探索丨生活中不可思议的塑料

在当今时代，塑料已成为人们生活中不可或缺的一部分，从日常用品到工业设备，从建筑材料到航空航天领域，塑料的身影无处不在。它以其质轻、耐用、成本低、可塑性强等诸多优点，极大地改变了人们的生活方式和生产模式。然而，塑料并非单一的品种，而是一个庞大的家族，不同类型的塑料具有各自独特的特性，这些特性决定了它们在不同领域的应用。

▏塑料的基础知识

一、塑料的定义与分类

塑料是以高分子合成树脂为主要成分，在特定条件下（加热、加压）可塑制成型，并在常温下保持固定形状的有机高分子材料。其主要成分树脂决定了塑料的基本性能，同时，为了改善塑料的某些性能，还会添加增塑剂、填充剂、润滑剂、着色剂等辅助成分。

按照受热行为，塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料加热时软化熔融，冷却后硬化定型，这一过程可反复进行，常见的有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。它们成型工艺简单，能够连续化生产，且具有较高的机械强度。而热固性塑料在加热初期软化具有可塑性，但在热或固化剂作用下会发生不可逆的化学交联反应，从而固化定型，此后再加热也不会软化变形，如酚醛树脂、环氧树脂等。这类塑料成型工艺相对复杂，连续化生产存在一定困难，不过其耐热性好、不易变形。

根据应用范围和性能，塑料又可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料产量大、用途广、价格低，像聚乙烯常用于塑料袋、塑料薄膜的制造；聚丙烯用于餐具、玩具等产品；聚苯乙烯常见于泡沫塑料、一次性餐具；聚氯乙烯多用于管道、电线外皮；酚醛塑料和氨基塑料在一些日用品和建筑领域也有应用。工程塑料则具有较高的机械性能和耐热性，能承受一定外力作用，尺寸稳定性较好，可作为工程结构材料，如聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）等，常用于汽车、电子、机械等对材料性能要求较高的领域。特种塑料具有特殊功能，适用于航空、航天等特殊应用场景，如氟塑料（如聚四氟乙烯）具有突出的耐高温、自润滑等特性；增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能。

二、塑料的发展历程

19世纪中叶，随着工业革命的推进，人们对新材料的需求日益增长，塑料应运而生。1869年，美国人J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质，热压下可成型为塑料制品，他将其命名为赛璐珞。1872年，赛璐珞在美国纽瓦克建厂生产，最初用作象牙代用品，后来被加工成马车和汽车的风挡、电影胶片等，开创了塑料工业，同时也发展了模压成型技术。尽管赛璐珞存在易燃等缺点，但它的出现标志着人类开始进入塑料时代。

20世纪初，塑料工业迎来了重要的发展阶段。1909年，美国人L.H.贝克兰取得了第一个热固性树脂──酚醛树脂的专利权。在酚醛树脂中加入填料后，可热压制成模压制品、层压板、涂料和胶粘剂等，这是第一个完全合成的塑料。1910年，通用酚醛树脂公司在柏林吕格斯工厂建立并进行生产，在40年代以前，酚醛塑料是最主要的塑料品种，约占塑料产量的2/3，广泛应用于电器、仪表、机械和汽车工业。这一时期，化学工业的迅速发展为塑料工业提供了多种聚合单体和其他原料，同时德国化学家Н.施陶丁格提出的高分子链理论和美国化学家W.H.卡罗瑟斯提出的缩聚理论，为高分子化学和塑料工业的发展奠定了坚实的理论基础。此后，一系列新的塑料品种相继被发明并投入工业生产，如1928年英国氰氨公司投入工业生产的脲醛树脂；1930年德国法本公司用本体聚合法生产的聚苯乙烯；1931年美国罗姆-哈斯公司以本体法生产的聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）；1931年德国法本公司用乳液法生产的聚氯乙烯，以及1941年美国开发的悬浮法生产聚氯乙烯的技术等。

