上篇提到光的散射現(xiàn)象導(dǎo)致包括塑料制品在內(nèi)的許多半透明或者不透明現(xiàn)象的發(fā)生，因此要想提高透明程度，就必須設(shè)法減弱或者消除光的散射。例如懸浮在水中的泥沙顆粒會(huì)讓水變混濁，而通過(guò)過(guò)濾或者離心的方法除去水中的雜質(zhì)就可以讓水重新變得清澈透明。

光在穿過(guò)塑料時(shí)，遇到遍布在無(wú)定形態(tài)的塑料中的無(wú)數(shù)小的球形顆粒狀塑料晶體，便會(huì)發(fā)生散射。顯然，要想讓塑料變得更加透明，就必須設(shè)法消除這樣的結(jié)構(gòu)，讓散射現(xiàn)象不復(fù)存在。一個(gè)容易想到辦法是讓整塊塑料完全結(jié)晶。然而上一篇我們提到，與小分子相比，塑料分子的結(jié)晶不僅要慢得多，而且很難進(jìn)行得很完全。想讓全部塑料分子都形成晶體是不現(xiàn)實(shí)的。那有沒(méi)有別的方法呢?有，那就是讓所有塑料分子都不能結(jié)晶。對(duì)于照射到塑料上的光來(lái)說(shuō)，只要沒(méi)有導(dǎo)致光散射的小顆粒，就可以順利地穿過(guò)塑料，與塑料中究竟是晶體還是無(wú)定形態(tài)都沒(méi)有關(guān)系[1]。因此，如果一塊塑料中所有的分子都處在無(wú)定形態(tài)，這塊塑料同樣可以變得更加透明。那么該如何讓塑料不能結(jié)晶呢?

以聚乙烯為例，聚乙烯不僅是我們非常熟悉的一種塑料，也是結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的一種塑料，它的分子相當(dāng)于每個(gè)碳原子上連接了兩個(gè)氫原子，然后不斷重復(fù)。如果我們把所有的碳原子放在同一個(gè)平面上，那么與碳原子相連的氫原子自然一半在平面上方，另一半在平面的下方。

如果把聚乙烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)變一變，每隔一個(gè)碳原子，將碳原子上面的一個(gè)氫原子變成苯環(huán)，于是聚乙烯就變成了另一種重要的塑料——聚苯乙烯。當(dāng)聚乙烯變成聚苯乙烯后，隨之而來(lái)的就是一個(gè)問(wèn)題：這些苯環(huán)究竟分布在平面的哪一側(cè)呢？

圖1 聚苯乙烯(左)、聚甲基丙烯酸甲酯(中)和聚碳酸酯(右)是常見(jiàn)的用于生產(chǎn)透明器具的塑料，但導(dǎo)致它們透明的機(jī)理并不相同。

如此看來(lái)，苯環(huán)的分布有三種不同的方式：第一種方式是所有的苯環(huán)全部位于平面的同一側(cè)，這樣的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為全同式結(jié)構(gòu);第二種方式是苯環(huán)交替地位于平面的兩側(cè)，也就是說(shuō)，相鄰的兩個(gè)苯環(huán)一定是一個(gè)位于平面上方，另一個(gè)位于平面下方。這樣的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為間同式結(jié)構(gòu);最后一種方式則是苯環(huán)相對(duì)于平面的位置完全隨意，也就是說(shuō)相鄰的兩個(gè)苯環(huán)既有可能位于平面的同一側(cè)，也有可能位于平面的兩側(cè)，這樣的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為無(wú)規(guī)式結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)苯環(huán)的位置完全沒(méi)有規(guī)律可循。

圖2 三種不同結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯。圖中的Ph表示苯環(huán)，直線的交點(diǎn)表示碳原子。

眾所周知，晶體的形成要求分子之間按照一定的規(guī)律排列起來(lái)。如果把許多的聚乙烯分子或者聚苯乙烯分子排列起來(lái)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，聚乙烯分子由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分子之間很容易就可以堆疊在一起，因此與其它塑料相比，聚乙烯更加容易結(jié)晶，70%或者更多的分子都可以形成晶體[2]。全同或者間同式的聚苯乙烯呢?雖然分子上多了許多笨重的苯環(huán)，但是只要稍加調(diào)整，它們還是可以緊密地排列起來(lái)，因此這兩種形式的聚苯乙烯也可以有一部分分子形成晶體。

而無(wú)規(guī)式結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯則完全不同，由于苯環(huán)的位置完全沒(méi)有規(guī)律，讓這樣的分子有規(guī)律地排列起來(lái)變得非常困難，往往是這邊排列好了，那邊就變得不合適。對(duì)于無(wú)規(guī)式的聚苯乙烯來(lái)說(shuō)，形成晶體幾乎是一個(gè)不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，而處在無(wú)定形態(tài)反倒更加地“舒坦”。因此在無(wú)規(guī)式的聚苯乙烯中，找不到哪怕一丁點(diǎn)晶體的存在。

