高分子材料

高分子材料是由相對分子質量較高的化合物構成的材料。我們接觸的很多天然材料通常是高分子材料組成的，如天然橡膠、棉花、人體器官等。人工合成的化學纖維、塑料和橡膠等也是如此。一般稱在生活中大量採用的，已經形成工業化生產規模的高分子為通用高分子材料，稱具有特殊用途與功能的為功能高分子。

## 高分子材料的歷史

高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合。

樹枝，獸皮，稻草等天然高分子材料是人類或者類似人類的遠古智能生物最先使用的材料。在歷史的長河中，紙，樹膠，絲綢等從天然高分子加工而來的產品一直同人類文明的發展交織在一起。

從十九世紀開始，人類開始使用改造過的天然高分子材料。火化橡膠和硝化纖維塑料（賽璐珞）是兩個典型的例子。

進入二十世紀之後，高分子材料進入了大發展階段。首先是在1907年，Leo Bakeland發明了酚醛塑料。1920年Hermann Staudinger提出了高分子的概念並且創造了Makromolekule這個詞。二十世紀二十年代末，聚氯乙烯開始大規模使用。二十世紀三十年代初，聚苯乙烯開始大規模生產。二十世紀三十年代末，尼龍開始生產。

在經歷了二十世紀的大發展之後高分子材料對整個世界的面貌產生了重要的影響。時代雜誌認為塑料是二十世紀人類最重要的發明。高分子材料對文化領域和人類的生活方式也產生了重要的影響。

## 通用高分子

按用途一般將通用高分子材料分為五類，即塑料、橡膠、纖維、塗料和黏合劑。通用高分子材料的力學性能參見高分子物理學。

### 塑料

塑料根據加熱後的情況又可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。加熱後軟化，形成高分子熔體的塑料稱為熱塑性塑料，主要的熱塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，俗稱有機玻璃）、聚氯乙烯（PVC）、尼龍（Nylon）、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）、聚四氟乙烯（特富龍，PTFE）、聚對苯二甲酸乙二酯（PET，PETE Polyethylene terephthalate）、加熱後固化，形成交聯的不熔結構的塑料稱為熱固性塑料：常見的有環氧樹脂、酚醛塑料、聚醯亞胺、三聚氰氨甲醛樹脂等。

塑料的加工方法包括注塑，擠出，膜壓，熱壓，等等。

### 橡膠

橡膠又可以分為天然橡膠和合成橡膠。天然橡膠的主要成分是聚異戊二烯。合成橡膠的主要品種有丁苯橡膠、丁基橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、三元乙丙橡膠、丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠、矽橡膠、氟橡膠等等。

### 纖維

合成纖維是高分子材料的另外一個重要應用。常見的合成纖維包括尼龍、滌綸、腈綸聚酯纖維，芳綸纖維等等。

### 塗料

塗料是塗附在工業或日用產品表面起美觀或者保護作用的一層高分子材料。

常用的工業塗料有環氧樹脂，聚氨酯等。

### 黏合劑

黏和劑是另外一類重要的高分子材料。人類在很久以前就開始使用澱粉，樹膠等天然高分子材料做黏合劑。

現代黏合劑通過其使用方式可以分為聚合型，如環氧樹脂；熱融型，如尼龍，聚乙烯；加壓型，如天然橡膠；水溶型，如澱粉。

## 功能高分子材料

除一般的結構材料外，一些高分子材料還具有光電磁等性能。例如在製造積體電路時高分子感光材料在光刻過程中被大量使用。導電高分子材料和有機半導體打開了單分子電路的大門。有機發光半導體材料為顯示器件打開了一個大幅度降低成本的大門。高分子壓電材料則為力與電的轉換提供了新的途徑。高分子熱電材料則提供了新的熱電轉換途徑。

### 光

#### 高分子發光二極體

高分子發光二極體（Polymer Light-emitting diode）是有機發光二極體（OLED）的一種。高分子發光二極體同小分子有機發光二極體相比具有造價更低，加工更簡單的優點。

