高分子材料是以高分子化合物為基礎的材料，高分子材料是由相對分子質(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合材料，由千百個原子彼此以共價鍵結(jié)合形成相對分子質(zhì)量特別大、具有重復結(jié)構(gòu)單元的有機化合物。

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化的基礎。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)它的特點進行相應的加工和轉(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。

合成高分子材料因為具有與金屬材料、無機非金屬材料相同的屬性和特點。使得其更加的成為科學技術、經(jīng)濟建設中的重要材料。合成高分子材料以及以高聚物為基礎的，如各種塑料，合成橡膠，合成纖維、涂料與粘接劑等。

按應用分類：

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。

通過對高分子材料的結(jié)構(gòu)進行分析可知，高分子材料的結(jié)構(gòu)特點相對獨特，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)兩個部分。

鏈結(jié)構(gòu)是指單個高分子化合物分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，所以鏈結(jié)構(gòu)又可分為近程和遠程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學結(jié)構(gòu)，也稱一級結(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、支鏈類型和長度等。遠程結(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，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。

在對高分子材料研究過程中，掌握其結(jié)構(gòu)特點對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)合當前高分子材料的研究成果。高分子材料的結(jié)構(gòu)特點可以總結(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，目前對鏈結(jié)構(gòu)的特性掌握也比較多。鏈結(jié)構(gòu)還可以細分為近程結(jié)構(gòu)和遠程結(jié)構(gòu)，其中近程結(jié)構(gòu)為一級結(jié)構(gòu)，遠程結(jié)構(gòu)為二級結(jié)構(gòu)。

在高分子材料的實際應用中，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用中，能夠達到性能指標，滿足高分子材料的應用需要。

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，備受人們的關注。

美國能源部(DOE)預計，到2020年，來自植物可再生資源的聚合物材料應用將增加到10%，而到2050年將達到50%。因此，開發(fā)和利用天然高分子材料刻不容緩，勢在必行。這不僅符合可持續(xù)發(fā)展計劃，對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)實意義。

然而，天然高分子材料難免會受到光、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)良的使用價值。

研究天然高分子材料發(fā)生的黃變機理與影響因素具有重要的理論意義和應用價值。一方面，可以應對由于資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn);另一方面，可以指導天然高分子及其復合材料在其生產(chǎn)過程中原材料及助劑的選用，優(yōu)化其儲藏與生產(chǎn)工藝，同時，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，也可通過細菌的酶解過程產(chǎn)生(細菌纖維素)。

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，可以進行多種類型的化學反應。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劑。

接枝共聚是其化學改性的重要方法，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反應、輻射引發(fā)和酶促反應三種方式，前兩者可以應用于反應擠出工藝及原位反應增容。

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，已成為材料領域的一個研究熱點。

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?；瘹ぞ厶恰⒈郊柞；瘹ぞ厶恰⑶枰一瘹ぞ厶呛晚樁∠┒；瘹ぞ厶?，它們均顯示溶致液晶性質(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功能也不斷被揭示和認識，各種多糖材料已在醫(yī)藥、生物材料、食品、日用品等領域有著廣泛的應用。

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，能有效延長細胞發(fā)揮功能的時間。

5、蛋白質(zhì)材料

蛋白質(zhì)存在于一切動植物細胞中，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，甚至可達上千萬。

在材料領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用領域，對天然橡膠進行改性，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)和相對分子質(zhì)量已知的單體為原料，經(jīng)過一定的聚合反應得到的聚合物。合成高分子采用的化學合成方式即聚合反應包括逐步聚合、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，因為其不像聚氯乙烯塑料分子中含有氯元素以及一般有毒性的添加劑，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。聚乙烯塑料的缺點是機械強度較低，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，因為分子之間吸引力很大，彼此結(jié)合得緊密而且牢固，使得高分子鏈不能自由活動，因此質(zhì)地較硬。當樹脂中不加或少加(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、船舶和飛機制造等行業(yè)。

聚氯乙烯的缺點是軟化點低，加熱超過140℃時，會分解放出氯化氫。同時，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PS)是以苯乙烯分子為單體通過加聚反應得到的線型高分于化合物。聚苯乙烯塑料的透光性很好，透光率達到90%，僅次于普通玻璃和有機玻璃，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，如收音機外殼、電視機上的耐高壓絕緣材料等。

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

4、電木(酚醛塑料)

電木的化學名稱叫酚醛塑料，是塑料中第一個投入工業(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(潤滑劑)、顏料等充分混合，并在混煉機中加熱混煉，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。

電木具有較高的機械強度、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、燈頭、耳機、電話機殼、儀表殼等，“電木”由此而得名。

酚醛樹脂的缺點是機械性能較差，也不耐油和化學腐蝕，為了克服上述缺陷，人們對酚醛樹脂進行了改性，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，可用作化工設備的材料和電機、汽車的配件;加入玻璃纖維可以增加硬度，可用作機器零件等;用丁腈橡膠改性后耐油性能和抗沖擊強度大大提高;用聚氯乙烯改性后則能提高機械強度和耐酸性。

酚醛塑料由于原料來源豐富，合成工藝簡單，價格便宜，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，具備了較高的應用能力，在具體的應用過程中取得了積極效果。而決定高分子材料應用效果的是其顯著的優(yōu)勢和突出的性能。其性能主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、高分子材料的理化性能突出

巨大的分子質(zhì)量賦予這類有機高分子以嶄新的物理、化學性質(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、耐熱、耐腐蝕、自潤滑等許多獨特的性能。

2、高分子材料的可塑性較強

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用中，具有較好的可塑性，可以根據(jù)環(huán)境的需要充當填充材料，也可以根據(jù)使用部位需要，發(fā)生較大的形變，達到預期要求，滿足高分子材料的應用需要。因此，高分子材料的可塑性，是保證高分子材料得到有效應用的關鍵。對提高高分子材料應用范圍和推動高分子材料的發(fā)展具有重要的促進作用。

3、高分子材料的適應能力較強

由于高分子材料能夠環(huán)境需要進行適當?shù)淖冃魏妥兓沟酶叻肿硬牧系倪m應力能夠達到預期目標，保證高分子材料的應用能夠取得積極效果。正是基于這一性能優(yōu)點，高分子材料在實際應用中很好的滿足應用環(huán)境的需求，提高了環(huán)境適應能力，保證了高分子材料有著廣闊的應用前景。因此，掌握高分子材料適應能力較強的性能特點，對高分子材料的研究具有重要意義。