让塑料变得透明的秘密（2）解铃还须系铃人

【让塑料变得透明的秘密】系列文章之（二）

        在《为什么塑料会不透明》中提到，光的散射现象导致包括塑料制品在内的许多半透明或者不透明现象的发生，因此要想提高透明程度，就必须设法减弱或者消除光的散射。例如悬浮在水中的泥沙颗粒会让水变混浊，而通过过滤或者离心的方法除去水中的杂质就可以让水重新变得清澈透明。

        光在穿过塑料时，遇到遍布在无定形态的塑料中的无数小的球形颗粒状塑料晶体，便会发生散射。显然，要想让塑料变得更加透明，就必须设法消除这样的结构，让散射现象不复存在。一个容易想到办法是让整块塑料完全结晶。然而上一篇我们提到，与小分子相比，塑料分子的结晶不仅要慢得多，而且很难进行得很完全。想让全部塑料分子都形成晶体是不现实的。那有没有别的方法呢？有，那就是让所有塑料分子都不能结晶。对于照射到塑料上的光来说，只要没有导致光散射的小颗粒，就可以顺利地穿过塑料，与塑料中究竟是晶体还是无定形态都没有关系^[1]。因此，如果一块塑料中所有的分子都处在无定形态，这块塑料同样可以变得更加透明。那么该如何让塑料不能结晶呢？让我们再来看一下前面提到的聚乙烯。

        聚乙烯不仅是我们非常熟悉的一种塑料，也是结构最为简单的一种塑料，它的分子相当于每个碳原子上连接了两个氢原子，然后不断重复。如果我们把所有的碳原子放在同一个平面上，那么与碳原子相连的氢原子自然一半在平面上方，另一半在平面的下方。

        现在让我们把聚乙烯的化学结构变一变，每隔一个碳原子，将碳原子上面的一个氢原子变成苯环，于是聚乙烯就变成了另一种重要的塑料——聚苯乙烯。当聚乙烯变成聚苯乙烯后，随之而来的就是一个问题：这些苯环究竟分布在平面的哪一侧呢？

图1 聚苯乙烯（左）、聚甲基丙烯酸甲酯（中）和聚碳酸酯（右）是常见

的用于生产透明器具的塑料，但导致它们透明的机理并不相同。

        不难看出，苯环的分布有三种不同的方式：第一种方式是所有的苯环全部位于平面的同一侧，这样的结构被称为全同式结构；第二种方式是苯环交替地位于平面的两侧，也就是说，相邻的两个苯环一定是一个位于平面上方，另一个位于平面下方。这样的结构被称为间同式结构；最后一种方式则是苯环相对于平面的位置完全随意，也就是说相邻的两个苯环既有可能位于平面的同一侧，也有可能位于平面的两侧，这样的结构被称为无规式结构，也就是说苯环的位置完全没有规律可循。

图2 三种不同结构的聚苯乙烯。图中的Ph表示苯环，直线的交点表示碳原子。

        我们都知道，晶体的形成要求分子之间按照一定的规律排列起来。如果我们试着把许多的聚乙烯分子或者聚苯乙烯分子排列起来，就会发现，聚乙烯分子由于结构简单，分子之间很容易就可以堆叠在一起，因此与其它塑料相比，聚乙烯更加容易结晶，70%或者更多的分子都可以形成晶体^[2]。全同或者间同式的聚苯乙烯呢？虽然分子上多了许多笨重的苯环，但是只要稍加调整，它们还是可以紧密地排列起来，因此这两种形式的聚苯乙烯也可以有一部分分子形成晶体。

        而无规式结构的聚苯乙烯则完全不同，由于苯环的位置完全没有规律，让这样的分子有规律地排列起来变得非常困难，往往是这边排列好了，那边就变得不合适。对于无规式的聚苯乙烯来说，形成晶体几乎是一个不可能实现的目标，而处在无定形态反倒更加地“舒坦”。因此在无规式的聚苯乙烯中，我们找不到哪怕一丁点晶体的存在。