日常生活中的聚苯乙烯

雖然三種結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯都可以被生產(chǎn)出來(lái)，但是無(wú)規(guī)形式的聚苯乙烯生產(chǎn)起來(lái)要容易得多，所以日常的聚苯乙烯主要是這種類(lèi)型。沒(méi)有了晶體，自然不必?fù)?dān)心由此導(dǎo)致的散射，因此用無(wú)規(guī)聚苯乙烯加工出來(lái)的塑料制品可以非常得透明。生活中常見(jiàn)的用聚苯乙烯制成的透明器具包括光盤(pán)盒和某些一次性的塑料杯。另外，實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常用到的塑料培養(yǎng)皿和微孔板也常常用聚苯乙烯制成，它們也是高度透明的。

圖2 用聚苯乙烯制成的透明塑料制品

如果將聚苯乙烯分子中的苯環(huán)替換成一個(gè)甲酯結(jié)構(gòu)，同時(shí)將同一個(gè)碳原子上的另一個(gè)氫原子替換成甲基，聚苯乙烯就變成了聚甲基丙烯酸甲酯。與聚苯乙烯一樣，聚甲基丙烯酸甲酯也具有全同、間同和無(wú)規(guī)三種不同的結(jié)構(gòu)，且主要生產(chǎn)的也是無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)，因此它也會(huì)由于難以結(jié)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與玻璃相媲美，但相同體積的聚甲基丙烯酸甲酯的重量還不到玻璃的一半。另外，聚甲基丙烯酸甲酯的韌性也要大大優(yōu)于玻璃，不像玻璃那樣稍微受撞擊就裂成碎片。因此，聚甲基丙烯酸甲酯被大量地用來(lái)取代玻璃，而它也就有了一個(gè)大名鼎鼎的綽號(hào)——有機(jī)玻璃[3]。

另一種透明程度堪比玻璃的塑料是聚碳酸酯[4]。聚碳酸酯能具有如此高的透明程度，也是因?yàn)樗耆y以結(jié)晶，幾乎所有的分子在室溫下都處于無(wú)定形態(tài)。但聚碳酸酯并非像無(wú)規(guī)的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯那樣由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則而難以形成晶體，相反，它的分子結(jié)構(gòu)相當(dāng)規(guī)則，形成晶體并不困難。聚碳酸酯的問(wèn)題在于，它的分子運(yùn)動(dòng)實(shí)在是太緩慢了。

比較一下聚乙烯和聚碳酸酯的結(jié)構(gòu)我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，聚乙烯的分子骨架是由一個(gè)個(gè)碳原子相互連接而成，這些碳原子之間移動(dòng)起來(lái)很容易，整個(gè)分子非常靈活。然而聚碳酸酯的分子骨架上卻布滿了一個(gè)又一個(gè)的苯環(huán)，這使得整個(gè)分子變得很笨重。如果把聚乙烯分子看成拉起手來(lái)的許多年輕人，聚碳酸酯就像是步履蹣跚的老年人在一起。因此結(jié)晶對(duì)于聚碳酸酯來(lái)說(shuō)是一個(gè)遙不可及的目標(biāo)，它在固體時(shí)只能以無(wú)定形的形式存在，這樣自然具有很高的透明度。

與聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的透明程度不僅毫不遜色，它還比聚甲基丙烯酸酯能夠耐受更高的使用溫度和更大的外力沖擊。美中不足的是，聚碳酸酯的生產(chǎn)成本要高得多，因此它更多地被用于要求較高機(jī)械強(qiáng)度的場(chǎng)合。聚碳酸酯的一個(gè)典型的應(yīng)用是生產(chǎn)光盤(pán)，除此之外它還經(jīng)常被用作透明的屋頂或墻面的材料，或是被用來(lái)生產(chǎn)鏡片、安全面罩和防護(hù)盾牌。聚碳酸酯偶爾也被用來(lái)生產(chǎn)食品容器，例如一些比較結(jié)實(shí)的水杯就是用它制造的。

對(duì)于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯這樣的塑料，通過(guò)控制它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)讓它們失去了形成晶體的可能，從而一勞永逸地解決了結(jié)晶帶來(lái)的透明度下降的問(wèn)題，可以非常方便地用它們加工出透明的塑料制品。

參考文獻(xiàn)和注釋

[1] 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，即便一種物質(zhì)完全形成晶體，小的晶區(qū)的存在仍然可能造成光散射。因此讓一種物質(zhì)透明的更好的方法是使其完全處于無(wú)定形態(tài)(或者液態(tài))，例如玻璃就是處在無(wú)定形態(tài)的固體。

[2] 實(shí)際上常見(jiàn)的聚乙烯分為高密度聚乙烯和低密度聚乙烯兩類(lèi)。高密度聚乙烯主要是線性結(jié)構(gòu)，因而結(jié)晶度可以高達(dá)70-80%。而低密度聚乙烯由于合成方法不同，分子上具有較多的支鏈結(jié)構(gòu)，這些支鏈會(huì)妨礙晶體的形成，因此低密度聚乙烯的結(jié)晶度較低，在50%左右。

[3]有機(jī)玻璃在生產(chǎn)中會(huì)加入少量其他單體以提高產(chǎn)品的性能。

[4] 聚碳酸酯實(shí)際是一大類(lèi)結(jié)構(gòu)類(lèi)似的聚合物的統(tǒng)稱(chēng)，但通常指的是由光氣和雙酚A反應(yīng)得到的聚合物，即圖1中所示的結(jié)構(gòu)。