高分子結晶度(polymer crystallinity)
把一碗煮熟的義大利麵倒在桌上,大部分是一團糾纏的亂麻——但這裡那裡有幾根整齊地並排、被梳得又直又平行。半結晶高分子正是這樣:部分有序、部分無序。在有序的區域,鏈來回摺疊成整齊、緊密堆疊的疊層(結晶);在無序的區域,它們隨機糾纏(非晶)。結晶度衡量的就是材料有多少落在那些有序區域裡。
這個數字從 0 到近 100 percent,取決於鏈有多規則。規則的鏈——線性、無支鏈、立體規則性高——能整齊堆疊、達到高結晶度:高密度聚乙烯可達約 90 percent 結晶。不規則的鏈——龐大的側基、支鏈、無規——無法堆疊,於是幾乎全是非晶:無規聚苯乙烯基本上是 0 percent 結晶。你可以由材料的密度量出結晶度(有序區域堆得較緊、密度較高),或用微差掃描熱量法,它偵測晶體熔化時吸收的熱。冷卻速率也有關係:把熔體快速淬冷,鏈還來不及排好就凍住了,結晶度就較低。
它之所以重要,是因為結晶度是操控高分子性質最強的槓桿之一。結晶度愈高,代表愈剛、愈強、愈緻密、愈耐化學、熔點愈高——但也愈不透明,因為結晶區域會散射光。結晶度愈低(愈非晶),代表愈透明、愈柔軟,也常常愈韌。這就是為什麼一個透明塑膠杯和一個剛硬的白色瓶子,可以是同一種基礎高分子只是結晶度不同。有一點誠實而重要:高分子永遠不是 100 percent 結晶。鏈太長又太糾纏,總有一部分保持非晶,所以你能得到的最好狀態是「半結晶」,而不是像金屬或鹽那樣的完美晶體。
高密度聚乙烯(HDPE)約 90 percent 結晶——剛硬、強韌、乳白色(牛奶罐)。低密度聚乙烯(LDPE)化學相同,但鏈上的支鏈妨礙了堆疊,只有約 45 percent 結晶——較軟、較柔韌、也較透明(擠壓瓶)。
結晶度是鏈落在有序、緊密堆疊區域的比例;結晶度愈高,塑膠愈剛、愈緻密、愈不透明。
高分子永遠不是 100 percent 結晶——鏈太長又太糾纏,所以「半結晶」已是最佳狀態。結晶度取決於鏈的規則性與冷卻速率,並以透明度與柔軟度換取剛性與強度。