为什么塑料会不透明

摘要

各种塑料制品在我们的生活中随处可见,为我们带来了极大的便利。如果仔细观察一下就会发现,不同的塑料制品往往有着不同的透明程度。例如装矿泉水的塑料瓶透明程度堪比玻璃,如果把一张报纸放在瓶子背后,可以清楚地辨认出上面的文字;而另外一些塑料制品则是半透明甚至完全不透明,例如一些装牛奶和果汁的塑料瓶就是如此。这是为什么呢?

【让塑料变得透明的秘密】系列文章之(一)

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各种塑料制品在我们的生活中随处可见,为我们带来了极大的便利。如果仔细观察一下就会发现,不同的塑料制品往往有着不同的透明程度。例如装矿泉水的塑料瓶透明程度堪比玻璃,如果把一张报纸放在瓶子背后,可以清楚地辨认出上面的文字;而另外一些塑料制品则是半透明甚至完全不透明,例如一些装牛奶和果汁的塑料瓶就是如此。

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图1 两种常见的塑料:聚碳酸酯(上)和聚丙烯(下),厚度均为约3毫米,可见二者的透明程度有明显差别。

为什么不同的塑料制品透明程度不同?要回答这个问题,我们需要先来了解一下塑料制品是如何生产出来的。

塑料是高分子化合物的一种,也就是说,它是由许许多多的小分子之间发生聚合反应得到的分子量非常大的化学物质,发生聚合反应的小分子我们称之为单体。例如常见的塑料聚乙烯,它的单体在常温常压下是一种气体——乙烯。在合适的条件下,无数的乙烯分子互相拉起手来,就得到了聚乙烯。

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图2 由乙烯合成聚乙烯

看到上面列出的化学反应式,有些朋友可能会在脑海中浮现出这样的画面:在化工厂里,操作人员在生产线的一端通入乙烯的气体,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断地生产出来。实际上,塑料制品的生产加工过程并非如此简单,包括了原材料生产和塑料制品加工两个环节。仍以聚乙烯为例,生产企业只负责让乙烯分子互相之间发生反应,得到聚乙烯的粉末或者颗粒。这些粉末或者颗粒随后会被交给加工企业,由它们负责生产出形状各异的聚乙烯制品。

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图3 单体经聚合反应变成塑料后,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颗粒。

那么塑料的粉末或者颗粒是如何在塑料加工企业的手上变成各种塑料制品呢?简单来说,先将塑料加热到一定的温度以上,这个时候原本坚硬的塑料会变得像水一样能够自由的流动,虽然它们流动起来要比水慢许多,这样的状态称为熔融态。由于可以流动,接下来就可以把熔融态的塑料注入到特定的模具中,赋予它新的形状。最后将温度降下来,新的形状就被固定了下来[1]。而正是在降温的过程中,一系列微妙的变化发生了。

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图4 塑料加工的一种常用方法:挤出成型。塑料的粉末或者颗粒被加入挤出机并被加热,熔融态的塑料在转动的螺杆的带动下向前移动,通过模具后冷却成型[2]。

大家都知道,当温度降低到零摄氏度,水会变成冰,这就是通常所说的结晶过程。在室温下时,水的分子比较活跃,不停地朝着各个方向运动,因而它们之间的排列是杂乱无章的。一旦温度降到零度或者更低,水分子就不再是这种杂乱无章的状态,而是非常有规律地排列起来,形成晶体。这就好比在剧场里,当演出尚未开始时,观众大多在随意走动和交谈,可是一旦舞台大幕拉开,演出即将开始,大家会很快在座位上坐好。对于水这样的小分子来说,只要温度降得足够低,结晶通常可以很快地进行,液体也可以全部变成晶体。

如果我们先让剧场内的观众每十个人互相拉起手来。当演出即将开始,这些观众当然也想回到自己的座位上。可是当十个人连在一起后,行动起来就不像一个人那么方便。而且周围的人也全都是每十个互相连在一起,从这样的人群中穿过自然也变得更加困难。当演出开始时,恐怕只有极少的十人组能够坐到自己的座位上。如果互相拉起手来的不是十个人,而是一百个甚至一千个人,他们要结束随意走动的状态坐到座位上将会更加困难。塑料就属于这样的情况。塑料分子相当于成千上万的小分子连接起来,因此当温度降低时,它们结晶的速度要比小分子慢得多。

而且,即便延长时间,也很难看到一块塑料全部变成晶体。绝大部分塑料不仅结晶很慢,而且很难让全部的分子都形成晶体,例如聚丙烯这种常见的塑料只有50~60%的分子能够形成晶体[3]