#### 液晶顯示材料

高分子液晶材料具有普通液晶材料的光學特性，但是由於轉變速度比較慢，因此通常用於對顯示轉變速度要求不高的場合。

#### 光阻（photoresist）

光阻是在積體電路生產過程中把掩膜上的圖形轉移到矽片或者其他基底上使用的高分子材料。大部分在積體電路中應用的光阻對紫外線敏感。光阻有正型光阻和負型光阻兩種。正型光阻在受到紫外光UV照射後會分解，因此可以溶解於顯影劑中。而負型光阻在受到紫外光照射後則會交聯，因此照光的地方會硬化，無法溶解於顯影劑中。

### 電

#### 介電材料與高分子

##### 低介電係數材料

低介電常數材料（low-K材料）是當前半導體行業研究的熱門話題。通過降低積體電路中使用的介電材料的介電係數，可以降低積體電路的漏電電流，降低導線之間的電容效應，降低積體電路發熱等等。低介電常數材料的研究是同高分子材料密切相關的。傳統半導體使用二氧化矽作為介電材料，二氧化矽的介電係數約為4。真空的介電係數為1，乾燥空氣的介電係數接近於1。

###### SiLK

SiLK是Dow Chemical開發的一種低介電係數材料，目前廣泛用於積體電路生產。目前已知SiLK是一種高分子材料，但是具體結構仍然是秘密。SiLK的介電常數為2.6。

目前已知SiLK是一種芳香族熱固性材料，含不飽和鍵，不含氟，不含氧和氮。SiLK以寡聚物溶液的形式提供，通過甩膠到矽片上後在氮氣下加熱到320°C去除溶劑並初步交聯。最終需要在400°C以上保溫來完成交聯。

###### Porous SiLK與Porous MSQ

通過在SiLK中添加納米級空洞可以進一步降低介電係數。目前Porous SiLK的介電係數為2.2。

MSQ是methylsilsesquioxane的縮寫，這是一種矽基高分子材料，通過在MSQ中添加納米級空洞，Porous MSQ的介電係數可以達到2.2至2.5。

納米級空洞通常是通過合成嵌段共聚物的辦法來實現的。

##### 高介電係數材料

PVDF是一種具有高介電係數的高分子材料，其介電係數可以達到10。

#### 導電高分子材料

導電高分子材料是一類具有接近金屬導電性的高分子材料。同金屬相比高分子材料具有低密度，低價格，高可加工性等優點。

##### 純高分子導電高分子材料

純高分子導電高分子材料通過$\pi$鍵電子的運動導電。主要包括聚乙炔類導電高分子材料，聚噻吩類導電高分子材料，聚吡咯類導電高分子材料，聚苯胺類導電高分子材料以及Poly (arylene vinylene)類導電高分子材料。

純高分子導電高分子材料可以用於金屬防腐塗層，儲能元件，探測器，電化學器件，非線性光學，電磁屏蔽等應用。

##### 導電高分子複合材料

通過在高分子中攙雜金屬或碳類導電添加物（活性炭，碳纖維，碳納米管等）普通高分子材料也可以具有導電性質。

#### 壓電與電致伸縮材料

PVDF是一種具有壓電與電致伸縮效應的高分子材料。具有壓電效應的材料可以把機械形變能轉化成電能，具有電致伸縮效應的材料可以把電能轉化成機械形變能。

### 磁

鐵磁性高分子最早報導於2001年，（Science 16 November 2001; 294: 1503-1505）。這種高分子也是一種共軛高分子。參見 Magnetic polymer makes its debut。

### 熱

PVDF也是一種具有熱電效應的高分子材料。具有熱電效應的材料可以把熱能轉化成電能或者把電能轉化成熱能。

## 非碳基高分子

除碳基高分子材料外，還存在以矽等元素為主幹的高分子材料。

## 高分子基複合材料及納米複合材料

高分子材料經常同其他材料共同組成複合材料，例如玻璃鋼，以獲得更好的綜合性能同時降低成本。

最近以高分子材料為母體，納米尺度添加物如碳納米管，納米尺度分布粘土等。目前尼龍和納米尺度粘土構成的納米複合材料已經廣泛使用。

## 參見

- 熔體破裂——高分子材料擠出過程中，剪切應力過大產生的現象