高分子材料是以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料，高分子材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料，由千百個(gè)原子彼此以共價(jià)鍵結(jié)合形成相對(duì)分子質(zhì)量特別大、具有重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的有機(jī)化合物。

按來源分類：

高分子材料按其來源可以劃分為：天然高分子材料及合成高分子材料。

天然高分子材料是生命起源和進(jìn)化的基礎(chǔ)。在最初人類把天然的高分子材料作為生活資料和生產(chǎn)資料，并根據(jù)它的特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的加工和轉(zhuǎn)變。天然高分子材料包括纖維素、蛋白質(zhì)、蠶絲、橡膠、淀粉等。

合成高分子材料因?yàn)榫哂信c金屬材料、無機(jī)非金屬材料相同的屬性和特點(diǎn)。使得其更加的成為科學(xué)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要材料。合成高分子材料以及以高聚物為基礎(chǔ)的，如各種塑料，合成橡膠，合成纖維、涂料與粘接劑等。

按應(yīng)用分類：

高分子材料按特性分為橡膠、纖維、塑料等。

橡膠是一類線型柔性高分子聚合物。有天然橡膠和合成橡膠兩種;高分子纖維分為天然纖維和化學(xué)纖維;塑料按合成樹脂的特性分為熱固性塑料和熱塑性塑料，按用途又分為通用塑料和工程塑料。

通過對(duì)高分子材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相對(duì)獨(dú)特，與其他材料的結(jié)構(gòu)有一定的區(qū)別。高分子結(jié)構(gòu)通常分為鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。

鏈結(jié)構(gòu)是指單個(gè)高分子化合物分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，所以鏈結(jié)構(gòu)又可分為近程和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，也稱一級(jí)結(jié)構(gòu)，包括鏈中原子的種類和排列、取代基和端基的種類、結(jié)構(gòu)單元的排列順序、支鏈類型和長(zhǎng)度等。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)是指分子的尺寸、形態(tài)，鏈的柔順性以及分子在環(huán)境中的構(gòu)象，也稱二級(jí)結(jié)構(gòu)。

聚集態(tài)結(jié)構(gòu)主要指是高分子材料中的分子呈現(xiàn)聚集狀態(tài)，在受到外力影響之后，能夠發(fā)生較大的形變。正是這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得高分子材料具有較好的延展性、抗壓性和較大的形變能力。

在對(duì)高分子材料研究過程中，掌握其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)提高高分子材料研究質(zhì)量和滿足高分子材料研究需要具有重要作用。結(jié)合當(dāng)前高分子材料的研究成果。高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

高分子材料的結(jié)構(gòu)主要分為鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)這兩種。其中鏈結(jié)構(gòu)比較常見，目前對(duì)鏈結(jié)構(gòu)的特性掌握也比較多。鏈結(jié)構(gòu)還可以細(xì)分為近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)，其中近程結(jié)構(gòu)為一級(jí)結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)為二級(jí)結(jié)構(gòu)。

在高分子材料的實(shí)際應(yīng)用中，不同的結(jié)構(gòu)決定了高分子材料不同的性能。從高分子材料結(jié)構(gòu)的源頭入手，可以得知高分子材料的性能與其結(jié)構(gòu)有著重要的聯(lián)系，只有弄清楚高分子材料的結(jié)構(gòu)，才能保證高分子材料在具體應(yīng)用中，能夠達(dá)到性能指標(biāo)，滿足高分子材料的應(yīng)用需要。

一、天然高分子材料的現(xiàn)狀

由于資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的要求，有關(guān)可再生、可降解的環(huán)境友好材料的研究日益增多。天然高分子材料具有良好的生物降解性、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，備受人們的關(guān)注。

美國(guó)能源部(DOE)預(yù)計(jì)，到2020年，來自植物可再生資源的聚合物材料應(yīng)用將增加到10%，而到2050年將達(dá)到50%。因此，開發(fā)和利用天然高分子材料刻不容緩，勢(shì)在必行。這不僅符合可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃，對(duì)于提高資源的利用率以及減少環(huán)境污染都有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，天然高分子材料難免會(huì)受到光、熱等外界環(huán)境的影響而使其結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生變化，產(chǎn)生黃變，失去其優(yōu)良的使用價(jià)值。

