我们在谈论高分子材料时，常常会说“这种材料刚性很强"，或是“那款材料韧性佳"。刚性强的材料，往往有着较高的硬度，能够抵御外界的挤压与变形；而韧性好的材料，则像柔韧的丝带，能在拉伸、弯折时展现出出色的变形能力。但你是否想过，究竟哪些性能指标可以精准衡量材料的刚柔特性？又是什么因素从本质上决定了高分子材料的刚硬与柔软？本文小编将和大家一起探讨这些问题！
在高分子材料的众多力学性能指标中，不同指标分别承担着反映材料刚性与柔性的重任。刚性担当：弯曲模量和硬度堪称刚性的“代言人" 。弯曲模量表征材料抵抗弯曲变形的能力，数值越高，材料越“硬气"，越不容易弯曲变形。硬度则直观体现材料表面抵抗局部压力的能力，硬度大的材料，能更好地维持自身形状，抵御外界的挤压变形。拉伸强度和压缩强度也在一定程度上反映材料刚性。拉伸强度是材料在拉伸断裂前所能承受的最大应力，拉伸强度高意味着材料能承受较大的拉力而不被拉断，展现出较强的刚性；压缩强度同理，反映材料抵抗压缩变形的能力，数值越高刚性越强。
柔性担当：断裂伸长率和冲击强度是衡量柔性的重要指标。断裂伸长率表示材料在拉断时的伸长量与原始长度的比值，数值越大，材料能拉伸得越长，柔韧性越好。冲击强度反映材料在受到冲击载荷时吸收能量的能力，冲击强度高的材料，在遭受外力冲击时不易破碎，表现出良好的韧性和柔性。
主链结构是影响高分子材料刚柔的核心因素。主链中若单键较多，由于单键可以自由旋转，分子链的柔性就较好。例如，聚丁二酸丁二醇酯（PBS），其主链由大量单键组成，分子链能够较为自由地运动和舒展，赋予材料良好的柔韧性，PBS常被用于制造可降解塑料袋、保鲜膜等。
而当主链中存在双键时，双键不能自由旋转，限制了分子链的运动，会使材料刚性增加。像含有共轭双键结构的生物基聚酯材料，其刚性相对较高。苯环的存在同样会降低分子链的柔性，因为苯环是刚性结构，难以发生变形和旋转。
2. 局部自由度
分子链局部的结构和基团也会影响材料的刚柔。侧基的大小、极性和数量都会产生作用。较大的侧基会阻碍分子链的运动，降低柔性，增加刚性。例如，带有长链烷基侧基的生物基高分子材料，其刚性会随着侧基长度的增加而提高。
极性侧基之间会产生较强的相互作用力，也会限制分子链的运动，提升刚性。如含有羟基、羧基等极性基团的生物基纤维素衍生物，通过调整基团的数量和分布，可以调控材料的刚柔性能 。
分子间作用力的强弱直接影响高分子材料的刚柔。氢键、范德华力等分子间作用力越大，分子链之间的相互束缚越强，分子链越难以相对滑动和运动，材料的刚性也就越高。
以壳聚糖为例，壳聚糖分子间存在大量的氢键，这使得壳聚糖具有较高的刚性和强度，在生物医用领域可用于制备伤口敷料等产品 。相反，分子间作用力较弱时，分子链更容易运动，材料表现出良好的柔性。
分子链的长度对于材料的“刚性"与“柔性"来说，是一把“
"，一般来说，分子链长度增加，分子链之间的缠结程度会提高，这在一定程度上限制了分子链的运动，使材料刚性有所增加。但同时，较长的分子链也增加了分子链的构象数，使分子链有更多的运动方式和可能性，又会赋予材料一定的柔性。对于生物基的聚羟基脂肪酸酯（PHA），随着聚合度（反映分子链长度）的增加，材料的拉伸强度和硬度会提高，同时也保留了一定的柔韧性，可应用于不同场景。交联是指分子链之间通过化学键相互连接形成三维网络结构。轻度交联时，交联点之间的分子链仍有一定的运动空间，材料会保持一定的柔性，同时由于交联结构的存在，其刚性和强度也会有所提升。
如轻度交联的海藻酸钠水凝胶，既有良好的柔韧性可以贴合皮肤，又具备一定的强度用于伤口护理。而高度交联时，分子链的运动受到极大限制，材料会变得坚硬、脆性大，刚性显著提高，柔性大幅降低 。
温度对高分子材料的刚柔影响显著。随着温度升高，分子热运动加剧，分子链的运动能力增强，材料的柔性增加，刚性降低；温度降低时则相反。湿度也会对一些亲水性的生物基高分子材料产生影响，如纤维素基材料，在高湿度环境下，水分子会进入分子链之间，削弱分子间作用力，使材料变得柔软，刚性下降。高分子材料的刚柔特性指引着不同领域的材料选择方向。在航空航天领域，对材料的刚性和强度要求高，生物基聚酰亚胺复合材料凭借出色的刚性和耐高温性能脱颖而出。这类材料的分子链中含有大量刚性的芳杂环结构，分子间作用力强，能在环境下保持稳定形态，可用于制造飞机的机翼、机身框架等关键部件 。而在柔性电子领域，柔性成为材料的核心诉求。基于生物基聚氨酯制备的柔性导电薄膜，具有良好的柔韧性和拉伸性能，其分子链中软段赋予材料高弹性，硬段提供一定的强度，使得薄膜在反复弯曲、拉伸过程中仍能保持导电性能，适用于可穿戴电子设备、柔性显示屏等产品 。在医疗领域，组织工程支架需要同时具备一定的刚性以支撑组织生长，又要有足够的柔性来适应人体组织的生理活动。由聚羟基丁酸酯（PHB）和聚乙二醇（PEG）共混制成的支架材料，PHB提供刚性，PEG增加柔性，契合这一需求。为了让高分子材料更好地满足特定应用场景对刚柔性的需求，共混改性是一种常用且有效的手段。例如，聚乳酸（PLA）虽然是一种具有良好生物降解性的材料，但它本身刚性较高、韧性不足，限制了其在一些领域的应用。通过与聚己二酸 - 对苯二甲酸丁二酯（PBAT）共混，PBAT的柔性分子链穿插在PLA分子链之间，降低了PLA分子链间的相互作用力，有效改善了PLA的韧性 。目前我们在超市中看到的塑料袋，大多数PLA与PBAT共混制得的。
高分子材料的刚柔特性贯穿于性能表征、结构本质、应用选择和改性优化的全链条。在生物基可降解材料蓬勃发展的今天，深入挖掘刚柔特性的奥秘，不断创新材料设计与改性技术，我们就能解锁更多环保材料的应用潜力，为构建绿色、可持续的未来添砖加瓦。
