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創造無限可能的高分子材料

高分子也稱為聚合物,不論是穿的混紡衣服、裝東西的塑膠袋、汽車的輪胎和保險桿、精密的電子材料、甚至人工骨頭等,都與高分子材料相關。人類的生活已經與高分子材料密不可分。
 
 
 
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。
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