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千變萬化的塑膠

何謂塑膠

塑膠,是由人工聚合而成的高分子碳氫化合物。就如同澱粉、蛋白質等天然高分子是由許多相同小分子(如葡萄糖、胺基酸)所結合而成的,這些人工聚合而成的高分子,也是由許多相同小分子所結合起來的;這些小分子,稱為塑膠的「單體」(monomer)。有些塑膠只有一種單體,有些塑膠則有兩種或兩種以上的單體。

通常,塑膠的名稱,是根據其單體來命名,比如,以乙烯為單體的聚合物,就叫作「聚乙烯」(polyethylene);以丙烯為單體的聚合物,就叫作「聚丙烯」(polypropylene)。以乙烯、丙烯兩種單體共同聚合而成的塑膠,就叫作「乙烯丙烯共聚物」( poly(propylene-co-ethylene))。

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千面塑膠

塑膠的特性千變萬化,因為工程師們可透過許多方式改變塑膠的物理化學性質,比如:

  • 分子量:塑膠並不像氧氣、碳酸鈣等有固定的分子量,因為它的單體數目是不固定的,有的塑膠分子可能只有幾百個單體,有的則可能達到數千個以上。當塑膠分子量愈高,分子活動能力跟著降低,呈現於巨觀下的現象則是硬度等機械性能提高。另外,分子量的分佈範圍,也會影響塑膠的特性。
  • 官能基:單體上的官能基,可能是極性的(比如聚氯乙烯的氯),可能是非極性的(比如聚丙烯的甲基),這會影響分子間的作用力;這些官能基體型大小、占有空間也不一,這會影響分子間的空隙以及活動能力。因此官能基會影響聚合物的熱塑性、硬度、張力、結晶度、是否易碎裂等等物理性質。
  • 支鏈的數量與長度:長鏈狀的塑膠分子若是有許多支鏈,則分子間的距離會較沒有支鏈的分子來得大,分子活動的空間也比較大,分子的排列較不容易規整,呈現於巨觀的現象則是柔軟度提高、密度與結晶度降低。這也是「低密度聚乙烯」(LDPE)與「高密度聚乙烯」(HDPE)的差異所在。
  • 加工處理方式:在加工時,透過定向拉伸,可讓眾分子順著施力方向規整排列,降低分子間的空隙,改善塑膠的機械性能,比如「雙軸拉伸聚丙烯」(BOPP);通入氣體發泡,可讓分子間空隙變大,密度降低,讓塑膠變得更輕但易碎,但隔熱效果也因為材質中充滿空氣而變得更好,比如保麗龍。
  • 添加或摻配:透過各種不同的添加劑或摻雜其他聚合物,塑膠性質也會進一步改變。比如塑化劑,通常是一種可以和其所要添加的塑膠相容,但分子量遠較塑膠分子為小、在常溫下為液體的化合物。塑化劑可擴大塑膠分子之間的距離,提高塑膠分子的活動能力,因此可讓硬質塑膠變成軟質塑膠。又如把兩種相容的塑膠摻配,也可以截長補短,或產生意想不到的效果,比如玻璃轉移溫度較高(Tg=215°C)、不易加工處理的聚苯醚(PPE),如果摻混玻璃轉移溫度較低(Tg=100°C)的聚苯乙烯,就可以降低其加工處理溫度,同時增加對抗紫外線的穩定性。
  • 共聚合:透過共聚合的方式,可以把不同種類的塑膠單體,以化學鍵結合起來,達到改善塑膠特性的目的。比如把苯乙烯、丙烯腈、聚丁二烯進行共聚合反應,即可得到ABS共聚物:這個過程使得聚丁二烯的長鏈分子和許多苯乙烯-丙烯腈共聚物的短鏈分子交聯起來。而這三種單體,賦予ABS共聚物許多優點:丙烯腈使這個共聚物耐化學腐蝕,具有一定的表面硬度;丁二烯使這個共聚物具橡膠韌性;苯乙烯使聚合物具有剛性和流動性。

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