創造無限可能的高分子材料
94/05/10
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陳澄河｜
南臺科技大學化學工程系
什麼是高分子
高分子的「高」，是指它的分子量很「高」。常見的分子，稱為小分子，因為它們通常是由幾個或幾十個原子所組成的，分子量大約在幾十到幾百克／莫耳左右。例如，水分子是由兩個氫原子和一個氧原子組合而成的，它的化學式是H2O，分子量是18克／莫耳。二氧化碳是由兩個氧原子與一個碳原子組合而成的，化學式是CO2，分子量只有44克／莫耳。
但是，高分子通常是由幾百、幾千、幾萬甚至幾十萬個原子組合而成的，它們的分子量可能是幾千、幾萬、幾十萬、幾百萬甚至更高，也就是說，高分子是由許多的小分子以化學共價鍵組合而成。但並不是所有的小分子都可以聚合成高分子。
一般而言，可以聚合成高分子的小分子，稱為單體（monomer），必須具有兩個或兩個以上可以參與化學反應的官能基。例如己二胺，它含有兩個胺基（NH2），因此可以作為製備聚醯胺（polyamide, PA；俗稱耐隆或尼龍）的單體之一。另外，一個雙鍵可視為兩個官能基，例如乙烯單體是製備聚乙烯（polyethylene, PE）的原料。
一般高分子都以化學結構的簡圖來表示。以聚乙烯為例，其簡圖可表示成（CH2 - CH2）n，其中括號內的化學結構式，稱作高分子的重複單位，而 n 代表重複單位的數目，也就是單體的數目，通常又稱作平均聚合度，通常 n 的範圍可以從幾千到幾十萬。
如果聚乙烯（PE）重複單位中的一個氫原子被氯原子（Cl）取代，那麼這一個聚合物就被稱作聚氯乙烯（poly（vinyl chloride），簡稱PVC）。如果是被甲基（CH3）取代，就形成聚丙烯（polypropylene，簡稱PP）。如果是被苯基（C6H5）取代，那就成為聚苯乙烯（polystyrene，簡稱PS）。上述4種高分子（PE、PVC、PP、PS）是目前使用量最大的4種泛用塑膠，應用層面非常廣泛，遍及人們的食衣住行育樂相關的物品。
高分子的分類
如果一個高分子的分子鏈僅含有一種重複單位，也就是只使用一種單體參與聚合反應，例如聚乙烯、聚氯乙烯等，這一類的高分子稱作均聚合物。如果高分子分子鏈含有兩種不同的重複單位，也就是使用兩種單體參與聚合反應，例如丁二烯－苯乙烯的二元共聚合物（poly（butadiene－styrene），俗稱BS橡膠），這一類的高分子就被稱為共聚合物。
如果用A和B各自代表不同的重複單位，根據A與B的排列方式，共聚合物可以概分為無規則共聚合物、交替式共聚合物、團聯共聚合物與接枝共聚合物等四種。當然，含有3個或3個以上重複單位的共聚合物也是存在的，例如目前應用廣泛的聚（丙烯捷－丁二烯－苯乙烯）（poly（acrylonitrile－butadiene－styrene），俗稱ABS）三元共聚合物。
依照形成機制，高分子主要可以分為天然高分子和人工合成的高分子兩大類。像天然橡膠、棉花、纖維素、幾丁質等都是天然高分子。人工合成高分子的種類繁多，主要包括合成塑膠（例如聚乙烯、聚苯乙烯等）、合成橡膠（例如苯乙烯－丁二烯橡膠、苯乙烯－異戊烯橡膠等）、合成纖維（例如聚酯纖維、尼龍纖維等）和合成樹脂（例如環氧樹脂、酚醛樹脂等），這4種也稱作四大人工合成高分子材料。
除此之外，依照受熱成型的機制，高分子也可以區分為熱塑性高分子和熱固性高分子兩大類。熱塑性高分子受熱後，可以軟化，這時施以壓力可以讓它流動，如果冷卻成固態以後，再受熱時，它可以再度軟化，施以壓力又可以讓它再流動，例如聚乙烯就屬於這一類。
