科学网—杂说生活中的碳（4）塑料等高分子材料
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2025-11-11 07:37
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杂说生活中的碳（4）塑料等高分子材料
在20世纪以前，人们所使用物体的材料，基本上都是天然材料。但是，从20世纪以来，人工合成的材料迅速充斥在我们身边。塑料就是一种人工合成的材料。在我们周围到处有塑料制品，在我们随便什么人的家里，一眼望去，很难看不到塑料制品。
从塑料两个字的字义来看，这是可塑形的材料。塑字的本义是古人用泥土捏成人的样子，就像庙里泥塑木雕的佛或菩萨一样，后来引申为抟成某一特定的形状。现在，塑料是英语plastic的意译。英语plastic源于希腊语plastikos，意为可塑造的，现在plastic指在一定的温度和压力下可塑造成形的合成有机高分子材料。
首先，它是合成材料。所谓合成材料就是通过化学方法由人工发明的自然界并不存在的材料。其次，它是有机材料，也就是主要的成分即分子的骨架是碳元素。第三，它是高分子材料。
我们知道，分子是原子组成的，而组成的方式主要是经过共价键结合起来。一般由几个到几十个原子构成的分子称为小分子。而成千个甚至几千上万个原子构成的分子称大分子，也称高分子。
高分子有天然的也有合成的。上一篇中所说的淀粉、纤维素（棉花、麻等）、蛋白质（肌肉、丝、毛等）以及橡胶等都是天然的高分子材料。塑料则是人工用化学方法合成的，过去自然界并不存在。
高分子有无机的也有有机的。淀粉、纤维素、蛋白质、橡胶等是天然的有机高分子，使它们连接起来的元素主要是碳。像石英、石膏等可以算是天然无机高分子材料，使各原子连接起来的主要元素不是碳，而是硅、氧、硫等无机元素。硅胶则是合成的无机分子材料。
塑料是一类合成有机高分子材料，有时也称合成树脂。树脂本来是指树木分泌的无定形的固态或半固态物质，如松香、大漆、琥珀等。但是，如今合成树脂即塑料一类的合成有机高分子材料用得太多，即合成树脂这个词用得非常广泛，而合成树脂常常被简称树脂，所以合成树脂“反客为主”，单单说“树脂”往往指合成树脂，而说真正的“树脂”反而要加上天然二字，称“天然树脂”。
实际上，真正的塑料制品在制成时大多会加入一定的“添加剂”。也就是说，合成树脂加上添加剂才成为塑料。但是，由于树脂是塑料中主要的成分，有时候甚至没有添加剂，所以树脂与塑料两个术语常常混称。
前面说到，塑料是指在一定的温度和压力下可塑造成形的合成有机高分子材料。有的塑料在一定的温度下塑造成形以后，提高温度，又会融化成流体或半流体，而再降温又会凝固，这些塑料称热塑性塑料。
像现在常用的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等塑料就是热塑性塑料。这些塑料或称树脂的名称往往带一个“聚”，它们的分子是线性的，即由一个又一个小分子（称单体）“手拉手”聚合起来的。
例如聚乙烯就是由乙烯聚合起来的。乙烯C2H4分子中，两个碳原子以双键的形式形成化学键，就好像两个人的两只手分别拉着，配作一对。如果存在许许多多乙烯分子，在乙烯聚合时，每一个乙烯分子的双键都变成单键，而两个碳原子又分别与另一个分子中的碳原子成键，形成一个长的碳链。这就像每一对中的两个人都撒开一只手，分别与另外一对中一个人的手拉在一起，形成一个长长的人链。这个过程称为聚合。
另一种聚合是当两个分子聚合时，需要先会丢掉一些成分。像葡萄糖聚合时，每一个葡萄糖分子都出一个羟基OH，而两个OH之间丢（缩）掉一个水分子（H2O），剩下的-O-把两个分子连接起来。这样的聚合称缩聚。
热塑性树脂一般都是经由聚合或缩聚而成的。它们的分子一般是线性的，也就是聚合成为长长的一条。而分子之间没有化学键联系。
