我們在談?wù)摳叻肿硬牧蠒r(shí)，常常會(huì)說“這種材料剛性很強(qiáng)"，或是“那款材料韌性佳"。剛性強(qiáng)的材料，往往有著較高的硬度，能夠抵御外界的擠壓與變形；而韌性好的材料，則像柔韌的絲帶，能在拉伸、彎折時(shí)展現(xiàn)出出色的變形能力。但你是否想過，究竟哪些性能指標(biāo)可以精準(zhǔn)衡量材料的剛?cè)崽匦?？又是什么因素從本質(zhì)上決定了高分子材料的剛硬與柔軟？本文小編將和大家一起探討這些問題！
一、從性能指標(biāo)看剛?cè)?/span>
在高分子材料的眾多力學(xué)性能指標(biāo)中，不同指標(biāo)分別承擔(dān)著反映材料剛性與柔性的重任。剛性擔(dān)當(dāng)：彎曲模量和硬度堪稱剛性的“代言人" 。彎曲模量表征材料抵抗彎曲變形的能力，數(shù)值越高，材料越“硬氣"，越不容易彎曲變形。硬度則直觀體現(xiàn)材料表面抵抗局部壓力的能力，硬度大的材料，能更好地維持自身形狀，抵御外界的擠壓變形。拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度也在一定程度上反映材料剛性。拉伸強(qiáng)度是材料在拉伸斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，拉伸強(qiáng)度高意味著材料能承受較大的拉力而不被拉斷，展現(xiàn)出較強(qiáng)的剛性；壓縮強(qiáng)度同理，反映材料抵抗壓縮變形的能力，數(shù)值越高剛性越強(qiáng)。
柔性擔(dān)當(dāng)：斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度是衡量柔性的重要指標(biāo)。斷裂伸長率表示材料在拉斷時(shí)的伸長量與原始長度的比值，數(shù)值越大，材料能拉伸得越長，柔韌性越好。沖擊強(qiáng)度反映材料在受到?jīng)_擊載荷時(shí)吸收能量的能力，沖擊強(qiáng)度高的材料，在遭受外力沖擊時(shí)不易破碎，表現(xiàn)出良好的韌性和柔性。
二、內(nèi)在因素決定剛?cè)岜举|(zhì)主鏈結(jié)構(gòu)是影響高分子材料剛?cè)岬暮诵囊蛩亍?span textstyle="" style="-webkit-tap-highlight-color: transparent; margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; font-weight: bold;">主鏈中若單鍵較多，由于單鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，分子鏈的柔性就較好。例如，聚丁二酸丁二醇酯（PBS），其主鏈由大量單鍵組成，分子鏈能夠較為自由地運(yùn)動(dòng)和舒展，賦予材料良好的柔韌性，PBS常被用于制造可降解塑料袋、保鮮膜等。
而當(dāng)主鏈中存在雙鍵時(shí)，雙鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，限制了分子鏈的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使材料剛性增加。像含有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的生物基聚酯材料，其剛性相對(duì)較高。苯環(huán)的存在同樣會(huì)降低分子鏈的柔性，因?yàn)楸江h(huán)是剛性結(jié)構(gòu)，難以發(fā)生變形和旋轉(zhuǎn)。
2. 局部自由度
分子鏈局部的結(jié)構(gòu)和基團(tuán)也會(huì)影響材料的剛?cè)?。?cè)基的大小、極性和數(shù)量都會(huì)產(chǎn)生作用。較大的側(cè)基會(huì)阻礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，降低柔性，增加剛性。例如，帶有長鏈烷基側(cè)基的生物基高分子材料，其剛性會(huì)隨著側(cè)基長度的增加而提高。
極性側(cè)基之間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用力，也會(huì)限制分子鏈的運(yùn)動(dòng)，提升剛性。如含有羥基、羧基等極性基團(tuán)的生物基纖維素衍生物，通過調(diào)整基團(tuán)的數(shù)量和分布，可以調(diào)控材料的剛?cè)嵝阅?。
分子間作用力的強(qiáng)弱直接影響高分子材料的剛?cè)?。氫鍵、范德華力等分子間作用力越大，分子鏈之間的相互束縛越強(qiáng)，分子鏈越難以相對(duì)滑動(dòng)和運(yùn)動(dòng)，材料的剛性也就越高。
以殼聚糖為例，殼聚糖分子間存在大量的氫鍵，這使得殼聚糖具有較高的剛性和強(qiáng)度，在生物醫(yī)用領(lǐng)域可用于制備傷口敷料等產(chǎn)品 。相反，分子間作用力較弱時(shí)，分子鏈更容易運(yùn)動(dòng)，材料表現(xiàn)出良好的柔性。