另外一類的高分子開始受熱時，也可以軟化，但是加熱會使它發生交聯反應，當冷卻變成固態後，再受熱時，無法再度軟化，如果再進一步加熱，只會把它熱裂解，這一類的高分子稱為熱固性高分子，例如環氧樹脂。環氧樹脂在受熱固化以前的分子量，可能只有幾百或幾千克／莫耳，但在適當的交聯固化條件下，環氧樹脂的分子可以形成非常巨大的網狀結構，由於它的分子量太高，使它流動很困難。
假如依照分子的構造型態，高分子也可以大略分為線性高分子、分枝高分子和交聯或網狀高分子等三大類。所謂的線性高分子，它的分子構造型態並非像數學上所謂的直線那樣直。實際上，高分子的每個分子鏈並非單獨存在的，而是或多或少呈現任意扭曲或糾纏的型態，就像一碗拉麵的麵條糾纏在一起，每一根麵條就好像是一個線性高分子的分子鏈。
如果在高分子合成的時候，刻意引進具有3個或3個以上官能基的單體，會促使分枝高分子的形成，分枝所造成的立體效應，則會明顯影響到高分子間的聚集和糾纏狀態，進而影響到高分子的性質。此外，根據不同的分枝情形，分枝高分子也可以概分成星狀、梳子狀、梯子狀、半梯子狀和樹枝狀高分子。如果高分子鏈上的分枝長度與數目增加，這時候所有的分子鏈將以三度空間的方式結合，整個高分子變成一個巨大分子，就稱為交聯或網狀高分子。
什麼是高分子加工
單體經過聚合反應形成高分子材料，通常在應用上，很少單獨使用，為了發揮高分子材料的特性，必須加入適當的添加劑或其他高分子，經過加熱熔融、固化或硬化反應等加工程序，製造成實用的產品。我們通常稱這個程序為高分子加工。如何使用最低的原料成本，製出具有最優異物理性質與機械性質的高分子產品，是高分子加工研究人員的終極目標。
應用於高分子加工的添加劑有很多種，主要有性質改質劑、安定劑和填充料或補強物等3大類，而每一項目所涵蓋的種類相當多樣化。
高分子加工就像在做一道精緻的蝦仁肉絲蛋炒飯。高分子如同白飯，其他的添加劑，例如增加流動性的加工助劑、提升耐紫外光和耐熱性質的安定劑、五彩繽紛的色母、增強材料機械性質的補強劑和降低成本的填充劑等等，就如同沙拉油、鹽、味素、蔥、蝦仁、肉絲、雞蛋等炒飯材料，雖然量少，但是非常重要。所有的材料都準備齊全了，接下來就需要適當的廚具、控制火候和正確的加料順序。因為沒有適當的廚具與烹調程序，縱使材料是昂貴的山珍海味，也無法成為一道美食。
因此在整個高分子加工過程中，除了高分子材料與相關添加劑必須齊全外，仍然需要適當的加工設備，精準的加熱控制和正確的加料順序，才可以製備出各式各樣適合消費者使用的塑膠產品。
高分子加工的方法與設備
目前常見的高分子加工方法有押出成型、射出成型、吹壓成型、熱壓成型、發泡成型、壓延加工、塗布等，依照不同的產品需求，選擇適當的加工方法與設備。
押出成型是最常用的高分子加工方法，主要是利用押出機把粉狀、粒狀或丸狀的高分子材料與添加劑，加熱熔融後經由螺桿的輸送，再把這熔融物質從定型模頭裡連續不斷地擠出，經過冷卻以後，可以形成連續的產品。這些產品包括膠管、膠片、各種異型剖面製品等。
押出機是押出成型的最重要設備，一般可以分為單螺桿式和雙螺桿式2種。
螺桿是押出機的最重要元件，高分子材料從供料筒進入螺桿後，先到達進料段，再經由押出機的加熱系統與螺桿的運轉輸送，進入壓縮段，高分子材料在這一個區段中已經逐漸熔融變成熔融態。然後，再經由螺桿繼續往前輸送，進入計量段，在這一區段中高分子材料已經完全熔融，並且和添加劑完全混煉均勻，螺桿把這些熔融態的塑料，穩定地傳送到模頭，經由不同設計的模頭和適當的冷卻處理，可以製造出不同形狀的押出產品。
