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（高分子科學與工程專業博士）

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擁有超過100名雇員的研發中心，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年完成這一轉變[1]。

雖然樂高在宣布這一決定時并沒有具體說明究竟計劃替代哪一種塑料，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、化學纖維等合成的高分子材料主要是通過聚合反應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小球，那么聚苯乙烯就像是無數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得到聚苯乙烯，是因為它們的分子中存在著一種名為碳-碳雙鍵的結構。但這種結構并非苯乙烯的專利。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，又會發生什么呢？在這種情況下，不僅同種分子之間會發生反應，苯乙烯和丙烯腈之間也會發生反應。如果把苯乙烯和丙烯腈分別看作紅色和藍色的小球，那么反應產物就像是紅藍相間的一條鏈子——同一個分子上既有苯乙烯的結構也有丙烯腈的結構。像這樣兩種或者更多單體同時參與的聚合反應，我們稱之為共聚，反應產物也就相應稱為共聚物。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點很多，例如成本低廉、具有一定的硬度和機械強度等，因此被用于制造很多物品。但人們覺得它的機械強度還是不夠，特別是用來生產需要經久耐用的商品還不太合格。但如果在生產聚苯乙烯過程中加入丙烯腈進行共聚，得到的共聚物的機械強度要比聚苯乙烯高得多。另一方面，聚丙烯腈空有高的機械強度卻幾乎無用武之地，因為塑料通常需要加熱熔融才能進行加工，可是“脾氣古怪”的聚丙烯腈在加熱時寧可分解也不肯熔化，但如果在生產聚丙烯腈過程中加入苯乙烯單體進行共聚，這個問題就迎刃而解了。因此，共聚讓聚苯乙烯和聚丙烯腈這兩種材料都“脫胎換骨”。事實上，由于共聚經常能夠帶來性能比均聚物更加優越的材料，很多在教科書上以均聚物的形式出現的高分子材料，在實際應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，即發生了相分離。更為糟糕的是，發生相分離的趨勢隨著分子鏈段的變長會變得更加強烈。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，在很多時候是行不通的。這個時候我們就需要共聚出馬，將兩種材料“強行”結合在一起。

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點，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。在實際生產中我們通常不是將三種單體直接放在一起進行反應，而是先讓丁二烯自身反應得到聚丁二烯，再把苯乙烯和丙烯腈添加進來。在這個過程中，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，最終的產物因此得名丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物[5]。由于這個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樹脂的結構示意圖，以及構成ABS樹脂的三種單體的化學結構和名稱

ABS樹脂既堅硬又有韌性，同時易于加工和上色，并且能夠在相當寬的溫度范圍內維持性能，因此可以說是一種相當卓越的材料。不過更為關鍵的是，ABS樹脂成功地填補了塑料材料的一個空位。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用，而另外一些高性能的塑料，其較高的價格往往也讓人望而卻步。這種“低價低性能、高價高性能”的局面會讓一些塑料制品加工者在選擇材料時感到無所適從。而ABS樹脂恰好滿足了這部分用戶的需求：既能夠提供比常規塑料更為優異的性能，價格又不至于過高，因此特別適合生產需要經久耐用的消費產品，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樹脂最為著名的應用恐怕還要數樂高玩具積木了。樂高公司原本使用醋酸纖維素生產玩具積木，發現ABS樹脂性能更佳后就逐漸用其取代了醋酸纖維素。據統計，在2014年樂高生產了超過600億塊玩具積木組件，這其中除了少數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。

當然，像其他合成高分子材料一樣，ABS也存在一個很大的問題，那就是生產它所用的原材料來源于石油等不可再生資源。近年來，隨著資源和環境問題日益突出，許多研究人員都在嘗試改以生物質或者回收的塑料為原材料，希望讓塑料的生產加工過程變得更為環境友好，因此樂高的決策也在意料之中。不過也有人對此持懷疑態度，認為目前以生物質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，目前恐怕仍然是個未知數。不過不管它的命運如何，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，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而來。但由于這兩種化合物單獨均不能發生聚合反應得到高分子，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條件讓不同的單體先分別形成各自的均聚物，再通過化學反應連接起來得到共聚物，這樣的共聚物稱為嵌段共聚物。參與構成嵌段共聚物的各個均聚物互相之間仍然可以發生相分離，但這種相分離的尺度要小得多，稱為微觀相分離。

[4] 嚴格來說應該稱為1,3-丁二烯。丁二烯還有另一種同分異構體1,2-丁二烯，但這種分子難以制備，很少用于實際應用，因此一般說的丁二烯就是指1,3-丁二烯。

[5] 實際上在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ABS樹脂的過程中也會同時產生丙烯腈-苯乙烯共聚物，因此最終產物既有三種單體的共聚物，也同時存在丙烯腈-苯乙烯共聚物和丁二烯的均聚物。

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