另外一些塑料一旦成形即使提高温度也不再流动了，这种塑料称热固性塑料或热固性树脂。这些树脂在形成的时候，一般不是线性的聚合，而是形成三维的结构，即聚合时线与线之间有化学键，从而形成面，面与面之间也有化学键，形成三维的立体，有的就直接形成立体。例如酚醛树脂（俗称电木），环氧树脂，聚酯树脂等就是热固性的树脂。这些塑料即使加热也不融化，温度再高就燃烧或者分解了。
塑料中现在用得最多的是聚乙烯。不同条件（温度、压力、催化剂等）下合成的聚乙烯性质差别较大。在较低压力（例如六七个大气压）和较低的温度下，合成的条件相对缓和，从而合成的聚乙烯分子链比较长，支链较少，排列比较规整，结晶度较高，从而密度、强度、熔点比较高。这种聚乙烯被称为高密度聚乙烯，适合做管、棒、桶、瓶之类的器物。
在较高压力（几千个大气压）和较高温度下聚合的聚乙烯，其支链较多，排列不规整，难以结晶，从而密度较低，强度、熔点也低，比较柔软。这种聚乙烯被称为低密度聚乙烯，适合做薄膜、包装袋。
有些塑料是两种甚至多种单体聚合而成的。例如由 丙烯腈 - 丁二烯-苯乙烯共聚而成的塑料，被称为ABS塑料，ABS三个字母分别代表上面所说的三种单体。这种塑料是一种工程塑料 ，因为它强度大，较耐高温，流动性高，易于注塑成型复杂外形，从而常常做成各种电子仪器仪表的外壳。我们一般家用电视机和其他许多家用电器的外壳都是这种塑料的 。
塑料只是合成有机高分子材料之一。有些合成有机高分子材料可以被抽丝，也就是抽拉成纤维状，从而纺纱织布，或纺纱作“绳索”，这些合成有机高分子材料被称为合成纤维。
几十年来，合成纤维改变了人类的衣着完全依靠棉、麻、丝等天然纤维的历史，基本上解决了人类的穿衣问题，现在不论何处都难以找到衣不蔽体的人了。
虽然现在最重要的合成纤维仍然是涤纶、锦纶、丙纶、氯纶、氨纶等，但是经过几十年的努力，如今合成纤维的很多性状都得到了非常大的改善。有些新型的合成纤维材料在吸水性和透气性方面已经不次于甚至超过天然纤维。这里，既有材料设计的改善，也有纤维形状及纺织技术方面的改进。
在这一点上，我们的认识也应当跟上科学技术方面的进步，不能一味用几十年前的老经验看待如今的合成纤维织品。
另一类合成有机高分子材料是合成橡胶。橡胶是高弹性的高分子材料。天然橡胶的化学成分主要是聚异戊二烯。现在合成橡胶占全世界橡胶产量的百分之八十多，主要品种有丁苯橡胶、顺丁橡胶等。丁苯橡胶是由丁二烯和苯乙烯混合聚合而成。顺丁橡胶则由丁二烯聚合而成。
当然，除了合成树脂（塑料）、合成纤维和合成橡胶这三大类高分子材料之外，还有许多新型的合成有机高分子材料。例如现在许多家庭用的纸尿裤的主要原料就是高吸水性高分子。这是一类能吸收自身重量数百倍至数千倍水分的功能高分子材料，其三维交联网络结构中含有羟基、羧基等亲水基团，通过渗透压差实现高效吸水。这是需求量增长很快的高分子材料。2021年我国高吸水性树脂的产量约106.6万吨，2022年就增长至114.92万吨 。
随着合成有机高分子材料的普遍应用，这些高分子材料也给我们的生活环境带来一定的压力。由于人类合成了这些有机化合物，而且增长很快，而自然界可以分解这些有机化合物的微生物却不可能进化得这么快。因而一些高分子材料残留在环境中，难以分解，一些流失到海洋中，给海洋生物带来危害。
一些塑料、合成纤维、合成橡胶或其他合成有机高分子材料的碎片会停留在环境特别是水体中，人们往往称呼它们为微塑料。
绝大多数微塑料被人们摄入后并不吸收，直接通过消化道排出体外，但是也有一些非常微小的微塑料能够被吸收进入人体。应当承认，现在人们对于微塑料进入人体后能够产生多少作用特别是多少不良作用的研究还是很不够的。现在这方面的大多数研究似乎都比较粗糙，都是胡子眉毛一把抓，只是说存在微塑料，而不能细分究竟是哪种高分子的分子团起到哪些作用或哪些不良作用，所以，这方面的研究还是有很长的路要走。
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