生物分子、聚合物與合成

熱塑性塑膠與熱固性塑膠(thermoplastics vs thermosets)

為什麼塑膠牛奶壺能熔化重塑,而固化後的環氧樹脂或燒焦的鍋柄卻只會燒掉、不會軟化?答案把幾乎所有塑膠分成兩大陣營。熱塑性塑膠受熱變軟、冷卻變硬,可以一次次反覆——能被反覆熔化、重新塑形,就像蠟燭的蠟。熱固性塑膠第一次固化後就永久定形;再加熱只會讓它降解或燒掉,絕不會再變軟。差別不在單體的化學,而在聚合物鏈彼此之間是怎麼連接的。

想像那些鏈。在熱塑性塑膠裡,長長的聚合物分子是彼此獨立、並排躺著的一根根絲,只靠微弱的分子間作用力維繫——像一團煮熟的義大利麵。加熱給絲足夠的能量彼此滑過,於是材料變軟、能流動;冷卻下來,作用力又抓緊。由於沒有任何共價鍵被打斷,你可以無限重複。相反,在熱固性塑膠裡,鏈與鏈之間被強大的共價交聯縫在一起,結成一張單一的巨大三維網絡——實際上就是一個龐大的分子。加熱無法讓共價連接的鏈彼此滑過;還沒等它們滑動,鍵就先斷了(材料燒焦)。所以熱固性塑膠一直保持形狀,直到它分解。

這一個結構思想——獨立的鏈對交聯的網絡——就解釋了日常塑膠,並指導著它們的使用與回收。熱塑性塑膠(聚乙烯、PVC、PET、聚苯乙烯)是可回收、可重熔的日常塑膠;熱固性塑膠(環氧樹脂、硫化橡膠、電木、檯面用的樹脂)是剛硬、耐熱、永久定形、再也熔不回去的那種。代價是真實存在的:交聯換來硬度和耐熱,卻犧牲了可回收性,這正是綠色化學努力想緩解的矛盾。

一個聚乙烯瓶(熱塑性)可以被打碎、熔化、重塑——它獨立的鏈只是滑開再重新纏在一起。固化的環氧膠或硫化的輪胎(熱固性)做不到:加熱它們只會燒焦,因為它們的鏈被共價交聯成一張網絡,任何熔化都解不開。

獨立的鏈(可重熔)對共價交聯的網絡(永久定形)——這就是全部區別。

熱固性塑膠在分解之前不會熔化——這正是交聯的用意,而非缺陷。「熱塑性」也不意味著軟弱;許多工程熱塑性塑膠非常堅韌。真正的分界在於能否再加工,由交聯密度決定,而不是由硬度決定。

又稱
thermoplastic and thermosetting polymers热塑与热固