我們在談論高分子材料時，常常會說“這種材料剛性很強”，或是“那款材料韌性佳”。剛性強的材料，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、彎折時展現出出色的變形能力。但你是否想過，究竟哪些性能指標可以精準衡量材料的剛柔特性？又是什么因素從本質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！
在高分子材料的眾多力學性能指標中，不同指標分別承擔著反映材料剛性與柔性的重任。剛性擔當：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，數值越高，材料越“硬氣”，越不容易彎曲變形。硬度則直觀體現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。拉伸強度和壓縮強度也在一定程度上反映材料剛性。拉伸強度是材料在拉伸斷裂前所能承受的最大應力，拉伸強度高意味著材料能承受較大的拉力而不被拉斷，展現出較強的剛性；壓縮強度同理，反映材料抵抗壓縮變形的能力，數值越高剛性越強。
柔性擔當：斷裂伸長率和沖擊強度是衡量柔性的重要指標。斷裂伸長率表示材料在拉斷時的伸長量與原始長度的比值，數值越大，材料能拉伸得越長，柔韌性越好。沖擊強度反映材料在受到沖擊載荷時吸收能量的能力，沖擊強度高的材料，在遭受外力沖擊時不易破碎，表現出良好的韌性和柔性。
主鏈結構是影響高分子材料剛柔的核心因素。主鏈中若單鍵較多，由于單鍵可以自由旋轉，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動和舒展，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。
而當主鏈中存在雙鍵時，雙鍵不能自由旋轉，限制了分子鏈的運動，會使材料剛性增加。像含有共軛雙鍵結構的生物基聚酯材料，其剛性相對較高。苯環的存在同樣會降低分子鏈的柔性，因為苯環是剛性結構，難以發生變形和旋轉。
2. 局部自由度
分子鏈局部的結構和基團也會影響材料的剛柔。側基的大小、極性和數量都會產生作用。較大的側基會阻礙分子鏈的運動，降低柔性，增加剛性。例如，帶有長鏈烷基側基的生物基高分子材料，其剛性會隨著側基長度的增加而提高。
極性側基之間會產生較強的相互作用力，也會限制分子鏈的運動，提升剛性。如含有羥基、羧基等極性基團的生物基纖維素衍生物，通過調整基團的數量和分布，可以調控材料的剛柔性能 。
分子間作用力的強弱直接影響高分子材料的剛柔。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，分子鏈越難以相對滑動和運動，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度，在生物醫用領域可用于制備傷口敷料等產品 。相反，分子間作用力較弱時，分子鏈更容易運動，材料表現出良好的柔性。
分子鏈的長度對于材料的“剛性”與“柔性”來說，是一把“
”，一般來說，分子鏈長度增加，分子鏈之間的纏結程度會提高，這在一定程度上限制了分子鏈的運動，使材料剛性有所增加。但同時，較長的分子鏈也增加了分子鏈的構象數，使分子鏈有更多的運動方式和可能性，又會賦予材料一定的柔性。對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，材料的拉伸強度和硬度會提高，同時也保留了一定的柔韌性，可應用于不同場景。交聯是指分子鏈之間通過化學鍵相互連接形成三維網絡結構。輕度交聯時，交聯點之間的分子鏈仍有一定的運動空間，材料會保持一定的柔性，同時由于交聯結構的存在，其剛性和強度也會有所提升。
如輕度交聯的海藻酸鈉水凝膠，既有良好的柔韌性可以貼合皮膚，又具備一定的強度用于傷口護理。而高度交聯時，分子鏈的運動受到極大限制，材料會變得堅硬、脆性大，剛性顯著提高，柔性大幅降低 。
溫度對高分子材料的剛柔影響顯著。隨著溫度升高，分子熱運動加劇，分子鏈的運動能力增強，材料的柔性增加，剛性降低；溫度降低時則相反。濕度也會對一些親水性的生物基高分子材料產生影響，如纖維素基材料，在高濕度環境下，水分子會進入分子鏈之間，削弱分子間作用力，使材料變得柔軟，剛性下降。高分子材料的剛柔特性指引著不同領域的材料選擇方向。在航空航天領域，對材料的剛性和強度要求高，生物基聚酰亞胺復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結構，分子間作用力強，能在環境下保持穩定形態，可用于制造飛機的機翼、機身框架等關鍵部件 。而在柔性電子領域，柔性成為材料的核心訴求。基于生物基聚氨酯制備的柔性導電薄膜，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，硬段提供一定的強度，使得薄膜在反復彎曲、拉伸過程中仍能保持導電性能，適用于可穿戴電子設備、柔性顯示屏等產品 。在醫療領域，組織工程支架需要同時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人體組織的生理活動。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用場景對剛柔性的需求，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，限制了其在一些領域的應用。通過與聚己二酸 - 對苯二甲酸丁二酯（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PLA與PBAT共混制得的。
高分子材料的剛柔特性貫穿于性能表征、結構本質、應用選擇和改性優化的全鏈條。在生物基可降解材料蓬勃發展的今天，深入挖掘剛柔特性的奧秘，不斷創新材料設計與改性技術，我們就能解鎖更多環保材料的應用潛力，為構建綠色、可持續的未來添磚加瓦。
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