研究天然高分子材料發(fā)生的黃變機(jī)理與影響因素具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。一方面，可以應(yīng)對(duì)由于資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn);另一方面，可以指導(dǎo)天然高分子及其復(fù)合材料在其生產(chǎn)過程中原材料及助劑的選用，優(yōu)化其儲(chǔ)藏與生產(chǎn)工藝，同時(shí)，還可以選擇合適的環(huán)境條件，以避免其黃變的發(fā)生，延長(zhǎng)其使用壽命。

二、常見的天然高分子材料

1、纖維素、木質(zhì)素材料

纖維素是地球上最古老和最豐富的可再生資源，主要來源于樹木、棉花、麻、谷類植物和其它高等植物，也可通過細(xì)菌的酶解過程產(chǎn)生(細(xì)菌纖維素)。

纖維素由β-(1→4)-鏈接的D-葡萄糖組成，它含有大量羥基，易形成分子內(nèi)和分子間氫鍵，使它難溶、難熔，從而不能熔融加工。纖維素除用作紙張外，還可用于生產(chǎn)絲、薄膜、無紡布、填料以及各種衍生物產(chǎn)品。

木質(zhì)素是具有更為復(fù)雜結(jié)構(gòu)的天然高分子，它含芳香基、酚羥基、醇羥基、羧基、甲氧基、羧基、共軛雙鍵等活性基團(tuán)，可以進(jìn)行多種類型的化學(xué)反應(yīng)。它主要用于合成聚氨酯、聚酰亞胺、聚酯等高分子材料或者作為增強(qiáng)劑。

接枝共聚是其化學(xué)改性的重要方法，它能夠賦予木質(zhì)素更高的性能和功能。木質(zhì)素的接枝共聚通常采用化學(xué)反應(yīng)、輻射引發(fā)和酶促反應(yīng)三種方式，前兩者可以應(yīng)用于反應(yīng)擠出工藝及原位反應(yīng)增容。

2、淀粉材料

淀粉由α-(1→4)-鏈接的D-葡萄糖組成，主要存在于植物根、莖、種子中。淀粉基生物可降解材料具有良好的生物降解性和可加工性，已成為材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

全淀粉塑料是指加入極少量的增塑劑等助劑使淀粉分子無序化，形成具有熱塑性的淀粉樹脂，這種塑料由于能完全生物降解，因此是最有發(fā)展前途的淀粉塑料。

3、甲殼素、殼聚糖材料

甲殼素是重要的海洋生物資源，它由β-(1→4)-鏈接的2-乙酰氨基2-脫氧-D-吡喃葡聚糖組成，殼聚糖是它的脫乙?；a(chǎn)物。

甲殼素和殼聚糖具有生物相容性、抗菌性及多種生物活性、吸附功能和生物可降解性等，它們可用于制備食物包裝材料、醫(yī)用敷料、造紙?zhí)砑觿?、水處理離子交換樹脂、藥物緩釋載體、抗菌纖維等。

殼聚糖功能材料包括以下四類：生物醫(yī)用材料，如手術(shù)縫合線、人造皮膚、醫(yī)用敷料、藥物緩釋材料等;環(huán)境友好材料，如保鮮膜、食品包裝、綠色涂料等;分離膜，如殼聚糖離子交換膜、乙醇.水體系的分離和濃縮膜;液晶材料，如酰化殼聚糖、苯甲?；瘹ぞ厶?、氰乙基化殼聚糖和順丁烯二?；瘹ぞ厶牵鼈兙@示溶致液晶性質(zhì)。

4、其它多糖材料

多糖是人類最基本的生命物質(zhì)之一，除作為能量物質(zhì)外，多糖的其它諸多生物學(xué)功能也不斷被揭示和認(rèn)識(shí)，各種多糖材料已在醫(yī)藥、生物材料、食品、日用品等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

海藻酸鈉易溶于水，是理想的微膠囊材料，具有良好的生物相容性和免疫隔離作用，能有效延長(zhǎng)細(xì)胞發(fā)揮功能的時(shí)間。

5、蛋白質(zhì)材料

蛋白質(zhì)存在于一切動(dòng)植物細(xì)胞中，它是由多種α-氨基酸組成的天然高分子化合物，分子量一般可由幾萬到幾百萬，甚至可達(dá)上千萬。

在材料領(lǐng)域中正在研究與開發(fā)的蛋白質(zhì)主要包括大豆分離蛋白、玉米醇溶蛋白、菜豆蛋白、面筋蛋白、魚肌原纖維蛋白、角蛋白和絲蛋白等。近十年來蛋白質(zhì)材料在粘結(jié)劑、生物可降解塑料、紡織纖維和各種包裝材料等領(lǐng)域的研究與開發(fā)十分引人注目，是將來合成高分子塑料的替代物之一。

