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，而通過過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)，只要沒有導(dǎo)致光散射的小顆粒，就可以順利地穿過塑料，與塑料中究竟是晶體還是無(wú)定形態(tài)都沒有關(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)被稱為無(wú)規(guī)式結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)苯環(huán)的位置完全沒有規(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型。沒有了晶體，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。生活中常見的用聚苯乙烯制成的透明器具包括光盤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，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)際上常見的聚乙烯分為高密度聚乙烯和低密度聚乙烯兩類。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)際是一大類結(jié)構(gòu)類似的聚合物的統(tǒng)稱，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)。