第一节 有机高分子化合物简介

聚丙烯

　　齐格勒利用四氯化钛和三乙基铝做催化剂，在常压下使乙烯聚合的重大发现，对塑料工业的发展产生了很大的影响。最早受到这种影响并且取得重大成就的是意大利化学家纳塔。纳塔是米兰工学院的教授，他在从事规化聚合研究中，利用三氯化钛和三乙基铝做催化剂（和齐格勒制备聚乙烯所用的四氯化钛和三乙基铝属于同类催化剂），成功地以廉价的丙烯为原料，聚合成性能良好的等规立构聚丙烯，这可以制造聚丙烯塑料，也可用于生产聚丙烯合成纤维，又一次在化学界引起轰动。而纳塔和齐格勒一起，同获了1963年诺贝尔化学奖，后来世人把用于乙烯和丙烯聚合的催化剂体系称为齐格勒－纳塔催化剂。

　　聚丙烯的化学式为：

　　是半透明无色固体，无臭也无毒。由于它的分子结构规整和高度结晶化，它的熔点就比聚乙烯高很多，可达到167℃，所以聚丙烯塑料制品可以用水蒸气消毒，这是聚丙烯塑料的一大优点。聚丙烯也是最轻的通用塑料，它耐腐蚀、抗张强度高，它的缺点是容易老化，需要添加抗氧剂加以解决。生产聚丙烯的原料丙烯来自石油炼厂的炼厂气和烃类裂解，不但来源丰富，而且价格很低，再加之利用齐格勒－纳塔催化剂的生产工艺较简单，生产成本也低，是发展很迅速的塑料。

　　聚丙烯用途很广，主要有：

　　⑴聚丙烯塑料。用注射成型法生产，制品有周转箱、容器、手提箱、汽车部件、家用电器部件、医疗器械、仪表盘和家具等。

　　⑵聚丙烯纤维和聚丙烯薄膜。薄膜是广泛使用的包装材料，而且薄膜经牵伸和切割成扁丝，就可制成编织袋，作为工业和民用的包装袋，强度高，不易破损。常用的捆扎物品用的塑料绳也是用聚丙烯扁丝制成的。聚丙烯纤维商品名称是丙纶，也是一种常用的合成纤维，可用于编织地毯。聚丙烯复合薄膜可防湿、隔气和蒸煮，用做食品和饮料的软包装，聚丙烯塑料管道用于输送热水、工业废水和化学品。

　　⑶聚丙烯经加热成型加工可制成薄壁制品。用做一次性使用的食品容器，它无毒而耐热，通常出售的快餐盒饭的盒就使用这种制品。

聚氯乙烯

　　产量仅次于聚乙烯的塑料第二个大品种当推聚氯乙烯。早在1835年法国化学家勒尼奥就发现，在日光照射下，氯乙烯聚合变成一种白色固体。1914年德国和美国的化学家发现，有机过氧化物可加速氯乙烯的聚合反应。1931年德国法本公司采用乳液聚合的方法，使聚氯乙烯生产实现了工业化。乳液聚合是将氯乙烯单体和水，用烷基磺酸钠（表面活性剂）做乳化剂，使氯乙烯均匀地分散在水中以形成乳状液，再以过硫酸钾或过硫酸铵为引发剂，使氯乙烯聚合为聚氯乙烯。

　　使聚氯乙烯在应用上有真正突破是在1933年。美国化学家西蒙在当时用途不广的聚氯乙烯粉料中加进高沸点的溶剂和磷酸三甲酚酯后加热，在冷却以后，意外地得到了性质柔软、易于加工、并富有弹性的聚氯乙烯（这里磷酸三甲酚酯起了增塑剂的作用）。从此，聚氯乙烯广泛应用的大门被打开了。

　　1936年美国联合碳化物公司开发了氯乙烯的悬浮聚合技术，使生产工艺较乳液聚合法简化，能耗降低，成本下降。现在，80％的聚氯乙烯是用悬浮聚合法生产的，即在搅拌和分散剂（水）的作用下，使氯乙烯单体分散成液滴状以后，悬浮在水中。聚合反应在液滴之间进行，引发剂采用过氧化二碳酸二环己酯、偶氮二异丁腈等。