那么无法结晶的塑料分子去了哪里呢?如果温度足够高,这些分子当然继续以可流动的熔融态形式存在。当温度降低到室温后,这些无法结晶的分子失去了流动的能力,也变成了固体。在这样的固体中,塑料分子仍然杂乱无章地排列着,这种情况被称为无定形态[4]。我们见到的塑料制品,往往同时包括了这种塑料的结晶态和无定形态。当然,我们并不会观察到一只塑料盒中某个区域是结晶的塑料或是无定形的。这是因为这两种形式的塑料固体并非像互不相容的油和水那样完全分隔开。相反,塑料分子的晶体通常形成小的球形颗粒分散在无定形态的塑料中[5],这些球形颗粒的直径往往在几微米到几百微米之间,这么小的尺寸肉眼是很难分辨的[6]。正是这样的结构,让塑料变得不透明。这又是为什么呢?

我们都有这样的体验:向一杯水中加入少量牛奶,水就不会再想原来那样澄清;晴朗的天空能见度非常好,而一旦出现大雾就很难看清远处的物体。这些现象都是透明程度下降的典型例子,导致这些现象的 “罪魁祸首”也都是同一种光学现象——散射[7]

水之所以看起来是透明的,是因为光线可以直线穿过水和玻璃到达对面的物体,在物体表面发生反射后,反射光再次穿过水和玻璃到达我们的眼睛,让我们可以看清对面的物体。然而如果往水中倒入牛奶,其所含的油脂和蛋白质分散在水中形成小液滴,在水中穿行的光遇到这些小液滴,入射光和反射光都有相当一部分就偏离了原先的轨迹,不再直线前进,而是向四面八方传播开去,对面的物体在我们的眼睛里就变得模糊了,这就造成了半透明的效果。如果倒入更多的牛奶,使得散射非常强烈,入射的光线完全不能穿过这杯水,全部回到了我们的眼中,我们就会觉得杯中的水是完全不透明的白色。同样的道理,雾天能见度之所以下降,是因为飘浮在空气中小水滴造成了光散射。

虽然同一种塑料的结晶态和无定形态化学结构相同,但是由于分子的排列不同,对于光来说这仍然是两种不同的介质,因此当在无定形态的塑料中穿行的光遇到了晶体的小颗粒时,散射同样会发生,于是塑料的透明程度就显著下降了[8]

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图5 左上:散射现象不存在时,光能够完全透过物体,人眼会感觉此物体是透明的;
右上:散射的存在使得光不能完全穿透物体,造成半透明的效果;
下:散射现象非常强烈时,所有光线都不能穿透物体,造成不透明的效果。

现在我们知道,造成塑料制品半透明或者不透明的直接原因是光的散射现象,但背后的原理则是因为塑料独特的结晶过程。那么我们有没有可能让塑料变得透明呢?敬请关注《为什么不同的塑料制品透明程度不同》系列的下一篇:《解铃还须系铃人》。

参考文献和注释

[1] 实际上这里描述的加工方法只适用于热塑型塑料,这类塑料在高温时可以流动,因而可以被反复改变形状。另一大类常见的塑料是热固型塑料。热固型塑料的生产加工一般是先将单体初步反应得到预聚物,预聚物随后被注入到模具中,经过进一步的反应得到塑料制品成品。热固型塑料在反应过程中分子之间发生了交联,因而在高温时不再能够流动,也就是成型之后无法被再次加工。

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

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

[4] 熔融态的塑料失去流动性形成无定形态的温度称为玻璃化转变温度。常见塑料的玻璃化转变温度都高于室温,但也有一些例外,例如聚乙烯和聚丙烯的玻璃化转变温度都低于室温。因此在室温下,这些塑料中没有结晶的部分实际上仍然处在熔融态。

[5] 实际上这种球形颗粒并非完全由晶体组成,而是由许多从同一中心出发沿着径向生长的片状晶体组成,夹在片状晶体之间的是无定形态的塑料分子。这种形态被称为球晶。

[6] 结晶态和无定形态的塑料光学性质往往差别不大,因而即便普通的光学显微镜也难以分辨,观察球晶通常需要使用偏光显微镜。

[7] 当颗粒的尺寸与可见光的波长相仿时,光的散射会非常强烈。塑料晶体颗粒的尺寸一般都在这个范围。

[8] 塑料制品的透明程度当然还与其他许多因素有关。例如同一种材料,厚度越大,越容易变得不透明。表面处理也可以改变塑料制品的透明程度。

扩展阅读

为什么不同的塑料透明度不同(二)

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