第一章 绪论
第一节 高分子材料的基本概念和主要品种
一、概述［1-3］
高分子材料又称聚合物材料。所谓聚合物（polymer）或高分子化合物（macromolecule compound， macromolecule），系指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子质量在1万以上的化合物。高分子材料（polymer materials）是以高分子化合物为基体组分的材料。虽然一些高分子材料仅由高分子化合物组成，但大多数高分子材料，除基本组分高分子化合物之外，为获得具有各种实用性能或改善其成型加工性能，一般还有各种添加剂。严格地讲，高分子材料与高分子化合物的含义是有区别的。
高分子材料的分类是个比较复杂的问题。按高分子的来源，可分为天然高分子材料（natural polymer materials）和合成高分子材料（synthetic polymer materials）。按化学组成，可分为有机高分子材料（organic polymer materials）和无机高分子材料（inorganic polymer materials）。按照材料的性能，可分为通用高分子材料（general purpose polymer materials）和新型高分子材料（advanced polymer materials）。通用高分子材料是指量大、产值高、涉及面广泛、性能一般的高分子材料。它们属于传统材料，并广泛应用于人类的衣食住行，是很多支柱产业的基础，所以又称为基础材料。新型高分子材料也称先进高分子材料，是指那些正在发展，且具有通用高分子材料所不具备的优异性能和应用前景的一类高分子材料。这些材料用量少，具专一性，附加价值高，已经成为能源、生物、医药、信息和国防等高新技术发展与进步不可或缺的基石，正影响和改变着人类的生活质量和生活方式。
以下简单介绍通用高分子材料和新型高分子材料的主要种类和基本概念。
二、通用高分子材料的主要种类和概念［2-12］
通用高分子材料包括纤维（fiber）、塑料（plastics）、橡胶（ rubber ）、胶黏剂（adhesive ）和涂料（coating ）等几大类。
1.纤维 一般认为，纤维是一种细长形状的物体，其长度对其最大平均横向尺寸比，至少为10∶1，其截面积小于0.05mm2，宽度小于0.25mm。作为组成织物的基本单元，纺织用纤维的直径一般为几微米至几十微米，长度与直径之比一般大于1000∶1[1]，还应具有一定的柔曲性、强度、模量、伸长和弹性等。
随着纤维制备技术的进步和用途拓宽，其定义也在不断变化。一方面，一些一维尺度的材料也经常以纤维命名，例如纳米纤维。最细的碳纳米管直径小于1nm，长度可达数微米，长径比达千倍以上，也属于纤维范围。另一方面，一些作为结构材料的纤维，对于长径比、柔曲性等的要求已没有纺织纤维那么严格。
纤维的种类有许多，其分类方法按不同的基准有多种。按原料来源不同，纤维可分为两大类，一类是天然纤维（natural fiber），另一类是化学纤维（manufactured fiber，man-made fiber，chemical fiber）。化学纤维又可分为人造纤维（artificial fiber）和合成纤维（synthetic fiber）两大类，如图1-1所示。
图1-1 化学纤维按原料分类［7］
除按原料分类外，化学纤维还可进行如下分类。按组分的数量不同，可分为单组分纤维（monocomponent fiber）和双组分纤维（bicomponent fiber）或多组分纤维（multicomponent fiber）；按长度不同，可分为长丝（continuous filament）、短纤维（staple，staple fiber）、短切纤维（short cut fiber）和纤条体（fibrids，fibrid fiber）等；按直径不同，可分为常规纤维、粗旦纤维（high-diner fiber）和细旦纤维（fine-diner fiber）；按纤维截面形状不同，可分为圆形纤维和异形纤维（shaped fiber，profiled fiber）；根据表面和纵向的形状及形态不同，可以分成直丝（flat， yarn）、变形丝（变形纱）（textured filament，textured yarn）、网络纱（交络纱）（interlaced yarn）、卷曲纤维（crimped fiber）、花丝（slub yarn）和薄膜纤维（film fiber）等许多种类。