分子鏈的長度對(duì)于材料的“剛性"與“柔性"來說，是一把“
"，一般來說，分子鏈長度增加，分子鏈之間的纏結(jié)程度會(huì)提高，這在一定程度上限制了分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使材料剛性有所增加。但同時(shí)，較長的分子鏈也增加了分子鏈的構(gòu)象數(shù)，使分子鏈有更多的運(yùn)動(dòng)方式和可能性，又會(huì)賦予材料一定的柔性。對(duì)于生物基的聚羥基脂肪酸酯（PHA），隨著聚合度（反映分子鏈長度）的增加，材料的拉伸強(qiáng)度和硬度會(huì)提高，同時(shí)也保留了一定的柔韌性，可應(yīng)用于不同場景。交聯(lián)是指分子鏈之間通過化學(xué)鍵相互連接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。輕度交聯(lián)時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)之間的分子鏈仍有一定的運(yùn)動(dòng)空間，材料會(huì)保持一定的柔性，同時(shí)由于交聯(lián)結(jié)構(gòu)的存在，其剛性和強(qiáng)度也會(huì)有所提升。
如輕度交聯(lián)的海藻酸鈉水凝膠，既有良好的柔韌性可以貼合皮膚，又具備一定的強(qiáng)度用于傷口護(hù)理。而高度交聯(lián)時(shí)，分子鏈的運(yùn)動(dòng)受到極大限制，材料會(huì)變得堅(jiān)硬、脆性大，剛性顯著提高，柔性大幅降低 。
溫度對(duì)高分子材料的剛?cè)嵊绊戯@著。隨著溫度升高，分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子鏈的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，材料的柔性增加，剛性降低；溫度降低時(shí)則相反。濕度也會(huì)對(duì)一些親水性的生物基高分子材料產(chǎn)生影響，如纖維素基材料，在高濕度環(huán)境下，水分子會(huì)進(jìn)入分子鏈之間，削弱分子間作用力，使材料變得柔軟，剛性下降。三、剛?cè)崽匦灾鲗?dǎo)材料應(yīng)用與改性創(chuàng)新高分子材料的剛?cè)崽匦灾敢煌I(lǐng)域的材料選擇方向。在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的剛性和強(qiáng)度要求高，生物基聚酰亞胺復(fù)合材料憑借出色的剛性和耐高溫性能脫穎而出。這類材料的分子鏈中含有大量剛性的芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，分子間作用力強(qiáng)，能在環(huán)境下保持穩(wěn)定形態(tài)，可用于制造飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身框架等關(guān)鍵部件 。而在柔性電子領(lǐng)域，柔性成為材料的核心訴求?；谏锘郯滨ブ苽涞娜嵝詫?dǎo)電薄膜，具有良好的柔韌性和拉伸性能，其分子鏈中軟段賦予材料高彈性，硬段提供一定的強(qiáng)度，使得薄膜在反復(fù)彎曲、拉伸過程中仍能保持導(dǎo)電性能，適用于可穿戴電子設(shè)備、柔性顯示屏等產(chǎn)品 。在醫(yī)療領(lǐng)域，組織工程支架需要同時(shí)具備一定的剛性以支撐組織生長，又要有足夠的柔性來適應(yīng)人體組織的生理活動(dòng)。由聚羥基丁酸酯（PHB）和聚乙二醇（PEG）共混制成的支架材料，PHB提供剛性，PEG增加柔性，契合這一需求。為了讓高分子材料更好地滿足特定應(yīng)用場景對(duì)剛?cè)嵝缘男枨?，共混改性是一種常用且有效的手段。例如，聚乳酸（PLA）雖然是一種具有良好生物降解性的材料，但它本身剛性較高、韌性不足，限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。通過與聚己二酸 - 對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）共混，PBAT的柔性分子鏈穿插在PLA分子鏈之間，降低了PLA分子鏈間的相互作用力，有效改善了PLA的韌性 。目前我們在超市中看到的塑料袋，大多數(shù)PLA與PBAT共混制得的。
高分子材料的剛?cè)崽匦载灤┯谛阅鼙碚鳌⒔Y(jié)構(gòu)本質(zhì)、應(yīng)用選擇和改性優(yōu)化的全鏈條。在生物基可降解材料蓬勃發(fā)展的今天，深入挖掘剛?cè)崽匦缘膴W秘，不斷創(chuàng)新材料設(shè)計(jì)與改性技術(shù)，我們就能解鎖更多環(huán)保材料的應(yīng)用潛力，為構(gòu)建綠色、可持續(xù)的未來添磚加瓦。
