第一節 聚合物的結構

科學家能夠從微觀的角度出發理解事物,解釋(或推測)宏觀世界的現象或物件的特性。

譬如說,從微觀的角度看,鐵原子與鐵原子之間有強大的金屬鍵把它們連繫起來,緊靠在一起。因此,在宏觀世界中,鐵塊(由無數的鐵原子組成)十分堅硬,可以用來製成各種用具。

鐵可用來製成鐵管

同理,當我們要理解(或推測)聚合物的物理性質時,也可從微觀的角度出發,先分析聚合物分子的結構

一般而言,聚合物的性質主要取決於聚合物鏈之間的分子間引力,而聚合物鏈之間的分子間引力主要取決於聚合物分子的碳鏈長度和官能基

碳鏈愈長,分子間引力愈大;極性官能基亦能加強分子間引力。

碳鏈較長而且擁有極性官能基的聚合物分子

聚合物是由一些化學性質相近和結構相似的巨大分子湊合而成,亦即聚合物是由一些分子式很相似的巨大分子湊合而成。

從化學意義角度看,聚合物並不擁有十分明確的分子式,沒有明確的分子量。因此,它們沒有很準確的物理性質,例如沸點、熔點和密度。

當我們描述聚合物的物理性質時,通常會以較寬廣的範圍來描述,例如某聚合物的分子量是 \(4000\) 至 \(40000\)。

日常生活中的聚乙烯製品主要有 \(2\) 類:由低密度聚乙烯(LDPE)製成和高密度聚乙烯 (HDPE) 製成。

在塑膠物件的某些角落可能會標明它的成分。

編碼 縮寫 塑膠
HDPE 高密度聚乙烯
LDPE 低密度聚乙烯
聚乙烯塑膠的縮寫以及其編碼

低密度聚乙烯的聚合物鏈較短,而且含支鏈(大約每 \(1000\) 個碳鏈長度便有 \(20\) 條支鏈)。

由於低密度聚乙烯的聚合物鏈含支鏈,分子與分子之間的排列變得不規律,聚合物鏈難以緊密排列,導致低密度聚乙烯的分子間引力大大減弱,所以它較為柔軟和密度較低。

低密度聚乙烯的聚合物鏈含支鏈

高密度聚乙烯的聚合物鏈較長,而且不含支鏈,這樣令分子與分子之間的排列變得規律且緊密,大大提升高密度聚乙烯的分子間引力,所以它較為堅硬和密度較高。

高密度聚乙烯的聚合物鏈不含支鏈

尼龍和凱庫勒的聚合物鏈子有一個共通點--它們都含有 \(\text{N}-\text{H}\) 基團和 \(\text{C}=\text{O}\) 基團。

尼龍和凱庫勒都有 \(\text{N}-\text{H}\) 和 \(\text{C}=\text{O}\) 基團

由於尼龍和凱庫勒的聚合物鏈子都含有 \(\text{N}-\text{H}\) 基團和 \(\text{C}=\text{O}\) 基團,它們的聚合物鏈子之間很容易產生氫鍵,這使聚合物鏈子之間的連繫更緊密,排列更有規律,因此它們都是具有較高強度的聚合物。

尼龍和凱庫勒的排列

尼龍\(-6,6\) 和凱庫勒的分別在於 \(\text{N}-\text{H}\) 基團和 \(\text{C}=\text{O}\) 基團之間的碳鏈結構--尼龍聚合物的碳鏈是 \(\ce{-CH2-CH2 -}\);凱庫勒聚合物的碳鏈是苯環。

尼龍聚合物鏈只含單鍵,這些單鍵可自由旋轉,因此尼龍聚合物比較柔韌。

凱庫勒聚合物鏈含有苯環,這比\(\ce{-CH2-CH2 -}\)的結構欠缺彈性,因此凱庫勒聚合物比較剛挺。

尼龍和凱庫勒的碳鏈

天然橡膠是天然的聚合物,可用來製造多種用品,如汽車的輪胎、墊圈和橡皮擦。

汽車的輪胎是天然橡膠製品

天然橡膠可以人工合成,也可以從一些植物的樹汁中獲得。

天然橡膠種植在東南亞地區如馬來西亞、印尼和泰國等,屬重要的經濟產業。

天然橡膠可從橡樹的膠漿獲取

天然橡膠的單體是

我們可透過 \(2-\)甲基丁\(-1,3-\)二烯的加成聚合反應生成天然橡膠。

跟其他加成聚合物如聚乙烯相似。天然橡膠是沒有彈性的物料,為甚麼我們常用的橡膠圈卻富於彈性呢?

因為當橡膠與硫一起加熱時會產生硫化作用,

1. 天然橡膠的重複單位中有 \(\text{C}=\text{C}\)

當硫分子 (\(\rm{S}_8\)) 與天然橡膠一同加熱時,硫分子會被拆散為不同長度的碎片,並與天然橡膠中的 \(\text{C}=\text{C}\) 鍵反應,生成交鍵。

天然橡膠聚合物鏈子就會交織在一起,鏈子被拉扯時不能隨便滑動,當拉力消失,它便回復原來的樣子。

當聚合物鏈子中的交鍵數目愈多,則會生成較堅硬和強度較高的橡膠產物如輪胎;當聚合物鏈子中的交鍵數目愈少,則會生成較柔軟和強度較低的橡膠產物如橡膠圈。

塑膠是十分耐用的物料,但當塑膠物料被棄置時,這個特性就成了一個問題——即使塑膠物料被埋在堆填區數十年,它們還是會保持原來的形態,不會被分解,導致堆填區的廢物愈來愈多,構成環境問題。

因此科學家就研發一些被棄置後能夠被環境分解成無害物質的塑膠,這成就可降解塑膠出現的源起。

現今可降解塑膠主要循兩個方向發展:

  1. 在石油化工產品加入添加劑來製造塑膠

  2. 從植物中獲得製造塑膠的物料

從製造成本考慮,在石油化工產品中加入添加劑是比較便宜的做法,而且能應付龐大的生產需求。但從植物中獲得製造塑膠物料的方法是較為理想,主要原因是這些單體分子及由其所生成的聚合物都是可被微生物分解,換句話說,它們都是生物可降解的。

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