2.塑料 塑料是以高分子化合物为主要成分，在一定条件下可加工成一定形状并且在常温下保持其形状不变的材料。其成品状态为柔韧性或刚性固体，习惯上也包括塑料的半成品，如压塑粉等。
塑料的种类很多。根据原料来源，塑料可分为合成塑料（synthetic plastics）和半合成塑料（semi-synthetic plastics）。根据塑料的热可塑性不同，塑料可分为热塑性塑料（thermoplastics，thermoplastic plastics）和热固性塑料（thermoset， thermoset plastics）。热塑性塑料主要有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯（包括ABS树脂）、聚丁烯、氯化聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、纤维素等塑料。热固性塑料主要有酚醛塑料、氨基塑料、呋喃塑料、环氧树脂、不饱和聚酯塑料和有机硅塑料等。按使用性不同，塑料可分为通用塑料（general purpose plastics）和工程塑料（engineering plastics）。工程塑料又分为通用工程塑料和特种工程塑料。目前，通用塑料和通用工程塑料之间的界限越来越模糊。特种工程塑料属于特种高分子材料。工程塑料的分类如图1-2所示。
图1-2 工程塑料的分类［9］
3.橡胶 橡胶是有机高分子弹性化合物，在很宽的温度（-50～150℃）范围内具有优异的弹性，所以又称为高弹体。
橡胶的种类很多。根据原料来源，橡胶可分为天然橡胶（natural rubber）和合成橡胶（synthetic rubber）两类。合成橡胶按用途可分为通用合成橡胶（general purpose synthetic rubber）和特种合成橡胶（speciality synthetic rubber）。特种合成橡胶属于特种高分子材料。
天然橡胶是从天然植物中采集出来的一种乳白色液体，经加工制成的高弹性材料，天然橡胶的主要成分橡胶烃是异戊二烯的聚合物。通用合成橡胶主要有聚丁二烯橡胶、聚异戊二烯橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚异丁烯橡胶和乙丙橡胶等。
4.胶黏剂 能把各种材料紧密地结合在一起的物质，称为胶黏剂，又称黏合剂。
胶黏剂通常由几种材料配制而成，这些材料按其作用不同，一般分为主体材料和辅助材料两大类。胶黏剂品种繁多。按照胶黏剂主体材料的来源，可分为天然胶黏剂（natural adhesive）和合成胶黏剂（synthetic adhesive）两类（图1-3）。按照黏结度特性，可分为结构胶黏剂（structure adhesive）、非结构胶黏剂（non-structure adhesive）和次结构胶黏剂（secondary structure adhesive）三类。
图1-3 胶黏剂的分类［2］
5.涂料 涂料是指涂布在物体表面能形成具有保护和装饰作用膜层的材料。过去，由于涂料都是用植物油和天然树脂熬炼而成，其作用又同我国的生漆差不多，因此一直被叫作油漆（oil paint）。涂料种类繁多，命名也很混乱，从涂料的发展而言，最早出现的是清油和厚漆。根据施工层次，涂料可分为泥子、底漆、罩光漆等不同品种；根据所用的分散介质，涂料可分为溶剂型和水溶型；根据漆膜光泽的强弱，人们又把涂料分成无光、半光（平光）、有光等品种；根据使用的场合可分成内用和外用；根据用途又可分为防锈漆、绝缘漆、地板漆、机床漆、美术漆等；有些是以施工方法命名的，如喷漆、电镀漆、烘漆、自干漆；还有的从音译来命名，如万能漆、可丁漆、永明漆等。
目前看来，按主要成膜物来进行分类和命名是一种比较科学的方法，根据这种分类方法，可以将涂料分为油性涂料、天然树脂涂料、沥青涂料、醇酸树脂涂料、酚醛树脂涂料、氨基树脂涂料、硝基涂料、纤维素涂料、过氯乙烯涂料、乙烯树脂涂料、丙烯酸树脂涂料、聚酯树脂涂料、环氧树脂涂料、氨基甲酸酯涂料、元素有机涂料、橡胶涂料及其他涂料等十几大类。在这十几类涂料中，以植物油和天然树脂为主要原料的统称为油性涂料；采用合成材料作原料的比重较大，有的甚至完全以合成树脂作为其主要成膜物质，此类涂料统称为合成树脂类漆。
三、新型高分子材料的主要种类和概念［5，9，13-17］