第二次世界大战期间，对塑料的需求急剧增加，推动了塑料工业的快速发展。战后，随着经济的复苏和人们生活水平的提高，塑料的应用范围进一步扩大，进入了大发展阶段。从40年代中期开始，聚酯、有机硅树脂、氟树脂、环氧树脂、聚氨酯等陆续投入工业生产。特别是50年代以后，聚烯烃塑料得到了迅猛发展。1953年，联邦德国K.齐格勒用烷基铝和四氯化钛作催化剂，使乙烯在低压下制成为高密度聚乙烯，1955年联邦德国赫司特公司首先实现工业化。不久，意大利人G.纳塔发明了聚丙烯，1957年意大利蒙特卡蒂尼公司首先工业生产。70年代，又有聚1-丁烯和聚4-甲基-1-戊烯投入生产，形成了世界上产量最大的聚烯烃塑料系列。同时，这一时期还出现了多品种高性能的工程塑料，如聚甲醛、聚碳酸酯、ABS树脂、聚苯醚、聚酰亚胺等。

进入21世纪，随着人们环保意识的增强和可持续发展理念的深入人心，塑料工业面临着新的挑战和机遇。一方面，传统塑料的大量使用带来了严重的环境问题，促使人们加大对可降解塑料的研发和应用力度。聚乳酸（PLA）等可降解塑料应运而生，它们在自然环境中能够被微生物分解，减少了对环境的危害。另一方面，随着科技的不断进步，塑料的性能不断提升，应用领域也在不断拓展。在航空航天领域，高性能的塑料材料如聚醚醚酮（PEEK）、聚苯并咪唑（PBI）等。同时，纳米技术、3D打印技术等新兴技术与塑料的结合，也为塑料的发展开辟了新的道路。例如，通过纳米技术对塑料进行改性，可以显著提高其力学性能、阻隔性能和阻燃性能；3D打印技术则可以实现塑料的个性化定制和复杂结构的制造。

▏各类神奇的塑料

一、最耐冲击的塑料-PC聚碳酸酯

聚碳酸酯，简称PC，是分子链重复单元中含有碳酸酯基重复单元的一类聚合物，主要指芳香族聚碳酸酯，即双酚A型聚碳酸酯。其基本化学结构是通过二元酸与二元醇进行缩合反应形成的碳酸酯骨架单元。在聚合反应过程中，通过加入少量的含芳香基的化合物，可以增强聚碳酸酯的耐热性和机械性能。此外，还可以通过添加阻燃剂、增塑剂等助剂来改善聚碳酸酯的性能。

PC聚碳酸酯具有一系列优异的特性。它具有优良的透明性，透光率为87%-91%，折射率为1.587，外观为透明的无色或微黄色强韧固体，无味、无毒。在机械性能方面，PC具有均衡的刚性和韧性，杨氏模量2.0-2.5GPa，拉伸强度60-70MPa，断裂伸长率30%-130%。其使用温度范围较宽，可在-60-130℃内长期使用。此外，PC还具有较好的电绝缘性，可在很宽的温度和潮湿的条件下保持良好的电绝缘性；常温下不与水、盐、弱酸、饱和溴化钾溶液、脂肪烃类、油类、醇类等作用，有机溶剂可使其溶解，碱类可使其水解。

凭借这些优异的性能，PC聚碳酸酯在众多领域得到了广泛应用。在电子电器领域，由于其电绝缘性和尺寸稳定性，常用于制造绝缘接插件、线圈框架、手机外壳等。在汽车工业中，PC可用于生产车灯、仪表板、保险杠等零部件，因其具有良好的强度和耐候性，还能替代玻璃以减轻重量。在建筑与光学领域，PC作为透光板材用于建筑幕墙、温室，或用于DVD光盘、透镜等；其制成的聚碳酸酯中空阳光板、中空筋双壁板等，也是建筑领域常见的材料。此外，在塑料制品方面，如水桶、行李箱、奶瓶等日用产品也常使用PC材料。在医疗领域，PC可用于制造耐高压蒸汽消毒的医疗手术器械、杯、筒、牙科器械、药品容器等，甚至还可被用于制作人工肾、人工肺等人工脏器。

