樂高積木的主要原材料是什么——六百億塊積木背后的秘密

撰文 | 魏昕宇（高分子科學(xué)與工程專業(yè)博士）

2015年6月，著名玩具積木制造商樂高公司宣布將投資1.5億美元成立一個(gè)擁有超過100名雇員的研發(fā)中心，其宗旨是尋找來自可再生資源的新材料，以代替目前用于生產(chǎn)玩具積木的以石油為原料的塑料，并且希望在2030年完成這一轉(zhuǎn)變[1]。

雖然樂高在宣布這一決定時(shí)并沒有具體說明究竟計(jì)劃替代哪一種塑料，但只要對其稍有了解的人都會知道，目前主要用于生產(chǎn)樂高玩具積木的是一種名為ABS樹脂的塑料。那么，ABS樹脂究竟是怎樣的一種材料，為何會被著名的玩具制造商青睞呢？

用ABS樹脂制成的樂高積木（圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene）

ABS樹脂是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物的簡稱。這種材料為什么會有這樣一個(gè)又長又拗口的名字呢？且聽我慢慢道來。

我們知道，塑料、橡膠、化學(xué)纖維等合成的高分子材料主要是通過聚合反應(yīng)將小分子相互連接而得到的。例如常見的塑料之一聚苯乙烯就是成千上萬個(gè)苯乙烯分子在合適的條件下互相拉起手來得到的。如果把苯乙烯看作一個(gè)小球，那么聚苯乙烯就像是無數(shù)小球被繩索穿在一起，因此苯乙烯被稱為聚苯乙烯的單體。

苯乙烯聚合得到聚苯乙烯

苯乙烯之所以能夠互相反應(yīng)得到聚苯乙烯，是因?yàn)樗鼈兊姆肿又写嬖谥环N名為碳-碳雙鍵的結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)并非苯乙烯的專利。例如一種叫做丙烯腈的分子就說了：碳-碳雙鍵我也有，我也能聚合成相應(yīng)的高分子材料——聚丙烯腈。聚丙烯腈紡成纖維，就是被熟知的腈綸。

既然大家都有碳-碳雙鍵，那么如果把苯乙烯和丙烯腈放在一起，又會發(fā)生什么呢？在這種情況下，不僅同種分子之間會發(fā)生反應(yīng)，苯乙烯和丙烯腈之間也會發(fā)生反應(yīng)。如果把苯乙烯和丙烯腈分別看作紅色和藍(lán)色的小球，那么反應(yīng)產(chǎn)物就像是紅藍(lán)相間的一條鏈子——同一個(gè)分子上既有苯乙烯的結(jié)構(gòu)也有丙烯腈的結(jié)構(gòu)。像這樣兩種或者更多單體同時(shí)參與的聚合反應(yīng)，我們稱之為共聚，反應(yīng)產(chǎn)物也就相應(yīng)稱為共聚物。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。而像聚苯乙烯這樣的高分子材料只有一種單體組成，因此被稱為均聚物。

苯乙烯與丙烯腈的共聚

聚苯乙烯這種材料優(yōu)點(diǎn)很多，例如成本低廉、具有一定的硬度和機(jī)械強(qiáng)度等，因此被用于制造很多物品。但人們覺得它的機(jī)械強(qiáng)度還是不夠，特別是用來生產(chǎn)需要經(jīng)久耐用的商品還不太合格。但如果在生產(chǎn)聚苯乙烯過程中加入丙烯腈進(jìn)行共聚，得到的共聚物的機(jī)械強(qiáng)度要比聚苯乙烯高得多。另一方面，聚丙烯腈空有高的機(jī)械強(qiáng)度卻幾乎無用武之地，因?yàn)樗芰贤ǔＰ枰訜崛廴诓拍苓M(jìn)行加工，可是“脾氣古怪”的聚丙烯腈在加熱時(shí)寧可分解也不肯熔化，但如果在生產(chǎn)聚丙烯腈過程中加入苯乙烯單體進(jìn)行共聚，這個(gè)問題就迎刃而解了。因此，共聚讓聚苯乙烯和聚丙烯腈這兩種材料都“脫胎換骨”。事實(shí)上，由于共聚經(jīng)常能夠帶來性能比均聚物更加優(yōu)越的材料，很多在教科書上以均聚物的形式出現(xiàn)的高分子材料，在實(shí)際應(yīng)用中總是以共聚物的形式存在。毫不夸張地說，離開共聚和共聚物，合成高分子材料的世界將變得黯淡得多。

