ABS树脂：带来美好童年的不凡材料

　　今年6月，著名玩具积木制造商乐高公司宣布将投资1.5亿美元成立一个拥有超过100名雇员的研发中心，其宗旨是寻找来自可再生资源的新材料，以代替目前用于生产玩具积木的以石油为原料的塑料，并且希望在2030年完成这一转变[1]。

　　虽然乐高在宣布这一决定时并没有具体说明究竟计划替代哪一种塑料，但只要对其稍有了解的人都会知道，目前主要用于生产乐高玩具积木的是一种名为ABS树脂的塑料。那么，ABS树脂究竟是怎样的一种材料，为何会被著名的玩具制造商青睐呢？

　　用ABS树脂制成的乐高积木（图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene）

　　ABS树脂是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的简称。这种材料为什么会有这样一个又长又拗口的名字呢？且听我慢慢道来。

　　我们知道，塑料、橡胶、化学纤维等合成的高分子材料主要是通过聚合反应将小分子相互连接而得到的。例如常见的塑料之一聚苯乙烯就是成千上万个苯乙烯分子在合适的条件下互相拉起手来得到的。如果把苯乙烯看作一个小球，那么聚苯乙烯就像是无数小球被绳索穿在一起，因此苯乙烯被称为聚苯乙烯的单体。

　　苯乙烯聚合得到聚苯乙烯

　　苯乙烯之所以能够互相反应得到聚苯乙烯，是因为它们的分子中存在着一种名为碳-碳双键的结构。但这种结构并非苯乙烯的专利。例如一种叫做丙烯腈的分子就说了：碳-碳双键我也有，我也能聚合成相应的高分子材料——聚丙烯腈。聚丙烯腈纺成纤维，就是被熟知的腈纶。

　　既然大家都有碳-碳双键，那么如果把苯乙烯和丙烯腈放在一起，又会发生什么呢？在这种情况下，不仅同种分子之间会发生反应，苯乙烯和丙烯腈之间也会发生反应。如果把苯乙烯和丙烯腈分别看作红色和蓝色的小球，那么反应产物就像是红蓝相间的一条链子——同一个分子上既有苯乙烯的结构也有丙烯腈的结构。像这样两种或者更多单体同时参与的聚合反应，我们称之为共聚，反应产物也就相应称为共聚物。例如苯乙烯和丙烯腈共聚得到的高分子就叫做苯乙烯-丙烯腈共聚物。而像聚苯乙烯这样的高分子材料只有一种单体组成，因此被称为均聚物。

　　苯乙烯与丙烯腈的共聚

　　聚苯乙烯这种材料优点很多，例如成本低廉、具有一定的硬度和机械强度等，因此被用于制造很多物品。但人们觉得它的机械强度还是不够，特别是用来生产需要经久耐用的商品还不太合格。但如果在生产聚苯乙烯过程中加入丙烯腈进行共聚，得到的共聚物的机械强度要比聚苯乙烯高得多。另一方面，聚丙烯腈空有高的机械强度却几乎无用武之地，因为塑料通常需要加热熔融才能进行加工，可是“脾气古怪”的聚丙烯腈在加热时宁可分解也不肯熔化，但如果在生产聚丙烯腈过程中加入苯乙烯单体进行共聚，这个问题就迎刃而解了。因此，共聚让聚苯乙烯和聚丙烯腈这两种材料都“脱胎换骨”。事实上，由于共聚经常能够带来性能比均聚物更加优越的材料，很多在教科书上以均聚物的形式出现的高分子材料，在实际应用中总是以共聚物的形式存在。毫不夸张地说，离开共聚和共聚物，合成高分子材料的世界将变得黯淡得多。

　　有的朋友可能会说，不需要这么麻烦，直接把聚苯乙烯和聚丙烯腈混合在一起不就万事大吉了？但问题并没有这么简单。我们知道，并不是任何两种物质都能均匀混合在一起，例如把水和植物油的混合物，无论怎样剧烈搅拌，搅拌一旦停止它们就会分开，即发生了相分离。更为糟糕的是，发生相分离的趋势随着分子链段的变长会变得更加强烈。许多高分子材料的单体彼此亲密无间，可一旦变成高分子化合物，就立刻“翻脸不认人”，难以形成混合物。如果两种或者更多的高分子材料互相之间不能均匀混合，将它们放到一起往往只会让材料性能变得更糟糕。因此希望通过混合不同高分子材料来改善性能，在很多时候是行不通的。这个时候我们就需要共聚出马，将两种材料“强行”结合在一起。

