因此在這種情況下無法確定高分子的分子量。實驗測定高分子的分子量，只是試樣中聚合度大小不一的高分子分子量的統計平均結果而已。

合成高分子的上述結構特點，使其具有熱塑性、熱固性、耐磨性、絕緣性、相對密度小、比強度高等特殊的性能。

長鏈型高分子被加熱時，分子受熱不均勻，有的部分已受熱，有的部分受熱少，甚至還有一部分沒有受熱。因此高分子加熱後不是馬上熔化變成液體，而是先經歷一個軟化過程再變為液體。當然，這是外因的作用，分子內部不均勻，也是一個重要的原因。液體冷卻後，變硬成為固體，再次加熱，它又能軟化、流動。線型高分子的這種性質稱為熱塑性，它不但使高分子材料便於加工，而且還可以多次重複操作。

單體進行聚合反應時，先形成線型高分子，在某種條件下分子鏈之間發生交聯由線型轉變為體型高分子。體型高分子加熱後不會熔化、流動，當加熱到一定溫度時體型高分子的結構遭到破壞，這種性質稱為熱固性。因此體型高分子一旦加工成型後，不能通過加熱重新回到原來的狀態。

合成高分子中主要含C，H，O，N，S及鹵素等元素，因此比金屬材料輕得多。一般高分子相對密度在1～2之間，最輕的聚丙烯塑膠，相對密度只有0.91；泡沫塑膠的相對密度只有0.01，比水輕100倍，是非常好的救生材料。高分子材料相對密度小，但強度高，有的工程塑膠的強度超過鋼鐵和其他金屬材料。例如玻璃鋼的強度比合金鋼大1.7倍，比鋁大1.5倍，比鈦鋼大1倍。由於質輕、強度高、耐腐蝕、價廉，所以高分子材料在不少場合已逐步取代金屬材料的位置，全塑汽車的問世就是典型的例子。高分子材料為什麼有這樣高的強度呢？高分子的分子量大，分子中原子數目多，且分子鏈彼此纏繞在一起，因此分子鏈之間原子的接觸點非常多，相互間的作用力很大。這種作用力稱為分子間作用力，或稱范德華力。如果具備形成氫鍵的條件，分子鏈之間還可形成氫鍵。高分子中存在強大的分子間作用力是高分子材料具有高強度的主要原因。

高分子的分子鏈纏繞在一起，許多分子鏈上的基團被包在裡面，當有試劑分子加入時，只有露在外面的基團容易與試劑分子作用，而被包在裡面的基團不易反應，所以高分子化合物的化學反應性能較差，對化學試劑顯得比較穩定。高分子具有耐酸、耐腐蝕等特性，著名的“塑膠王”聚四氟乙烯，即使把它放在王水中煮也不會變質，其耐酸程度遠超過金。聚四氟乙烯是優異的耐酸、耐腐蝕材料。

高分子中的分子鏈是原子以共價鍵結合起來的，分子既不能電離，也不能在結構中傳遞電子，所以高分子具有絕緣性，電線的包皮、電插座等都是用塑膠製成。此外，高分子對多種射線如α，β，γ和X射線有抵抗能力，可以抗輻射。

命名

合成高分子的命名，一種是在單體前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等；另一種是在簡化的單體名稱後面加“樹脂”二字，如酚醛樹脂，它是由甲醛和苯酚縮聚得到的，又如脲醛樹脂、環氧樹脂等。商業上喜歡用商品名稱，比較方便。

一些合成高分子的商品名稱如下：

聚合物	商品名稱	聚合物	商品名稱
聚氯乙烯	氯綸	聚甲基丙烯酸甲酯	有機玻璃
聚乙酸乙烯酯	維尼綸	聚對苯二甲酸乙二酯	的確良，滌綸
聚丙烯	丙綸	聚乙烯	乙綸
聚丙烯腈	腈綸	聚四氟乙烯	氟綸
聚己內醯胺	尼龍-6	酚醛樹脂	電木
聚醯胺	尼龍-66	脲醛樹脂	電玉