20世纪与高分子材料_化学论文

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1999年3月29日的美国《时代》周刊评出了20名在20世纪里最具影响力的科学家和思想家，其中唯一一名化学家就是贝克兰（Ｌ．Ｂａｅｋｅｌａｎｄ），显然这是因为在20世纪的化学领域里，对人类影响最大的莫过于出现了塑料及其他合成高分子材料，而贝克兰又是有史以来第一位用简单分子合成塑料的人。这一成功标志着人类使用的材料，从此开始由单一的天然产物，进入到广泛使用合成高分子材料的新时代。
　一、从天然树脂到合成树脂
　一些树木的分泌物常会形成树脂，不过琥珀却是树脂的化石，虫胶虽然也被看成树脂，但却是紫胶虫分泌在树上的沉积物。由虫胶制成的虫胶漆，最初只用作木材的防腐剂，但随着电机的发明又成为最早使用的绝缘漆。然而进入20世纪后，天然产物已无法满足电气化的需要，促使人们不得不寻找新的廉价代用品。
　早在1872年德国化学家拜耳（Ａ．Ｂａｙｅｒ）首先发现苯酚与甲醛在酸性条件下加热时能迅速结成红褐色硬块或粘稠物，但因它们无法用经典方法纯化而停止实验。20世纪以后，苯酚已经能从煤焦油中大量获得，甲醛也作为防腐剂大量生产，因此二者的反应产物更加引人关注，希望开发出有用的产品，尽管先后有许多人为之花费了巨大劳动，但都没有达到预期结果。1904年，贝克兰和他的助手也开展这项研究，最初目的只是希望能制成代替天然树脂的绝缘漆，经过三年的艰苦努力，终于在1907年的夏天，不仅制出了绝缘漆，而且还制出了真正的合成可塑性材料——Ｂａｋｅｌｉｔｅ，它就是人们熟知的“电木”、“胶木”或酚醛树脂。
　　Ｂａｋｅｌｉｔｅ一经问世，很快厂商发现，它不但可以制造多种电绝缘品，而且还能制日用品，爱迪生（Ｔ．Ｅｄｉｓｏｎ）用于制造唱片，不久又在广告中宣称：已经用Ｂａｋｅｌｉｔｅ制出上千种产品，于是一时间把贝克兰的发明誉为20世纪的“炼金术”。
　　以煤焦油为原粒的酚醛树脂，在1940年以前一直居各种合成树脂产量之首，每年达20多万吨，但此后随着石油化工的发展，聚合型的合成树脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及聚苯乙烯的产量也不断扩大，随着众多年产这类产品10万吨以上大型厂的建立，它们已成当今产量最多的四类合成树脂。合成树脂再加上添加剂，通过各种成型方法即得到塑料制品，到今天塑料的品种有几十种，世界年产量在1．2亿吨左右，我国也在500万吨以上，它们已经成为生产、生活及国防建设的基础材料。
　　二、从天然纤维到合成纤维
　　人类使用棉、毛、丝、麻等天然纤维的历史已经有几千年，但由于全球人口的不断增加和对纺织品质量的更高要求，从19世纪起，人们就为寻求新的纺织品原料而努力。
　　1846年制成硝化纤维；1857年制成铜氨纤维；1865年制成醋酸纤维；1891年制成粘胶纤维。由于粘胶纤维的原料是来源丰富的木材浆粕、棉短绒及棉纱下脚料等，再加上制成的纤维性能好，以至它的产量到20世纪50年代已经超过羊毛。
　　尽管上述几种称为“纤维素纤维”或“人造纤维”的出现是继纺织机械发明之后的又一次纺织革命，但它仍意味着人只是用化学方法，对天然植物纤维的再加工，而通过化学方法，制取全合成的、性能更为优异的纺织纤维阶段，才迎来了第三次纺织革命。
　　1928年32岁的美国化学家卡罗塞斯（Ｗ．Ｈ．Ｃａｒｏｔｈｅｒｓ）博士从大学岗位上应聘到杜邦公司，负责对不久前才兴起的高分子化学的基础研究，他们研究了多种脂肪族二元酸与二醇或二元胺的缩合反应，由于保证了反应物料的严格配比，从而获得分子量很高的缩聚物，但大多数产物的熔点偏低、不耐水，虽然有的可以抽丝，但不适于用做纺织纤维。反复不断地失败使卡罗塞斯在精神上受到很大打击，以至身上经常携带着一小瓶准备自杀的氰化钾。一直到工作6年后的1934年，终于在合成的数百种产品中，找到有希望成为优良纺织纤维的聚酰胺－66，尼龙（Ｎｙｌｏｎ）是它在投产时公司使用的商品名。