图3 与全同（左）和间同（中）结构相比，无规结构（右）的塑料分子

由于分子结构的不规则，难以形成晶体

        那么我们生活中碰到的聚苯乙烯究竟是这三种结构中的哪一种呢？虽然三种结构的聚苯乙烯都可以被生产出来，但是无规形式的聚苯乙烯生产起来要容易得多，所以日常的聚苯乙烯主要是这种类型。没有了晶体，自然不必担心由此导致的散射，因此用无规聚苯乙烯加工出来的塑料制品可以非常得透明。生活中常见的用聚苯乙烯制成的透明器具包括光盘盒和某些一次性的塑料杯。另外，实验室经常用到的塑料培养皿和微孔板也常常用聚苯乙烯制成，它们也是高度透明的。

图4 用聚苯乙烯制成的透明塑料制品：左上：光盘盒；

右上：培养皿；下：微孔板。图片取自网络。

        如果将聚苯乙烯分子中的苯环替换成一个甲酯结构，同时将同一个碳原子上的另一个氢原子替换成甲基，聚苯乙烯就变成了聚甲基丙烯酸甲酯。与聚苯乙烯一样，聚甲基丙烯酸甲酯也具有全同、间同和无规三种不同的结构，且主要生产的也是无规结构，因此它也会由于难以结晶而具有良好的透明程度。聚甲基丙烯酸甲酯的透明程度可以与玻璃相媲美，但相同体积的聚甲基丙烯酸甲酯的重量还不到玻璃的一半。另外，聚甲基丙烯酸甲酯的韧性也要大大优于玻璃，不像玻璃那样稍微受撞击就裂成碎片。因此，聚甲基丙烯酸甲酯被大量地用来取代玻璃，而它也就有了一个大名鼎鼎的绰号——有机玻璃^[3]。

图5 用聚甲基丙烯酸甲酯制成的汽车雕塑[4]

        另一种透明程度堪比玻璃的塑料是聚碳酸酯。聚碳酸酯能具有如此高的透明程度，也是因为它完全难以结晶，几乎所有的分子在室温下都处于无定形态。但聚碳酸酯并非像无规的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯那样由于结构不规则而难以形成晶体，相反，它的分子结构相当规则，形成晶体并不困难。聚碳酸酯的问题在于，它的分子运动实在是太缓慢了。

        比较一下聚乙烯和聚碳酸酯的结构我们就会发现，聚乙烯的分子骨架是由一个个碳原子相互连接而成，这些碳原子之间移动起来很容易，整个分子非常灵活。然而聚碳酸酯的分子骨架上却布满了一个又一个的苯环，这使得整个分子变得很笨重。如果把聚乙烯分子看成拉起手来的许多年轻人，聚碳酸酯就像是步履蹒跚的老年人在一起。因此结晶对于聚碳酸酯来说是一个遥不可及的目标，它在固体时只能以无定形的形式存在，这样自然具有很高的透明度。

        与聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的透明程度不仅毫不逊色，它还比聚甲基丙烯酸酯能够耐受更高的使用温度和更大的外力冲击。美中不足的是，聚碳酸酯的生产成本要高得多，因此它更多地被用于要求较高机械强度的场合。聚碳酸酯的一个典型的应用是生产光盘，除此之外它还经常被用作透明的屋顶或墙面的材料，或是被用来生产镜片、安全面罩和防护盾牌。聚碳酸酯偶尔也被用来生产食品容器，例如一些比较结实的水杯就是用它制造的。

图6 用聚碳酸酯加工的透明屋顶（左）和安全防护面罩（右）。图片取自网络。

        俗话说，解铃还须系铃人。对于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯这样的塑料，我们通过控制它们的化学结构让它们失去了形成晶体的可能，从而一劳永逸地解决了结晶带来的透明度下降的问题，可以非常方便地用它们加工出透明的塑料制品。不过，还有许多塑料材料，让它们变得透明需要一些技巧，敬请关注《为什么不同的塑料制品透明程度不同》 系列的第三部分：让塑料变透明之“火候”很重要。

参考文献和注释（略）

（来源：科学公园  作者：嵌段共聚物）