二、最硬的塑料-PPS聚苯硫醚

聚苯硫醚，简称PPS，是一种半结晶性热塑性工程塑料，由苯环与硫原子交替连接，构成了分子主链。这种独特的结构，使其具有刚性与稳定性的组合。PPS是由对二氯苯和硫化钠在极性溶剂中聚合而成，其结构规整，拥有较高的结晶度，同时苯环为PPS提供良好的刚性和耐热性，而硫醚键赋予PPS一定的柔顺性。

PPS具有众多突出性能。其耐热老化性良好，在200℃下暴露1000小时之后，依然能够维持80%及以上的机械强度。化学稳定性上，PPS耐受酸碱以及有机溶剂（例如汽油、乙醇），只是在浓硫酸、浓硝酸等强氧化性介质当中，会较为缓慢地发生腐蚀，且在高温且高压的蒸汽环境中，性能也非常稳定。机械性能表现出色，纯的PPS材料，其弯曲模量约为3.8GPa，而经玻璃纤维增强之后（如 PPSGF40），则可达到12-15GPa，此数值已接近铝合金的水平。

由于这些优良特性，PPS在多个领域发挥着重要作用。在电子电器领域，因其耐高温性，可用于半导体封装，为芯片提供防护，让其免遭焊接热应力所引发的损害；凭借低吸湿性，在潮湿环境下可以确保信号传输的稳定性，可应用于5G基站和智能手机的高频连接器。在汽车工业中，能用于制造在220℃高温环境下工作的发动机部件，如涡轮增压器壳体、喷油嘴等，可替代金属，并实现减重40%，在电动车充电桩的绝缘部件、电池模组支架等高阻燃需求的部位也有应用。在航空航天领域，PPS材料密度为1.34g/cm³，在飞机内饰支架、卫星天线罩等轻量化需求的细分领域可以推广使用，且因其可以耐受宇宙射线和极端温差，还可用于航天器电路板基材。在环保与化工领域，PPS可用于制造输送浓盐酸、有机溶剂的化工管道，其使用寿命是不锈钢的2倍，燃煤电厂的PPS覆膜滤袋，可以耐受190℃烟气腐蚀，捕集效率>99.9%。

三、最耐高温的塑料-PBI聚苯并咪唑

聚苯并咪唑，简称PBI，是主链含重复苯并咪唑环的一类聚合物，由芳族四胺和脂族或芳族二羧酸酯制备，结构中式中R为烷基碳链，Ar为芳香环结构。聚烷基苯并咪唑的密度、玻璃化温度与全芳族聚苯并咪唑有所不同，全芳族聚苯并咪唑的玻璃化温度比聚烷基苯并咪唑高。

PBI最突出的优点是瞬间耐高温性，其分子主链的梯形结构中，苯环和苯并咪唑的刚性极强，且咪唑环上的N-H形成的分子间氢键增强了分子间作用力，这让它热分解温度超600℃，热变形温度达435℃，玻璃化转变温度为427℃。它能在371℃的环境中长期工作且保持原有强度，短期可耐受500℃高温，即便处于900℃的极端温度下，也仅会失重30%。此外，PBI还具有良好的耐酸碱介质，耐化学腐蚀性强，同时具有耐焰和自灭性，电绝缘性良好，热收缩极小。不过，PBI价格昂贵、制备工艺复杂，加工困难，在一定程度上影响了它的应用开发。

尽管存在一些应用限制，PBI在一些特殊领域仍有着不可替代的作用。在化工领域，可用于制造在高温、强腐蚀环境下工作的设备零部件。在燃料电池中，PBI作为质子交换膜的材料，发挥着重要作用。由于其阻燃性和高温稳定性，PBI还被用作太空火箭的绝热材料、宇宙飞船的耐辐射材料等。在纺织领域，因其高强度和良好的化学稳定性，被用作防火服装和耐高温手套的材料。

四、最贵的塑料-PEEK聚醚醚酮

聚醚醚酮，简称PEEK，是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，属特种高分子材料，是由聚芳醚酮的重复单元所构成。其结构规整，分子链上含有苯环、醚键和羰基，聚合物中对亚苯基通过氧桥(醚和酮)连接。