6、天然橡膠材料

天然橡膠的主要成分為聚異戊二烯，來源于橡膠樹中的膠乳，是一種具有優(yōu)越綜合性能的可再生天然資源。

為了拓寬天然橡膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)天然橡膠進(jìn)行改性，一般包括環(huán)氧化改性、粉末改性、樹脂纖維改性，氯化、氫(氯)化，環(huán)化和接枝改性以及與其它物質(zhì)的共混改性。

合成高分子材料是指用結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量已知的單體為原料，經(jīng)過一定的聚合反應(yīng)得到的聚合物。合成高分子采用的化學(xué)合成方式即聚合反應(yīng)包括逐步聚合、自由基聚合、離子型聚合(陰離子聚合、陽離子聚合)、配位聚合、開環(huán)聚合以及共聚合。

常見的合成高分子材料有：

1、聚乙烯

乙烯(代號(hào)PE)是由乙烯聚合而成的高分子化合物，由于生產(chǎn)工藝中所用的壓力不同，可分為高壓、中壓、低壓聚乙烯，它們的密度和分子量不同，性能和用途也有所不同。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，乙烯來源越來越充沛，目前聚乙烯塑料已成為世界上產(chǎn)量最大的塑料品種。

聚乙烯是一種無色、無味的熱塑性塑料，因?yàn)槠洳幌窬勐纫蚁┧芰戏肿又泻新仍匾约耙话阌卸拘缘奶砑觿?，所以聚乙烯塑料是無毒性的。因此，日常生活中使用的塑料茶杯、塑料碗、塑料水壺、食品包裝袋等，都是用聚乙烯塑料制成。

聚乙烯塑料的電絕緣性強(qiáng)而吸水率極低，所以可用來制造各種高頻電纜、海底電纜的絕緣層和保護(hù)層。聚乙烯塑料具有耐曬、耐水的性能，聚乙烯薄膜可用于溫室大棚;聚乙烯拉成絲可織漁網(wǎng)，既輕便牢固，又不易腐爛。

聚乙烯塑料的化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿、耐腐蝕，因而在化工廠中，常用作原料貯存容器以及液體輸送管道。聚乙烯塑料的缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，耐熱性差，一般只能在80℃以下使用。

2、聚氯乙烯

聚氯乙烯(代號(hào)PVC)是由氯乙烯單體聚合而成的合成高分子。聚氯乙烯是一種白色或淡黃色粉末狀樹脂，密度約1.4，含氯量在56%～58%左右。在聚氯乙烯樹脂中加入不同的增塑劑和穩(wěn)定劑，可制得不同的硬質(zhì)聚氯乙烯和軟質(zhì)聚氯乙烯。

聚氯乙烯本身是一種線型高分子，因?yàn)榉肿又g吸引力很大，彼此結(jié)合得緊密而且牢固，使得高分子鏈不能自由活動(dòng)，因此質(zhì)地較硬。當(dāng)樹脂中不加或少加(10%以下)增塑劑，得到的是硬質(zhì)聚氯乙烯。硬質(zhì)聚氯乙烯密度高、具有耐酸、耐堿和耐腐蝕的優(yōu)良性能，故常用作化工設(shè)備的管材以及建筑用板材，如地板、天花板等。

如果在聚氯乙烯塑料中加入發(fā)泡劑，就能制得泡沫塑料。它具有質(zhì)輕、絕熱保溫、隔音等優(yōu)良性能，廣泛用于制鞋、建材、船舶和飛機(jī)制造等行業(yè)。

聚氯乙烯的缺點(diǎn)是軟化點(diǎn)低，加熱超過140℃時(shí)，會(huì)分解放出氯化氫。同時(shí)，聚氯乙烯塑料中加入的穩(wěn)定劑和增塑劑也有毒性，所以不能用聚氯乙烯做的塑料袋裝食品，以免中毒。

3、聚苯乙烯

聚苯乙烯(代號(hào)PS)是以苯乙烯分子為單體通過加聚反應(yīng)得到的線型高分于化合物。聚苯乙烯塑料的透光性很好，透光率達(dá)到90%，僅次于普通玻璃和有機(jī)玻璃，它能耐酸堿的腐蝕，而且密度小，外形美觀。用聚苯乙烯塑料制造的生活用品很多，如肥皂盒、牙刷柄、衣架、食品盒等。聚苯乙烯塑料還可用于制作兒童玩具和裝飾品。

