【讓塑料變得透明的秘密】系列文章之（二）
在《為什么塑料會不透明》中提到，光的散射現象導致包括塑料制品在內的許多半透明或者不透明現象的發生，因此要想提高透明程度，就必須設法減弱或者消除光的散射。例如懸浮在水中的泥沙顆粒會讓水變混濁，而通過過濾或者離心的方法除去水中的雜質就可以讓水重新變得清澈透明。
光在穿過塑料時，遇到遍布在無定形態的塑料中的無數小的球形顆粒狀塑料晶體，便會發生散射。顯然，要想讓塑料變得更加透明，就必須設法消除這樣的結構，讓散射現象不復存在。一個容易想到辦法是讓整塊塑料完全結晶。然而上一篇我們提到，與小分子相比，塑料分子的結晶不僅要慢得多，而且很難進行得很完全。想讓全部塑料分子都形成晶體是不現實的。那有沒有別的方法呢？有，那就是讓所有塑料分子都不能結晶。對于照射到塑料上的光來說，只要沒有導致光散射的小顆粒，就可以順利地穿過塑料，與塑料中究竟是晶體還是無定形態都沒有關系[1]。因此，如果一塊塑料中所有的分子都處在無定形態，這塊塑料同樣可以變得更加透明。那么該如何讓塑料不能結晶呢？讓我們再來看一下前面提到的聚乙烯。
聚乙烯不僅是我們非常熟悉的一種塑料，也是結構最為簡單的一種塑料，它的分子相當于每個碳原子上連接了兩個氫原子，然后不斷重復。如果我們把所有的碳原子放在同一個平面上，那么與碳原子相連的氫原子自然一半在平面上方，另一半在平面的下方。
現在讓我們把聚乙烯的化學結構變一變，每隔一個碳原子，將碳原子上面的一個氫原子變成苯環，于是聚乙烯就變成了另一種重要的塑料——聚苯乙烯。當聚乙烯變成聚苯乙烯后，隨之而來的就是一個問題：這些苯環究竟分布在平面的哪一側呢？
的用于生產透明器具的塑料，但導致它們透明的機理并不相同。
不難看出，苯環的分布有三種不同的方式：第一種方式是所有的苯環全部位于平面的同一側，這樣的結構被稱為全同式結構；第二種方式是苯環交替地位于平面的兩側，也就是說，相鄰的兩個苯環一定是一個位于平面上方，另一個位于平面下方。這樣的結構被稱為間同式結構；最后一種方式則是苯環相對于平面的位置完全隨意，也就是說相鄰的兩個苯環既有可能位于平面的同一側，也有可能位于平面的兩側，這樣的結構被稱為無規式結構，也就是說苯環的位置完全沒有規律可循。
我們都知道，晶體的形成要求分子之間按照一定的規律排列起來。如果我們試著把許多的聚乙烯分子或者聚苯乙烯分子排列起來，就會發現，聚乙烯分子由于結構簡單，分子之間很容易就可以堆疊在一起，因此與其它塑料相比，聚乙烯更加容易結晶，70%或者更多的分子都可以形成晶體[2]。全同或者間同式的聚苯乙烯呢？雖然分子上多了許多笨重的苯環，但是只要稍加調整，它們還是可以緊密地排列起來，因此這兩種形式的聚苯乙烯也可以有一部分分子形成晶體。
而無規式結構的聚苯乙烯則完全不同，由于苯環的位置完全沒有規律，讓這樣的分子有規律地排列起來變得非常困難，往往是這邊排列好了，那邊就變得不合適。對于無規式的聚苯乙烯來說，形成晶體幾乎是一個不可能實現的目標，而處在無定形態反倒更加地“舒坦”。因此在無規式的聚苯乙烯中，我們找不到哪怕一丁點晶體的存在。
由于分子結構的不規則，難以形成晶體
那么我們生活中碰到的聚苯乙烯究竟是這三種結構中的哪一種呢？雖然三種結構的聚苯乙烯都可以被生產出來，但是無規形式的聚苯乙烯生產起來要容易得多，所以日常的聚苯乙烯主要是這種類型。沒有了晶體，自然不必擔心由此導致的散射，因此用無規聚苯乙烯加工出來的塑料制品可以非常得透明。生活中常見的用聚苯乙烯制成的透明器具包括光盤盒和某些一次性的塑料杯。另外，實驗室經常用到的塑料培養皿和微孔板也常常用聚苯乙烯制成，它們也是高度透明的。
右上：培養皿；下：微孔板。圖片取自網絡。
如果將聚苯乙烯分子中的苯環替換成一個甲酯結構，同時將同一個碳原子上的另一個氫原子替換成甲基，聚苯乙烯就變成了聚甲基丙烯酸甲酯。與聚苯乙烯一樣，聚甲基丙烯酸甲酯也具有全同、間同和無規三種不同的結構，且主要生產的也是無規結構，因此它也會由于難以結晶而具有良好的透明程度。聚甲基丙烯酸甲酯的透明程度可以與玻璃相媲美，但相同體積的聚甲基丙烯酸甲酯的重量還不到玻璃的一半。另外，聚甲基丙烯酸甲酯的韌性也要大大優于玻璃，不像玻璃那樣稍微受撞擊就裂成碎片。因此，聚甲基丙烯酸甲酯被大量地用來取代玻璃，而它也就有了一個大名鼎鼎的綽號——有機玻璃[3]。
比較一下聚乙烯和聚碳酸酯的結構我們就會發現，聚乙烯的分子骨架是由一個個碳原子相互連接而成，這些碳原子之間移動起來很容易，整個分子非常靈活。然而聚碳酸酯的分子骨架上卻布滿了一個又一個的苯環，這使得整個分子變得很笨重。如果把聚乙烯分子看成拉起手來的許多年輕人，聚碳酸酯就像是步履蹣跚的老年人在一起。因此結晶對于聚碳酸酯來說是一個遙不可及的目標，它在固體時只能以無定形的形式存在，這樣自然具有很高的透明度。
與聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的透明程度不僅毫不遜色，它還比聚甲基丙烯酸酯能夠耐受更高的使用溫度和更大的外力沖擊。美中不足的是，聚碳酸酯的生產成本要高得多，因此它更多地被用于要求較高機械強度的場合。聚碳酸酯的一個典型的應用是生產光盤，除此之外它還經常被用作透明的屋頂或墻面的材料，或是被用來生產鏡片、安全面罩和防護盾牌。聚碳酸酯偶爾也被用來生產食品容器，例如一些比較結實的水杯就是用它制造的。
俗話說，解鈴還須系鈴人。對于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯這樣的塑料，我們通過控制它們的化學結構讓它們失去了形成晶體的可能，從而一勞永逸地解決了結晶帶來的透明度下降的問題，可以非常方便地用它們加工出透明的塑料制品。不過，還有許多塑料材料，讓它們變得透明需要一些技巧，敬請關注《為什么不同的塑料制品透明程度不同》 系列的第三部分：讓塑料變透明之“火候”很重要。
參考文獻和注釋（略）