有的朋友可能會說，不需要這么麻煩，直接把聚苯乙烯和聚丙烯腈混合在一起不就萬事大吉了？但問題并沒有這么簡單。我們知道，并不是任何兩種物質(zhì)都能均勻混合在一起，例如把水和植物油的混合物，無論怎樣劇烈攪拌，攪拌一旦停止它們就會分開，即發(fā)生了相分離。更為糟糕的是，發(fā)生相分離的趨勢隨著分子鏈段的變長會變得更加強(qiáng)烈。許多高分子材料的單體彼此親密無間，可一旦變成高分子化合物，就立刻“翻臉不認(rèn)人”，難以形成混合物。如果兩種或者更多的高分子材料互相之間不能均勻混合，將它們放到一起往往只會讓材料性能變得更糟糕。因此希望通過混合不同高分子材料來改善性能，在很多時(shí)候是行不通的。這個(gè)時(shí)候我們就需要共聚出馬，將兩種材料“強(qiáng)行”結(jié)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優(yōu)點(diǎn)，但是韌性還不夠，遇到外力沖擊容易破碎。用這樣的材料做成玩具很可能被小孩子摔打幾次就殘破不堪了。提高韌性的方法仍然是靠共聚，引入第三種單體——丁二烯[5]。丁二烯自身聚合得到的聚丁二烯是一種橡膠，因此引入這種單體能夠顯著提高材料的韌性。在實(shí)際生產(chǎn)中我們通常不是將三種單體直接放在一起進(jìn)行反應(yīng)，而是先讓丁二烯自身反應(yīng)得到聚丁二烯，再把苯乙烯和丙烯腈添加進(jìn)來。在這個(gè)過程中，苯乙烯和丙烯腈形成的共聚物會連接到聚丁二烯的分子上，最終的產(chǎn)物因此得名丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物[5]。由于這個(gè)名字太長不方便使用，人們選取了三種單體的英文首字母，給它命名為ABS樹脂。

ABS樹脂的結(jié)構(gòu)示意圖，以及構(gòu)成ABS樹脂的三種單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和名稱

ABS樹脂既堅(jiān)硬又有韌性，同時(shí)易于加工和上色，并且能夠在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)維持性能，因此可以說是一種相當(dāng)卓越的材料。不過更為關(guān)鍵的是，ABS樹脂成功地填補(bǔ)了塑料材料的一個(gè)空位。像聚苯乙烯這樣的材料成本很低，但是性能不足以勝任較為高端的應(yīng)用，而另外一些高性能的塑料，其較高的價(jià)格往往也讓人望而卻步。這種“低價(jià)低性能、高價(jià)高性能”的局面會讓一些塑料制品加工者在選擇材料時(shí)感到無所適從。而ABS樹脂恰好滿足了這部分用戶的需求：既能夠提供比常規(guī)塑料更為優(yōu)異的性能，價(jià)格又不至于過高，因此特別適合生產(chǎn)需要經(jīng)久耐用的消費(fèi)產(chǎn)品，在汽車、家用電器、電腦等商品中都能見到它們的身影。不過ABS樹脂最為著名的應(yīng)用恐怕還要數(shù)樂高玩具積木了。樂高公司原本使用醋酸纖維素生產(chǎn)玩具積木，發(fā)現(xiàn)ABS樹脂性能更佳后就逐漸用其取代了醋酸纖維素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2014年樂高生產(chǎn)了超過600億塊玩具積木組件，這其中除了少數(shù)需要透明的積木組件使用聚碳酸酯，需要良好彈性的組件使用橡膠，以及用尼龍生產(chǎn)玩具人物的衣物外，其余全部是使用ABS樹脂加工[1,6]。ABS樹脂稱得上是造就樂高玩具帝國的一大功臣。

當(dāng)然，像其他合成高分子材料一樣，ABS也存在一個(gè)很大的問題，那就是生產(chǎn)它所用的原材料來源于石油等不可再生資源。近年來，隨著資源和環(huán)境問題日益突出，許多研究人員都在嘗試改以生物質(zhì)或者回收的塑料為原材料，希望讓塑料的生產(chǎn)加工過程變得更為環(huán)境友好，因此樂高的決策也在意料之中。不過也有人對此持懷疑態(tài)度，認(rèn)為目前以生物質(zhì)為原料的新型塑料在性能上還難以匹敵ABS樹脂。

ABS樹脂在不久的將來是否會被其他材料全面取代，目前恐怕仍然是個(gè)未知數(shù)。不過不管它的命運(yùn)如何，對于這樣一種為我們帶來了美好童年的不凡材料，讓我們道一聲謝謝吧。

參考文獻(xiàn)和注釋

[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兩種不同化合物共同參與聚合反應(yīng)，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯就是由對苯二甲酸和乙二醇相互反應(yīng)而來。但由于這兩種化合物單獨(dú)均不能發(fā)生聚合反應(yīng)得到高分子，因此像這樣的高分子材料仍然被視為均聚物。

[3]在共聚物中我們可以通過控制聚合反應(yīng)條件讓不同的單體先分別形成各自的均聚物，再通過化學(xué)反應(yīng)連接起來得到共聚物，這樣的共聚物稱為嵌段共聚物。參與構(gòu)成嵌段共聚物的各個(gè)均聚物互相之間仍然可以發(fā)生相分離，但這種相分離的尺度要小得多，稱為微觀相分離。

[4] 嚴(yán)格來說應(yīng)該稱為1,3-丁二烯。丁二烯還有另一種同分異構(gòu)體1,2-丁二烯，但這種分子難以制備，很少用于實(shí)際應(yīng)用，因此一般說的丁二烯就是指1,3-丁二烯。

[5] 實(shí)際上在ABS樹脂中，聚丁二烯的分子骨架和連接到聚丁二烯上的丙烯腈-苯乙烯共聚物也存在微觀相分離。另外在生產(chǎn)ABS樹脂的過程中也會同時(shí)產(chǎn)生丙烯腈-苯乙烯共聚物，因此最終產(chǎn)物既有三種單體的共聚物，也同時(shí)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