臺灣化學教育

中學化學示範：
高分子塑型的教師示範和學生實作

 

林韋彤、高湘琪、張佳智*

國立交通大學應用化學系
*[email protected]

• 前言

在日常生活及和現代工業中，常見的物質—塑膠是一種人工合成的材料。高分子（也稱為聚合物）是由許多單體（也稱為小分子）以共價鍵的方式串聯而成。高分子的可塑性給人類的生活帶來了前所未有的便利，舉凡垃圾袋、垃圾桶、手搖杯、收納櫃、乃至坐墊，處處都有高分子的身影。為甚麼有些塑膠製品在成型後就不太會變形呢？為甚麼有些塑膠遇熱就會軟化呢？

本實驗採用隨手可得的高分子材料作為實驗用素材，探討高分子變型程度與溫度的關係，適合讓國中和高中學生能開始思考實驗結果背後的科學原理，並利用這個機會探討塑膠與日常生活的關係。同時，也可以讓國中和高中學生學習如何利用書本和網路查詢相關的文獻資料，並學會如何過濾出有用的資訊。本實驗使用的材料大多為家用產品且無安全疑慮，而且未使用化學藥品，因此可以在教室或在家中進行，只要注意在使用熱水時避免燙傷。

在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校—自科學領域課程綱要」中，（一）有關「塑膠」的學習內容方面：在第四學習階段（國中）有提到主題「物質的反應、平衡及製造（J）」和次主題「有機化合物的性質、製備及反應（Jf）」，及其學習內容「Jf-Ⅳ-4常見的塑膠。」；在第五學習階段（高中）也有提到主題主題「科學、科技、社會及人文（M）」和次主題「科學在生活中的應用（Mc）」，及其學習內容「生活中常見之合成纖維、合成塑膠及合成橡膠之性質與應用。」。（二）有關「高分子（聚合物）」的學習內容方面：在第五學習階段有提到「科學、科技、社會及人文（M）」和次主題「科學、技術及社會的互動關係（Ma）」，及其學習內容「CJf-Va-4常見聚合物的一般性質與分類。」和「CJf-Va-5常見聚合物的結構及製備。」因此，本實驗「高分子塑型」的化學內容符合新課綱自然科學領域國中和高中的學習內容。

• 教師示範與課堂討論

一、  教師示範

1.   教師事先準備兩個不同類型的塑膠瓶（如回收標誌為五號PP及六號PS的塑膠瓶）、各剪裁成兩片塑膠片（約10 cm × 5 cm）、熱水（500-700 mL裝在保溫杯中，或用電熱板加熱）、兩支金屬鑷子、一個透明玻璃容器（如不玻璃罐或玻璃燒杯，容量約1000 mL），帶到教室。

2.   教師放置一個1000 mL的玻璃透明容器（如玻璃罐或大燒杯），倒入裝在保溫瓶約500 mL的熱水。

3.   教師手持兩個大小相同但不同材質（如PP和PS）的塑膠瓶，同時放入熱水中，如圖一所示。教師請學生觀察兩個塑膠瓶的瓶身型態是否改變並比較其異同。

圖一：分別為六號（左）及五號（左）回收標誌之材料受熱情形

4.  接著，教師取出兩片大小相同但不同材質的長形塑膠片，請兩位學生協助，先捲成圓桶狀，以金屬鑷子固定，並同時放置於熱水中加熱1分鐘，如圖二所示。在有外力（使用鑷子）固定的情況下，教師請學生觀察兩個塑膠片的型態是否改變並比較其改變程度。

圖二：兩種塑膠片的受熱方式

5.   最後，教師取出上述的塑膠片，不以金屬鑷子固定，放置於熱水中加熱1分鐘，如圖三所示。在無外力（不使用鑷子）固定的情況下，教師請學生觀察兩個塑膠片的型態是否改變並比較其改變程度。

圖三：不以外力固定的受熱過程與方式

6.   學生比較相同材質在有外力固定和無外力固定的情況下的塑膠型態的變化。

二、  課堂討論

·      什麼是「塑膠」？這種類型的材料通常具有甚麼樣的特性？

·      大家都知道寶特瓶不能裝熱水，回想一下，當寶特瓶遇到熱水會發生甚麼現象呢？

·      為甚麼「塑膠」具有可塑性？

·      在日常生活常見的塑膠種類中，試著上網找找有哪些不同種類的塑膠（環保編號1-6），以及全球每年各種塑膠的產量？

·      常見的塑膠是由什麼結構的小分子構成的，並畫出化學式。

 

• 學生實作實驗

一、  實驗目的

本實驗使用生活中容易取得的塑膠材料（例如：寶特瓶、塑膠杯、牛奶罐）來觀察其置放於不同溫度下有無外力的影響下的塑膠型態變化，進而說明常見聚合物的物理性質及其相關原理。

二、  實驗器材

各類塑膠瓶各1瓶、熱水（55℃、70℃和85℃，裝在保溫杯中）各1杯、剪刀1把、金屬鑷子1支、溫度計（100℃，可用廚房用溫度計）1支、容器（如不銹鋼杯、玻璃罐或玻璃燒杯，容量約500 mL）1個、計時器（或手機的計時器）1個。

三、  實驗內容

本實驗選用四種塑膠：聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）進行實驗，以溫度和外力作為變因去觀察塑膠的變化狀態。進行實驗並觀察變化現象如下：

1.   觀察各類塑膠的特性，並試著整理出其中的性質差異（材質硬度、可繞性、觸感等）。

2.   將剪好的塑膠片彎曲後，以鑷子固定，並放置於不同溫度的水熱中加熱1分鐘，分別是55℃、70℃、85℃，在有外力（使用鑷子）固定的情況下，觀察其是否彎曲變形和變形的程度多寡。