　　聚氯乙烯的化学式为：

　　聚氯乙烯塑料有优良的耐酸碱、耐磨、耐燃烧和绝缘性能。但是对光和热的稳定性差，在100℃以上或光照的情况下，会分解析出氯化氢，引起颜色变黄。同时，上述良好的力学和化学性能迅速下降。解决的办法是在加工过程中加入稳定剂，如硬脂酸或其他脂肪酸的镉、钡、锌盐。

　　聚氯乙烯塑料一般可分为硬质和软质两大类。硬制品加工中不添加增塑剂，而软制品则在加工时加入大量增塑剂。聚氯乙烯本来是一种硬性塑料，它的玻璃化温度为80～85℃。加入增塑剂以后，可使玻璃化温度降低，便于在较低的温度下加工，使分子链的柔性和可塑性增大，并可做成在常温下有弹性的软制品。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二辛酯、邻酯。一般软质聚氯乙烯塑料所加增塑剂的量为聚氯乙烯的30％～70％。

　　聚氯乙烯在加工时添加了增塑剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、填料之后，可加工成各种型材和制品。

　　⑴一般软塑料制品。利用挤出机可以挤成软管、塑料线、电缆和电线的包皮。利用注射成型的方法并配合各种模具，可制成塑料凉鞋、鞋底、拖鞋等。

　　⑵薄膜。利用压延机可将聚氯乙烯制成规定厚度的透明或着色薄膜，用这种方法生产的薄膜称为压延薄膜。也可以将聚氯乙烯的粒状原料利用吹塑成型机吹制成薄膜，用这种方法生产的薄膜称为吹塑薄膜。聚氯乙烯塑料薄膜上可以印花（如印制包装装潢图案和商标等）。薄膜的用途很大，可以通过剪裁、热合方法加工成包装袋、雨衣、桌布、窗帘、充气玩具等。宽幅的透明薄膜可以建造温室和塑料大棚，或者用作地膜。

　　⑶涂层制品。将聚氯乙烯糊状涂料涂敷在布或纸上，然后在100℃以上将它们塑化，就可制成有衬底的人造革。如果将聚氯乙烯软片用压延机直接压延成有一定厚度时，就制成无衬底的人造革，可压出各种花纹。人造革用于制造皮包、皮箱、沙发和汽车的座垫、地板革以及书的封面等。

　　⑷泡沫塑料。软质聚氯乙烯在混炼时加入适量的发泡剂，经发泡成型法可制成泡沫塑料，用做泡沫拖鞋、凉鞋、鞋垫、坐垫和防震缓冲的包装材料，也可以用挤出机制成低发泡硬质板材，可代替木材作为建筑材料。

　　⑸利用热成型法可将聚氯乙烯制成薄壁透明容器，或用于真空吸塑包装材料。这种方法制成的片材也是优良的装饰材料。

　　⑹糊状制品。将聚氯乙烯分散在液体增塑剂中，使其溶胀和塑化成增塑溶胶，再加入乳液（一种胶粘剂）、稳定剂、填料、着色剂，经过充分搅拌，脱气泡后，可配制成聚氯乙烯糊状制品，可用浸渍法、浇铸法、搪塑法涂敷在各种制品表面，起保护（防腐蚀）、美化作用。

　　⑺硬管和板材。聚氯乙烯中加入稳定剂、润滑剂和填料，经过混炼之后，可用挤出机挤成各种口径的硬管、异形管、波纹管，用做下水管、引水管、电线套管或楼梯扶手。用压延法制成的聚氯乙烯薄片经重叠热压，可制成各种厚度的硬质板材，它可以切割成所需形状，然后利用聚氯乙烯焊条用热空气流焊接成各种耐化学腐蚀的贮槽、通风管道和各种形状的容器、反应罐。

