各種塑料制品在我們的生活中隨處可見，為我們帶來了極大的便利。如果仔細(xì)觀察一下就會發(fā)現(xiàn)，不同的塑料制品往往有著不同的透明程度。例如裝礦泉水的 塑料瓶透明程度堪比玻璃，如果把一張報(bào)紙放在瓶子背后，可以清楚地辨認(rèn)出上面的文字；而另外一些塑料制品則是半透明甚至完全不透明，例如一些裝牛奶和果汁 的塑料瓶就是如此。

 

       圖1 兩種常見的塑料：聚碳酸酯（上）和聚丙烯（下），厚度均為約3毫米，可見二者的透明程度有明顯差別。

 

    為什么不同的塑料制品透明程度不同？要回答這個(gè)問題，我們需要先來了解一下塑料制品是如何生產(chǎn)出來的。

 

    塑料是高分子化合物的一種，也就是說，它是由許許多多的小分子之間發(fā)生聚合反應(yīng)得到的分子量非常大的化學(xué)物質(zhì)，發(fā)生聚合反應(yīng)的小分子我們稱之為單體。例如常見的塑料聚乙烯，它的單體在常溫常壓下是一種氣體——乙烯。在合適的條件下，無數(shù)的乙烯分子互相拉起手來，就得到了聚乙烯。

 

      圖2 由乙烯合成聚乙烯

 

    看到上面列出的化學(xué)反應(yīng)式，有些朋友可能會在腦海中浮現(xiàn)出這樣的畫面：在化工廠里，操作人員 在生產(chǎn)線的一端通入乙烯的氣體，在另外一端，聚乙烯制成的塑料瓶、塑料杯和塑料盒等就源源不斷地生產(chǎn)出來。實(shí)際上，塑料制品的生產(chǎn)加工過程并非如此簡單， 包括了原材料生產(chǎn)和塑料制品加工兩個(gè)環(huán)節(jié)。仍以聚乙烯為例，生產(chǎn)企業(yè)只負(fù)責(zé)讓乙烯分子互相之間發(fā)生反應(yīng)，得到聚乙烯的粉末或者顆粒。這些粉末或者顆粒隨后 會被交給加工企業(yè)，由它們負(fù)責(zé)生產(chǎn)出形狀各異的聚乙烯制品。

圖3 單體經(jīng)聚合反應(yīng)變成塑料后，通常并非直接得到成型的塑料制品，而是先被加工成粉末或者顆粒。

 

    那么塑料的粉末或者顆粒是如何在塑料加工企業(yè)的手上變成各種塑料制品呢？簡單來說，先將塑料 加熱到一定的溫度以上，這個(gè)時(shí)候原本堅(jiān)硬的塑料會變得像水一樣能夠自由的流動(dòng)，雖然它們流動(dòng)起來要比水慢許多，這樣的狀態(tài)稱為熔融態(tài)。由于可以流動(dòng)，接下 來就可以把熔融態(tài)的塑料注入到特定的模具中，賦予它新的形狀。最后將溫度降下來，新的形狀就被固定了下來[1]。而正是在降溫的過程中，一系列微妙的變化發(fā)生了。

 

      圖4 塑料加工的一種常用方法：擠出成型。塑料的粉末或者顆粒被加入擠出機(jī)并被加熱，熔融態(tài)的塑料在轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿的帶動(dòng)下向前移動(dòng)，通過模具后冷卻成型[2]。

 

    大家都知道，當(dāng)溫度降低到零攝氏度，水會變成冰，這就是通常所說的結(jié)晶過程。在室溫下時(shí)，水 的分子比較活躍，不停地朝著各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因而它們之間的排列是雜亂無章的。一旦溫度降到零度或者更低，水分子就不再是這種雜亂無章的狀態(tài)，而是非常有規(guī) 律地排列起來，形成晶體。這就好比在劇場里，當(dāng)演出尚未開始時(shí)，觀眾大多在隨意走動(dòng)和交談，可是一旦舞臺大幕拉開，演出即將開始，大家會很快在座位上坐 好。對于水這樣的小分子來說，只要溫度降得足夠低，結(jié)晶通常可以很快地進(jìn)行，液體也可以全部變成晶體。

 

    如果我們先讓劇場內(nèi)的觀眾每十個(gè)人互相拉起手來。當(dāng)演出即將開始，這些觀眾當(dāng)然也想回到自己 的座位上?？墒钱?dāng)十個(gè)人連在一起后，行動(dòng)起來就不像一個(gè)人那么方便。而且周圍的人也全都是每十個(gè)互相連在一起，從這樣的人群中穿過自然也變得更加困難。當(dāng) 演出開始時(shí)，恐怕只有極少的十人組能夠坐到自己的座位上。如果互相拉起手來的不是十個(gè)人，而是一百個(gè)甚至一千個(gè)人，他們要結(jié)束隨意走動(dòng)的狀態(tài)坐到座位上將 會更加困難。塑料就屬于這樣的情況。塑料分子相當(dāng)于成千上萬的小分子連接起來，因此當(dāng)溫度降低時(shí)，它們結(jié)晶的速度要比小分子慢得多。

 

    而且，即便延長時(shí)間，也很難看到一塊塑料全部變成晶體。絕大部分塑料不僅結(jié)晶很慢，而且很難讓全部的分子都形成晶體，例如聚丙烯這種常見的塑料只有50～60%的分子能夠形成晶體[3]。

 