新型高分子材料包括高性能高分子材料（high-performance polymer materials）、功能高分子材料（functional polymer materials）、智能高分子材料（intelligent polymer materials）和生态高分子材料（eco-polymer materials）等种类。
1.高性能高分子材料 高性能高分子材料是指材料的机械性能、耐热性、耐久性、耐腐蚀性等性能有较大提高的高分子材料。主要的高性能高分子材料包括以下三大类。（1）特种工程塑料（高性能塑料）。其主要品种已示于图1-2中。（2）特种合成橡胶。包括氟橡胶、硅橡胶、聚醚橡胶、氯化聚乙烯、聚硫橡胶、氟硫化聚乙烯橡胶（CSM）、丙烯酸酯橡胶、聚氨酯橡胶（PUE）、氯氧化橡胶（CPE）和氯醇橡胶等。（3）高性能纤维。包括高强高模合成纤维及其他特种合成纤维，主要品种如图1-4所示。
图1-4 高性能纤维主要品种
2.功能高分子材料 功能高分子是指在高分子的主链或侧链上具有反应性能官能团，因而具有特定功能的高分子。功能高分子材料是指与常规高分子材料相比具有明显不同的性质，并具有某些特殊功能的高分子材料。功能高分子材料从组成和结构上可分为两大类：结构型和复合型。结构型功能高分子材料可以仅由功能高分子组成。复合型功能高分子材料可以以普通高分子为基体或载体，与具有某些特定功能的其他材料进行复合而制得。功能高分子材料从作用机理上可分为两大类：一类是对外界或内部的刺激强度，如应力、应变、光、电、磁、热、湿、化学、生物化学和辐射等具有感知功能的材料，称为“感知材料”，可以用来制成各种传感器（感应器）；另一类是对外界环境条件或内部状态发生的变化做出响应或驱动的材料，称为“驱动材料”，可以用来做成各种执行器（动作器）。
功能高分子材料的研究，从离子交换发展到电子交换，又发展到各种高分子分离膜和高分子吸附剂；从电绝缘体扩展到半导体、导体，甚至超导体；由电性能扩展到光、磁、声、热、力等性能；从化学、物理性能扩展到生物性能。目前世界上研究开发的功能高分子材料可谓日新月异，大致可以概括为表1-1中的几类。
表1-1 功能高分子材料的分类
3.智能高分子材料 智能高分子材料是指能随着外部条件的变化，而进行相应动作的高分子材料。智能高分子材料必须具备能感应外部刺激的感应器功能、能进行实际操作的动作器功能以及得到感应器的信号后而使动作器动作的过程器功能。智能高分子材料既属于高分子材料的范畴，又属于智能材料的范畴。
智能高分子材料来源于功能高分子材料，但又与传统的功能高分子材料不同。对于功能高分子材料，不管是“感知材料”还是“驱动材料”，它们通常只能像奴隶一样机械地进行输入/输出的响应，因此是一种被动性材料。机敏高分子材料（smart polymer materials）则兼具感知和驱动的功能。但机敏高分子材料自身不具备信息处理和反馈机制，不具备顺应环境的自适应性。科学家把仿生功能引入高分子材料，使高分子材料达到更高的层次，从无生命变得有了“感觉”和“知觉”；并赋予材料崭新的使命，使它可以主动地针对一定范围内花样繁多、种类各异的输入信号进行判断，并决定输出什么以应对之，即能自动适应表1-2所列的环境变化，不仅能够发现问题，而且还能自行解决问题。这类主动性新型高分子材料，才是真正意义上的智能高分子材料。
表1-2虽然没有列出生物刺激因素（例如各种细菌、真菌、藻类和病毒），但它们也能在特定的条件下对特定的高分子材料发生有效的刺激。
表1-2 环境介质［16］
4.生态高分子材料 生态高分子材料与其他新型高分子材料的区分不是其性能，而是其与环境的关系。由于高分子材料生产过程对环境造成一定的污染，而且现有的合成高分子材料以不可再生的石油资源为基础，其大部分废弃物不可降解，因此研究开发资源可再生、生产过程清洁、废弃物可降解的生态高分子材料，符合可持续发展的要求，成为国际研究开发的热点。
由于在环境方面与大部分合成高分子材料相比具有优良的生物降解性，降解产物的环境友好性、清洁性，以及与石油基高分子来源相比具有可再生、可持续开发的特点，下面几种高分子材料已成为重要的生态高分子材料而吸引了全世界科学家的目光。
（1）多糖。如纤维素（包括细菌纤维素）、甲壳素、海藻酸、淀粉和黄原胶。
（2）蛋白质。如大豆蛋白、明胶、胶原蛋白、蜘蛛蛋白。
（3）核酸。如核糖核酸和脱氧核糖核酸。
（4）脂肪族聚酯。如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）。
（5）聚氨基酸。
（6）聚硫酯。
（7）聚异戊二烯。如天然橡胶或古塔波胶。
（8）聚酚。如木质素和腐殖酸。