　　⑻门窗。它可用硬质聚氯乙烯异形材料组装而成，已经和木门窗、钢窗、铝合金门窗共同占领了建筑市场。

浅谈共轭导电高分子及其光电应用

　　高分子(Polymer)，望名思义就是分子结构庞大、分子量高的物质；换言之，在分子主链上具有单键、双键(或参键)交替之共轭结构，使电荷或电子可沿着分子链或跨分子链运动，因而具导电性的高分子量物质，及谓之共轭导电高分子(Conjugated Conducting Polymer)。共轭导电高分子具本质导电性(Intrinsic Conductivity)，导电度的变化可由掺杂(Doping)前的10^-12~10^-9 S/cm增加至掺杂后的10³ S/cm，或者更高。导电度的高低视共轭结构上非定域化(Delocalized)之π电子的浓度及其移动速度而定。换言之，共轭导电高分子主链接构的本质特性、规则性、分子量分布，以及侧链官能基的大小、立体形状、推拉电子的能力等都是影响导电度高低的因素；这和传统无机材料的导电机制不同。由于具有导电能力以及对光透明、薄、质轻、抗拉强度强、可在常温加工等有机高分子材料的特性，使其正积极地被研发在前瞻且具创新性之光电及生化产业。

　　例如：用来作为可弯曲之薄型轻量化的便携式有机电激发光组件、具高能量密度的有机二次电池、及生化组件之检测平台等，应用上极具发展潜力。本文即针对以上三种尖端应用领域作简要介绍。

(一)有机电激发光组件

　　有机电激发光组件(Organic Electroluminescent Element)，又称为有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)，其结构如图一所示。首先在玻璃或塑料基板的表面镀一层透明ITO导电电极，当作电洞发射层(厚约30~400nm，面电阻<100 Ω/cm²)；然后在透明导电电极上镀一层或多层有机发光层，最后在有机发光层上方镀制另一具低功函数(Low Work Function)之金属导电电极，当作电子发射层(Li, Mg, Ca, Al, Ag, In等及其合金，厚约100~400nm)。当有机电激发光组件加上偏压后，电洞与电子分别从正、负极出发，越过各自的能障后在有机材料层相遇、结合成激子(Exciton)，并以辐射的方式由激发态(Excited State)回到基态(Ground State)，同时放出光来。就目前的研究显示，欲降低电激发光组件(EL组件)的操作电压，并提高其亮度及量子效率，可分别在ITO电极与发光层及金属电极与发光层间分别加上电洞传递层(Hole-Transport Layer)与电子传递层(Electron-Transport Layer)来达成。由于有机发光层材料选用的差异，有机电激发光组件又可概分为小分子有机电激发光组件及高分子有机电激发光组件两种。此两种有机电激发光组件之发光层的制程技术亦不相同。有机EL组件目前已可做到高亮度、高效率之红、蓝、绿三原色光，以及白光，具有低操作电压、厚度薄、无需背景光源、大发光面积、无视角限制、高应答速度、可挠曲性、制作容易等优点。因此可应用在替代光源、行动电话和笔记型计算机之显示器、汽车仪表板和高信息容量之点矩阵式平面显示板上。其显示器之性能多项优于目前的液晶显示器，因此可望成为下一代的平面显示器。

(二)有机二次电池

　　所谓二次电池(Secondary Cell)简单的定义就是“可反复充电、放电，循环使用的电池”，譬如现在很热门、很普遍的行动电话及手提电脑里的镍氢电池和锂离子电池，都属于二次电池；而有机二次电池即是以高分子有机材料为主的二次电池，其结构如图二所示。二次电池的好坏决定在电池是否有高的安全性、高的质量电荷容量、高的能量密度、高的充放电稳定性、高循环寿命；以及可否质轻量少、快充慢放、大面积化，甚至具挠曲性、容易制作、且价格便宜。现在市面上的行动电话讲究的除了要收讯良好外，还要轻、薄、短、小、炫；其中要做到轻、薄、短、小，关键点就在于如何改善其内装电池的性能，使电池在极小的体积里有最佳、最稳定的电池表现。

　　目前公开发表的共轭导电高分子二次电池已可做到充电次数超过200次、电池电压3.2~3.5V、活性高分子之重量能量密度600Wh/Kg、电容量185Ah/Kg (N. Oyama, T. Tatsuma,T. Sato and T. Sotomura, Nature, 373, 598 (1995))，此结果比部分镍氢和锂离子二次电池都要出色。由于共轭导电高分子二次电池具有质轻、加工容易、易大面积化、具挠曲性、高能量密度等优点，要取代镍氢和锂离子二次电池是指日可待之事。