    那么無法結(jié)晶的塑料分子去了哪里呢？如果溫度足夠高，這些分子當(dāng)然繼續(xù)以可流動(dòng)的熔融態(tài)形式存在。當(dāng)溫度降低到室溫后，這些無法結(jié)晶的分子失去了流動(dòng)的能力，也變成了固體。在這樣的固體中，塑料分子仍然雜亂無章地排列著，這種情況被稱為無定形態(tài)[4]。 我們見到的塑料制品，往往同時(shí)包括了這種塑料的結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)。當(dāng)然，我們并不會觀察到一只塑料盒中某個(gè)區(qū)域是結(jié)晶的塑料或是無定形的。這是因?yàn)檫@兩種 形式的塑料固體并非像互不相容的油和水那樣完全分隔開。相反，塑料分子的晶體通常形成小的球形顆粒分散在無定形態(tài)的塑料中[5]，這些球形顆粒的直徑往往在幾微米到幾百微米之間，這么小的尺寸肉眼是很難分辨的[6]。正是這樣的結(jié)構(gòu)，讓塑料變得不透明。這又是為什么呢？

 

    我們都有這樣的體驗(yàn)：向一杯水中加入少量牛奶，水就不會再想原來那樣澄清；晴朗的天空能見度非常好，而一旦出現(xiàn)大霧就很難看清遠(yuǎn)處的物體。這些現(xiàn)象都是透明程度下降的典型例子，導(dǎo)致這些現(xiàn)象的 “罪魁禍?zhǔn)?rdquo;也都是同一種光學(xué)現(xiàn)象——散射[7]。

 

    水之所以看起來是透明的，是因?yàn)楣饩€可以直線穿過水和玻璃到達(dá)對面的物體，在物體表面發(fā)生反 射后，反射光再次穿過水和玻璃到達(dá)我們的眼睛，讓我們可以看清對面的物體。然而如果往水中倒入牛奶，其所含的油脂和蛋白質(zhì)分散在水中形成小液滴，在水中穿 行的光遇到這些小液滴，入射光和反射光都有相當(dāng)一部分就偏離了原先的軌跡，不再直線前進(jìn)，而是向四面八方傳播開去，對面的物體在我們的眼睛里就變得模糊 了，這就造成了半透明的效果。如果倒入更多的牛奶，使得散射非常強(qiáng)烈，入射的光線完全不能穿過這杯水，全部回到了我們的眼中，我們就會覺得杯中的水是完全 不透明的白色。同樣的道理，霧天能見度之所以下降，是因?yàn)轱h浮在空氣中小水滴造成了光散射。

 

    雖然同一種塑料的結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，但是由于分子的排列不同，對于光來說這仍然是兩種不同的介質(zhì)，因此當(dāng)在無定形態(tài)的塑料中穿行的光遇到了晶體的小顆粒時(shí)，散射同樣會發(fā)生，于是塑料的透明程度就顯著下降了[8]。

 

    圖5 左上：散射現(xiàn)象不存在時(shí)，光能夠完全透過物體，人眼會感覺此物體是透明的；

    右上：散射的存在使得光不能完全穿透物體，造成半透明的效果；

    下：散射現(xiàn)象非常強(qiáng)烈時(shí)，所有光線都不能穿透物體，造成不透明的效果。

    現(xiàn)在我們知道，造成塑料制品半透明或者不透明的直接原因是光的散射現(xiàn)象，但背后的原理則是因?yàn)樗芰溪?dú)特的結(jié)晶過程。那么我們有沒有可能讓塑料變得透明呢？敬請關(guān)注《為什么不同的塑料制品透明程度不同》系列的下一篇：《解鈴還須系鈴人》。

 

參考文獻(xiàn)和注釋

 

[1] 實(shí)際上這里描述的加工方法只適用于熱塑型塑料，這類塑料在高溫時(shí)可以流動(dòng)，因而可以被反復(fù)改變形狀。另一大類常見的塑料是熱固型塑料。熱固型塑料的生產(chǎn)加 工一般是先將單體初步反應(yīng)得到預(yù)聚物，預(yù)聚物隨后被注入到模具中，經(jīng)過進(jìn)一步的反應(yīng)得到塑料制品成品。熱固型塑料在反應(yīng)過程中分子之間發(fā)生了交聯(lián)，因而在 高溫時(shí)不再能夠流動(dòng)，也就是成型之后無法被再次加工。

 

[2] http://www.technologystudent.com/equip1/plasextru1.html

 

[3] http://pslc.ws/macrog/pp.htm

 

[4] 熔融態(tài)的塑料失去流動(dòng)性形成無定形態(tài)的溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。常見塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都高于室溫，但也有一些例外，例如聚乙烯和聚丙烯的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度都低于室溫。因此在室溫下，這些塑料中沒有結(jié)晶的部分實(shí)際上仍然處在熔融態(tài)。

 

[5] 實(shí)際上這種球形顆粒并非完全由晶體組成，而是由許多從同一中心出發(fā)沿著徑向生長的片狀晶體組成，夾在片狀晶體之間的是無定形態(tài)的塑料分子。這種形態(tài)被稱為球晶。

 

[6] 結(jié)晶態(tài)和無定形態(tài)的塑料光學(xué)性質(zhì)往往差別不大，因而即便普通的光學(xué)顯微鏡也難以分辨，觀察球晶通常需要使用偏光顯微鏡。

 

[7] 當(dāng)顆粒的尺寸與可見光的波長相仿時(shí)，光的散射會非常強(qiáng)烈。塑料晶體顆粒的尺寸一般都在這個(gè)范圍。

 

[8] 塑料制品的透明程度當(dāng)然還與其他許多因素有關(guān)。例如同一種材料，厚度越大，越容易變得不透明。表面處理也可以改變塑料制品的透明程度。