　　苯乙烯和丙烯腈共聚得到的高分子材料兼具了聚苯乙烯和聚丙烯腈的优点，但是韧性还不够，遇到外力冲击容易破碎。用这样的材料做成玩具很可能被小孩子摔打几次就残破不堪了。提高韧性的方法仍然是靠共聚，引入第三种单体——丁二烯[5]。丁二烯自身聚合得到的聚丁二烯是一种橡胶，因此引入这种单体能够显著提高材料的韧性。在实际生产中我们通常不是将三种单体直接放在一起进行反应，而是先让丁二烯自身反应得到聚丁二烯，再把苯乙烯和丙烯腈添加进来。在这个过程中，苯乙烯和丙烯腈形成的共聚物会连接到聚丁二烯的分子上，最终的产物因此得名丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物[5]。由于这个名字太长不方便使用，人们选取了三种单体的英文首字母，给它命名为ABS树脂。

　　ABS树脂的结构示意图，以及构成ABS树脂的三种单体的化学结构和名称

　　ABS树脂既坚硬又有韧性，同时易于加工和上色，并且能够在相当宽的温度范围内维持性能，因此可以说是一种相当卓越的材料。不过更为关键的是，ABS树脂成功地填补了塑料材料的一个空位。像聚苯乙烯这样的材料成本很低，但是性能不足以胜任较为高端的应用，而另外一些高性能的塑料，其较高的价格往往也让人望而却步。这种“低价低性能、高价高性能”的局面会让一些塑料制品加工者在选择材料时感到无所适从。而ABS树脂恰好满足了这部分用户的需求：既能够提供比常规塑料更为优异的性能，价格又不至于过高，因此特别适合生产需要经久耐用的消费产品，在汽车、家用电器、电脑等商品中都能见到它们的身影。不过ABS树脂最为著名的应用恐怕还要数乐高玩具积木了。乐高公司原本使用醋酸纤维素生产玩具积木，发现ABS树脂性能更佳后就逐渐用其取代了醋酸纤维素。据统计，在2014年乐高生产了超过600亿块玩具积木组件，这其中除了少数需要透明的积木组件使用聚碳酸酯，需要良好弹性的组件使用橡胶，以及用尼龙生产玩具人物的衣物外，其余全部是使用ABS树脂加工[1,6]。ABS树脂称得上是造就乐高玩具帝国的一大功臣。

　　当然，像其他合成高分子材料一样，ABS也存在一个很大的问题，那就是生产它所用的原材料来源于石油等不可再生资源。近年来，随着资源和环境问题日益突出，许多研究人员都在尝试改以生物质或者回收的塑料为原材料，希望让塑料的生产加工过程变得更为环境友好，因此乐高的决策也在意料之中。不过也有人对此持怀疑态度，认为目前以生物质为原料的新型塑料在性能上还难以匹敌ABS树脂。

　　ABS树脂在不久的将来是否会被其他材料全面取代，目前恐怕仍然是个未知数。不过不管它的命运如何，对于这样一种为我们带来了美好童年的不凡材料，让我们道一声谢谢吧。

　　参考文献和注释：

　　[1] http://www.lego.com/en-us/aboutus/news-room/2015/june/sustainable-materials-centre

　　[2] 一些高分子材料的合成需要两种不同化合物共同参与聚合反应，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯就是由对苯二甲酸和乙二醇相互反应而来。但由于这两种化合物单独均不能发生聚合反应得到高分子，因此像这样的高分子材料仍然被视为均聚物。

　　[3]在共聚物中我们可以通过控制聚合反应条件让不同的单体先分别形成各自的均聚物，再通过化学反应连接起来得到共聚物，这样的共聚物称为嵌段共聚物。参与构成嵌段共聚物的各个均聚物互相之间仍然可以发生相分离，但这种相分离的尺度要小得多，称为微观相分离。

　　[4] 严格来说应该称为1,3-丁二烯。丁二烯还有另一种同分异构体1,2-丁二烯，但这种分子难以制备，很少用于实际应用，因此一般说的丁二烯就是指1,3-丁二烯。

　　[5] 实际上在ABS树脂中，聚丁二烯的分子骨架和连接到聚丁二烯上的丙烯腈-苯乙烯共聚物也存在微观相分离。另外在生产ABS树脂的过程中也会同时产生丙烯腈-苯乙烯共聚物，因此最终产物既有三种单体的共聚物，也同时存在丙烯腈-苯乙烯共聚物和丁二烯的均聚物。

　　[6] http://lego.wikia.com/wiki/Acrylonitrile_Butadiene_Styrene