(三)生化检测组件

　　将细菌、蛋白质、抗体、及酵素等具特定构形(Conformation)及性质的生化物质予以固定化(Immobilization)在无机基材，并应用在各种生化检测组件(Biosensor)上，这在现今之生物技术领域是重要且热门的学问；而如何制作出稳定性高、应答速度快、低成本、无毒性的生化检测组件，则是各方学者专家一致努力的目标。相信多数成人都有上医院抽血检查的经验，若要知道检查结果，常常需等上一个星期，为什么？其中除了检验报告的整理、归档等行政处理时间外，检测组件的应答速度慢是主要原因之一。以检测是否有B、C型肝炎为例，传统的做法是让检体与检测组件上的抗体进行配对，所需的时间要数小时以上，这还不包括检测前、后处理的时间。如果中间有配对不清楚、无法判断、需重新做确定等情形发生，检测的时间就更长了。现有检测组件(如：Biochip)的制作，部分的做法是在微小电极(Microelectrode)表面以电浆法(Plasma)蒸镀一层具反应活性基团的高分子或寡分子载体(Support Matrix)，此载体可与生化基团反应，进而将特定之生化物质键结在电极上(如图三所示)；而一个Biochip就是由数十个甚至数百个分别键结有数种或数十种不同生化键断的微小电极组合而成。将Biochip施予偏压做检测分析时，检体与检测组件上的生化物质会依序排列，若有配对成功的键结，就表示检体里含有接在Biochip上的特定物质，可能是细菌、抗体、酵素等。由于共轭导电高分子具导电性，将其取代传统的载体材料，在简化微小电极的制程及缩短检测组件的应答时间上都有明显的改善。   

结  语

　　20世纪初“高分子”的被发明，将人类使用材料的历史由传统的兽皮、木材、陶土、钢铁，自然而然地带入高分子化的时代，且迅速发展。但由于一般高分子的电阻相当高，不具导电性，在许多精密、高科技的应用上仍无法取代金属及无机材料，应用范围有其限制；然而这种情形在共轭导电高分子的被发现而逐渐改善。共轭导电高分子的应用除了本文介绍的以外，在温度及有机溶剂指式器(Indicator)、电子工业的抗静电涂布(Antistatic Coating)、金属抗腐蚀处理(Anticorrosive Treatment)、光化学电池(Light Electrochemistry Cell)、以及塑料晶体管(Plastic Transistor)等方面都有很大的发展空间。展望21世纪，开发高性能、高稳定性之共轭导电高分子材料，整合化工、光电、电机及生化人才，积极从事开发应用及技术改进；相信在不久的将来，无论在民生工业或光电及生化产业，共轭导电高分子都要扮演重要的角色。

扩展资料

高分子化合物的用途

　　高分子化合物是分子量大的化合物，也称高聚物。如纤维素、蛋白质、蚕丝、橡胶、淀粉等天然高分子化合物，以及以高聚物为基础的合成材料，如各种塑料，合成橡胶，合成纤维、涂料与粘接剂等。高分子化合物与人类的物质生活密不可分。人的肌体中有20%以上是高分子化合物（各解剖部位含有大量高分子），与生命构造有很大关系的酶、遗传因子或染色体等也都是高分子。人的各种衣着，可以说全部是由高分子物质制成的，布绸呢绒、毛线皮革无一不是高分子材料。人们所食用的粮食、肉类、蛋类以及蔬菜等，都含有大量的高分子物质，它们是人体所需要的营养成分。据悉，现已有人开始制造人造肉的研究。人们的住所也使用了许多高分子材料，如建筑房屋用的木材、油毡、涂料、粘接剂，装饰房屋用的壁纸、地板革等都是。汽车的轮胎、座椅、玻璃、路面上的交通设施也用了许多高分子材料。我们日常生活中用的牙刷、塑料碗盆、医疗用的药物、科研上用的试剂、农业上用的薄膜、以及工业用的大量电器零件、各种把手、叶轮、风扇叶片、高压密封圈、垫片、电缆包层等许多物品的制造都要使用高分子材料。随着科技的发展，功能高分子（如高分子半导体、感光树脂、电解质 高分子等）和仿生高分子（如模拟酶和固定酶等）的研制开发，使得高分子化合物更加深入到国防工业、尖端科技等领域。高分子材料已经广泛应用于人类生活的各个方面，有人认为已占到人类所用各种材料的一半以上。