　　杜邦公司为了使它工业化，动员了230多名各方面专家，花费2200万美元，到1939年始正式投产。这一成功不仅是合成纤维的第一次重大突破，也是高分子科学的重要进展。
　　尼龙投产后，杜邦公司马上宣布他们生产了比蜘蛛丝还细，比钢还结实的全新有机纤维。尽管当时第二次世界大战已经开始，仍然引起各方面关注。用它织成的女丝袜，销售第一天就卖出400万双，报纸上还报道了当时许多销售店曾引起“尼龙骚动”的场面，可惜的是卡罗塞斯本人却没有看到这种情况。41岁的他，虽然知道尼龙的研究已经取得突破性进展，但却总感到心力交瘁地被失败所缠绕，终于在1937年服毒自杀，留下深深的遗憾。
　　1938年德国研制出聚酰胺－6，即聚己内酰胺；1941年英国制出了聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维，商品名Ｄａｃｒｏｎ、“的确凉”、或涤纶；1939年德国人又研制出聚丙烯腈纤维，但到1949年才在美国投产，商品名Ｏｒｌｏｎ，我国称腈纶，此又出现多种新型合成纤维，满足了多种需要，但从应用范围和技术成熟等方面看，仍以上述几种为主，其产量约占总量的90％。
　　三、从天然橡胶到合成橡胶
　　自然界中虽然含有橡胶的植物很多，但能大量采胶的主要是生长在热带雨区的巴西橡胶树。从树中流出的胶乳，经过凝胶等工艺制成的生橡胶，最初只用于制造一些防水织物、手套、水壶等，但它受温度的影响很大，热时变粘，冷时变硬、变脆，因而用途很少。
　　1839年美国一家小型橡胶厂的厂主古德易（Ｇｏｏｄｙｅａｒ）经过反复摸索，发现生橡胶与硫黄混合加热后能成为一种弹性好、不发粘的弹性体，这一发现推进了橡胶工业迅速发展。在这之前，橡胶的年产量只有388吨，但到1937年已增加到100万吨，即100年间增加了2000倍，这在天然物质利用史上是十分罕见的，尤其是1920年以后，由于汽车工业兴起，进一步扩大需求，以致世界各国开始把天然橡胶作为军用战略物资加以控制，这就迫使美、德等汽车大国，但却是天然橡胶的穷国开展合成橡胶的研究，这种研究是以制造与天然橡胶相同物质为目的开始的，因为人们已知它是由多个异戊二烯分子通过顺式加成形成的聚合体。
　　1914年爆发第一次世界大战，德国由于受到海上封锁，开展了强制性的合成橡胶研制和生产，终于实现了以电石为原料合成甲基橡胶的工作，到终战的1918年，共生产出2350吨。
　　战后，由于暂时性天然橡胶过剩，使合成橡胶的生产也告中止，但其研究工作仍在进行。先后研制成聚硫橡胶（1931年投产）、氯丁橡胶（1932年）、丁苯橡胶（1934年）、丁腈橡胶（1937年）等。
　　第二次世界大战期间，尤其是日本偷袭珍珠港、占领东南亚后，美国开始扩大合成橡胶生产，并纳入国防计划，1942年产量达84．5万吨，其中丁苯橡胶为70．5万吨。1950年以后，由于出现了齐格勒纳塔催化剂，在这种催化剂的作用下，生产出三种新型的定向聚合橡胶，其中的顺丁橡胶，由于它的优异性能，到20世纪80年代产量已上升到仅次于丁苯橡胶的第二位。此后又有热塑性橡胶、粉末橡胶和液体橡胶等问世，进一步满足了尖端科技发展的需要。
　　回顾过去，展望未来，在新世纪里新技术将更加迅猛发展，与此同时，作为技术革命物质基础的，以合成高分子为代表的新材料的研制和开发，也将越来越起着重要作用。
　　参考文献
　　1吴祺．20世纪最具影响力的化学家之一——贝克兰．大学化学，2000，（6）：55
　　2甘景镐，等．天然高分子化学．北京：高等教育出版社，1993，288