一般來說，添加劑和高分子材料，可以在供料筒中一起加入押出機進行摻混加工。但是如果混煉不均勻，則可以利用側供料系統把添加劑調整在螺桿的其他區段中加入，只要能和高分子材料混煉均勻，做出好的產品，都是合適的加工方式。押出機是最常用來摻混不同種類高分子材料與添加劑的加工設備，利用押出機摻混好的塑料，再用其他的加工設備製造出最後成品的形狀和規格。
射出成型是把粒狀或丸狀的高分子材料加熱熔融後，經由單螺桿的輸送機制，把高分子熔體送到模頭以後，螺桿停止旋轉進料，但急速往前運動把高分子熔體射入一個空的模具中後，螺桿自動退後，並再度進行旋轉進料的動作。打入模具的高分子熔體，在高壓下冷卻固化後，形成和模穴同一形狀的成品。因此，一般的射出機與押出機有相似的螺桿設計。
有時為了使高分子材料與添加劑達到更佳的混煉效果，可以先利用單螺桿或雙螺桿押出機，把高分子材料和添加劑加熱熔融摻混、冷卻製造成顆粒後，再用適當的射出成型機把摻混好的粒狀塑料射出形成所需要的產品。
在高分子加工的領域裡，螺桿是非常重要的關鍵裝置。無論押出、射出或中空成形，用錯螺桿就無法製造出好的產品，即使勉強具有產品形狀，物理性質與機械性質也很難達到要求。因此螺桿的設計非常重要，從早期一體成型的螺桿，演變到現在可以拆卸重新組裝積木式的螺桿，顯示高分子加工的研究人員對於螺桿設計的注重，而螺桿表面的螺紋設計更是非常多樣化。目前研究人員可以依照不同的高分子材料，設計出適合的螺桿，以達到最佳的混煉效果。
高分子材料的發展趨勢
目前，有許多的研究人員持續投入高分子材料的研究，並拓展它的應用領域，而高分子材料未來的發展趨勢，可以歸納為以下幾項。
首先是藉由基因改造的技術，利用植物生產製備高分子所需的單體。現階段，石油是所有人工合成高分子單體的主要來源，原因是價格比較便宜。但是，原油的供應也會有枯竭的一天。因此，利用植物種出單體或是開發出其他具經濟競爭力的替代原料，是一大熱門課題。
其次是藉由精準的分子設計，結合奈米技術，製備出具有特殊功能的高分子材料，例如高性能高分子材料、光顯示用高分子材料、光記憶用高分子材料、線性和非線性高分子材料、省能源及環保用高分子材料與醫學用高分子材料等。
此外，近30年來，全世界高分子相關的研究機構或廠商，並沒有開發出新的泛用纖維或橡塑膠產品，因此研發新型聚合用的觸媒，並調整聚合製程技術，才可能有突破性的進展。
近年來，奈米技術發展迅速，把奈米技術和高分子材料的加工結合，製備具特殊功能或高性能的高分子複合材料，已成為新的趨勢。材料的尺度由微米縮小到奈米，並不只是尺寸的縮小，通常嶄新而獨特的物質特性也會因為材料的奈米化而出現。如何把奈米技術應用到日常生活中的高分子材料，包括紡織品、汽車零件、保特瓶、運動鞋上的彈性體、甚至是電子材料或生醫材料等，都是未來所面臨的挑戰。如果能好好運用這一個觀念，預估會對產業有非常大的影響。
高分子材料帶給人們無限的方便與希望，但是目前許多人工合成的高分子材料，在大自然的環境中不容易分解，漸漸地造成全球環境保護的一大隱憂。因此，如何合成出對環境友善的高分子材料，也就是可以被大自然的環境所分解，或是開發一套完善的高分子材料回收技術，把高分子材料對環境的不良影響降到最低，甚至達到無污染的終極目標，也是我們未來繼續努力的方向。
從石油的開採、單體的製造到高分子材料的合成與加工技術的開發，科學家創造了許多和現代文明社會息息相關的產品。如果沒有高分子材料和相關產品的發明與應用，很難想像人類目前的生活型態會是什麼境界？因此在科學家努力創造更佳的高分子產品的時候，我們應該珍惜使用高分子的產品，並建立完善的回收機制，讓現代文明社會的進步和環境保護能相互兼顧。