聚苯乙烯塑料的另一優(yōu)點(diǎn)是電絕緣性能好，因而廣泛用作電器中的絕緣材料，如收音機(jī)外殼、電視機(jī)上的耐高壓絕緣材料等。

聚苯乙烯塑料的缺點(diǎn)是它的脆性比較大，容易產(chǎn)生裂紋，使用時(shí)應(yīng)注意避免磕碰。它耐熱性也較差，受熱容易變形。

4、電木(酚醛塑料)

電木的化學(xué)名稱叫酚醛塑料，是塑料中第一個(gè)投入工業(yè)生產(chǎn)的品種。酚類和醛類化合物在酸性或堿性催化劑作用下，經(jīng)縮聚反應(yīng)可制得酚醛樹脂。將酚醛樹脂和鋸木粉、滑石粉(填料)、烏洛托品(固化劑)，硬脂酸(潤(rùn)滑劑)、顏料等充分混合，并在混煉機(jī)中加熱混煉，即得電木粉。將電木粉在模具中加熱壓制成型后得到熱固性酚醛塑料制品。

電木具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的絕緣性，耐熱、耐腐蝕，因此常用于制造電器材料，如開關(guān)、燈頭、耳機(jī)、電話機(jī)殼、儀表殼等，“電木”由此而得名。

酚醛樹脂的缺點(diǎn)是機(jī)械性能較差，也不耐油和化學(xué)腐蝕，為了克服上述缺陷，人們對(duì)酚醛樹脂進(jìn)行了改性，在酚醛樹脂中加入不同的填料可得到功能各異的改性酚醛塑料，如在配料中加入石棉、云母，能增加它的耐酸、耐堿、耐磨性，可用作化工設(shè)備的材料和電機(jī)、汽車的配件;加入玻璃纖維可以增加硬度，可用作機(jī)器零件等;用丁腈橡膠改性后耐油性能和抗沖擊強(qiáng)度大大提高;用聚氯乙烯改性后則能提高機(jī)械強(qiáng)度和耐酸性。

酚醛塑料由于原料來源豐富，合成工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，產(chǎn)品又具有優(yōu)良的性能，目前仍然是世界上產(chǎn)量最大的熱固性塑料。

在高分子材料研究過程中，高分子材料由于結(jié)構(gòu)特殊，具備了較高的應(yīng)用能力，在具體的應(yīng)用過程中取得了積極效果。而決定高分子材料應(yīng)用效果的是其顯著的優(yōu)勢(shì)和突出的性能。其性能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、高分子材料的理化性能突出

巨大的分子質(zhì)量賦予這類有機(jī)高分子以嶄新的物理、化學(xué)性質(zhì)：可以壓延成膜;可以紡制成纖維;可以擠鑄或模壓成各種形狀的構(gòu)件;可以產(chǎn)生強(qiáng)大的粘結(jié)能力;可以產(chǎn)生巨大的彈性形變;并具有質(zhì)輕、絕緣、高強(qiáng)、耐熱、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等許多獨(dú)特的性能。

2、高分子材料的可塑性較強(qiáng)

由于高分子材料的理化性能較為突出，高分子材料在具體應(yīng)用中，具有較好的可塑性，可以根據(jù)環(huán)境的需要充當(dāng)填充材料，也可以根據(jù)使用部位需要，發(fā)生較大的形變，達(dá)到預(yù)期要求，滿足高分子材料的應(yīng)用需要。因此，高分子材料的可塑性，是保證高分子材料得到有效應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)提高高分子材料應(yīng)用范圍和推動(dòng)高分子材料的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。

3、高分子材料的適應(yīng)能力較強(qiáng)

由于高分子材料能夠環(huán)境需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃魏妥兓?，使得高分子材料的適應(yīng)力能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，保證高分子材料的應(yīng)用能夠取得積極效果。正是基于這一性能優(yōu)點(diǎn)，高分子材料在實(shí)際應(yīng)用中很好的滿足應(yīng)用環(huán)境的需求，提高了環(huán)境適應(yīng)能力，保證了高分子材料有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，掌握高分子材料適應(yīng)能力較強(qiáng)的性能特點(diǎn)，對(duì)高分子材料的研究具有重要意義。