PEEK具有一系列优异的特性。在耐高温性能方面表现突出，熔点为343℃，玻璃化转变温度为143℃，负载热变形温度高达316℃，长期使用温度高达260℃，瞬间使用温度可达300℃，且具有突出的耐热老化性能，250℃下保温3000h后，弯曲强度几乎不变。机械性能上，具有工程塑料中某些最佳的机械强度特性，拉伸强度在90MPa以上，弹性模量高、硬度高，抗冲击和抗蠕变性良好，对交变应力的优良耐疲劳性可与合金材料媲美。同时，PEEK还具有出色的耐磨性能，具有一定的自润滑性能和较低的摩擦系数，磨损率极低，耐滑动磨损和微动磨损性能优异，并且耐化学药品腐蚀，在大多数化学环境下具有极佳的耐腐蚀性，即便在高温的环境下耐化学腐蚀性也非常优异。

基于这些卓越性能，PEEK在众多高端领域得到应用。在航空航天领域，可用于制造飞行器的结构部件、发动机零部件等，实现航空设备中多种零部件的轻量化替换。在医疗领域，PEEK可作为人工骨修复骨缺损，其生物相容性好，强度高，重量轻，逐渐成为传统金属植入物的理想替代品。在电子领域，可用于制造电子设备的高温部件、连接器等，其良好的电性能和尺寸稳定性能够满足电子行业的严格要求。在汽车工业中，可用于制造发动机周边零部件、制动系统部件等，有助于减轻汽车重量，提高燃油效率。

五、最耐腐蚀的塑料-PTFE聚四氟乙烯

聚四氟乙烯，简称PTFE，俗称“塑料王”，是由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，它具有极其优异的耐化学腐蚀性，除熔融金属钠和液氟外，能耐其他一切化学药品，包括强酸、强碱、王水、强氧化剂的腐蚀，在水中煮沸也不起变化，不受强酸和强碱影响。PTFE的非粘性也很突出，表面极其光滑，几乎没有任何物质能在其表面粘附。它还具有良好的耐热性，工作温度可达250-269℃，加热至415℃时，才缓缓分解，短时间可承受高达300℃的温度，即便处于低温环境也不会变脆，在-196℃至260℃的较广温度范围内均保持优良的力学性能。

由于这些优良特性，PTFE在多个领域有着广泛应用。生活中可制作成婴儿用的奶瓶；在厨具方面，不粘锅、烤盘等常常使用PTFE涂层，利用其不粘性方便烹饪和清洗；在工业领域，PTFE可用于制造管道、阀门、泵的密封件，因其耐腐蚀、低摩擦的特性，能够保证设备的稳定运行；也可作为电线和电缆的绝缘材料；在医疗领域，可用于制造人工血管、心脏瓣膜等，其生物相容性较好，对人体组织的刺激性小。

六、最易降解的塑料-PLA聚乳酸

聚乳酸，简称PLA，是一种热塑性脂肪族聚酯，通常由乳酸单体通过缩聚或开环聚合反应制得。PLA具有良好的可生物降解性，在自然环境中，可在微生物（如细菌、真菌）的作用下，通过水解和酶解等过程逐渐分解为二氧化碳和水，这一特性使其成为解决“白色污染”问题的理想材料之一。在机械性能方面，PLA具有较好的强度和刚性，其拉伸强度一般在40-70MPa之间，弯曲模量约为2-4GPa，但与一些传统工程塑料相比，其韧性相对较低。PLA还具有良好的加工性能，可以采用注塑、挤出、吹塑等常见的塑料加工方法进行成型加工。此外，PLA具有良好的生物相容性，在医疗领域可用于制造可吸收的缝合线、组织工程支架等，不会对人体产生不良反应。

基于这些特性，PLA在多个领域得到应用。在包装领域，PLA可用于制造各种包装材料，如食品包装、快递包装等，使用后可自然降解，减少对环境的压力。在一次性用品领域，如一次性餐具、吸管等，PLA是传统塑料的良好替代品。在医疗领域，除了上述提到的可吸收缝合线和组织工程支架外，还可用于制造药物缓释载体，控制药物的释放速度，提高药物疗效。

毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。