3.   放置上述實驗塑型後的塑膠片於熱水中加熱1分鐘，在無外力（不用鑷子）固定的情況下，觀察其型態是否再次改變。

四、  實驗步驟

1.   將收集來的各式塑膠剪成相同大小的長條狀塑膠片（約5 cm × 2 cm），如圖一所示。 

圖一：塑膠瓶（左）；剪成長條的片狀（右）

2.   本實驗使用五種的塑膠片，包含1/PET、2/HDPE、5/PP（飲料店）、5/PP（豆漿）及6/PS，如表一所示，此處和表中的號碼為塑膠材質回收編號。

表一：原本使用的五種塑膠片

3.   剪好的塑膠片先捲起來後，以鑷子固定，並放置於不同溫度（55℃、70℃和85℃）的熱水中加熱1分鐘，在有外力固定方式下，觀察其是否彎曲變形及其程度，如圖二所示。

圖二：塑膠片捲起來（左）；以鑷子固定（右）

4.   放置上述實驗加熱後（在有外力固定方式下）的塑膠片分別在不同溫度（55℃、70℃和85℃）的於熱中加熱1分鐘，在無外力（不用鑷子）固定的情況下，觀察其型態是否再次改變。

• 實驗結果

本實驗使用五種的塑膠片，進行有外力固定方式（塑膠片先捲起來，以鑷子固定，然後泡熱水1分鐘）和無外力固定方式（進行外力固定方式後，不用鑷子固定，然後泡熱水1分鐘），分別在55℃、70℃和85℃下的實驗結果，如表二、表三及表四所示。

表二：在55℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

表三：在70℃下，有外力固定和無外力固定的塑型情形

由實驗結果可以得知，透過加熱，高分子會變軟，直接降至室溫後可以被塑型。在有外力固定的情況下，溫度愈高捲曲的狀況會愈明顯，然而捲到一定程度後則不再改變。然而，定型後的樣品經過浸泡於熱水後，由於樣品中有殘存的應力，樣品的形狀會逐漸變的較為展開，然而改變的程度也與採用的高分子樣品種類密切的相關。浸泡於熱水中的時間也會影響到高分子材料型變成度。當塑型溫度低於玻璃化轉移溫度（glass transition temperature, T_g）時，塑型變得較為困難。然而聚苯乙烯（PS）的玻璃化轉移溫度較高（≥100°C），使得其材質較硬，造成塑型困難。然而如果高分子長時間受力且具有充分能量能達到較穩定的狀況時，塑膠材料也可以被塑型。除了將高分子捲起來以外，也可以讓學生嘗試將樣品彎曲成不同的幾何結構（例如：螺旋狀、多邊形）。

•  實驗裡面的原理

物質分成三種狀態：固態、液態、氣態；可透過分子與分子間距離的遠近和分子移動的速率來做區分。當物質為固態時，分子與分子之間的堆積較為緊密，且分子不可任意移動，因此它具有固定的體積和形狀。當物質為液態時，分子與分子間的距離較固態時大，因此分子可以任意移動，造成液態受到外力作用時並無固定的形狀。當物質為氣態時，分子間的距離為最大，因此並沒有固定的體積和形狀。

高分子材料為甚麼有時候是透明的？為甚麼有些高分子材料是不透光的呢？透明的高分子通常結晶度較低，其晶體過小從而無法造成光散射。然而不透光的高分子結晶性較強，所形成的結晶因光散射而造成材料呈現霧霧的狀態。

在前言中，我們提及生活中常見的塑膠為一種常見的物質，這次實驗所介紹的新物質─「塑膠」，具有一種被稱為「玻璃態（glassy state）」的狀態。當塑膠達到某一個溫度時，分子間的鏈結會進行局部運動，造成塑膠會在較硬的固態或較柔軟的類液態之間進行玻璃化轉變，其取決於各種塑膠的玻璃化轉移溫度（T_g）範圍，而此範圍由該材料的結晶程度來決定。當溫度高於T_g時，塑膠分子鏈得到足夠的動能，從而使得塑膠變得較柔軟，使得我們可以進行高分子的塑形。當溫度降到T_g以下時，由於高分子的動能大幅降低，造成分子鏈被鎖住在非平衡的狀態下。而再次重新加熱塑膠後，塑膠中本來被鎖住的分子因為得到足夠的動能，讓原先已被固定的塑膠又會變回原先的樣子。加熱使得高分子能〝鬆弛〞，乃至使得高分子樣品在一定程度上能恢復原本的形狀。本實驗在一定程度上說明了溫度是影響分子運動的主要原因，而溫度的高低會影響樣品在相同時間下吸收到能量多寡。吸收熱量的時間對於材料呈現出的特性有正相關。

• 安全注意事項

·      塑膠樣品的邊緣，較為鋒利，應注意安全。

·      由於實驗會使用到熱水，應注意避免燙傷。

·      接觸玻璃杯時，應著防熱手套。

•  補充資料

玻璃化轉移溫度（T_g）其實不是一個固定的數值，會受塑膠本身分子量、結構、塑膠過往的熱處理製程等因素的影響。表五是塑膠材質的回收編號等資料。

表五：塑膠材質的回收編號、名稱、T_g及特色

• 參考資料

1.      十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校–自然科學領域，國家教育研究院，107年。取自：https://bit.ly/2WPsz6I。

2.      塑膠與溫度變化互動，http://www.ppsolutions.com.tw/chinese/plastictemperature。

3.      常見塑膠材質、特性、常見產品及耐熱溫度，https://www.fda.gov.tw/upload/133/2015011414464365235.pdf。

4.      Mateus, A.L., Polymer Processing Demonstration Using PET Bottles, J. Chem. Educ. 2019, 96, 8, 1696.