高分子材料管理論文

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1999年3月29日的美國《時代》周刊評出了20名在20世紀里最具影響力的科學家和思想家，其中唯一一名化學家就是貝克蘭（L．Baekeland），顯然這是因為在20世紀的化學領(lǐng)域里，對人類影響最大的莫過于出現(xiàn)了塑料及其他合成高分子材料，而貝克蘭又是有史以來第一位用簡單分子合成塑料的人。這一成功標志著人類使用的材料，從此開始由單一的天然產(chǎn)物，進入到廣泛使用合成高分子材料的新時代。

一、從天然樹脂到合成樹脂

一些樹木的分泌物常會形成樹脂，不過琥珀卻是樹脂的化石，蟲膠雖然也被看成樹脂，但卻是紫膠蟲分泌在樹上的沉積物。由蟲膠制成的蟲膠漆，最初只用作木材的防腐劑，但隨著電機的發(fā)明又成為最早使用的絕緣漆。然而進入20世紀后，天然產(chǎn)物已無法滿足電氣化的需要，促使人們不得不尋找新的廉價代用品。

早在1872年德國化學家拜耳（A．Bayer）首先發(fā)現(xiàn)苯酚與甲醛在酸性條件下加熱時能迅速結(jié)成紅褐色硬塊或粘稠物，但因它們無法用經(jīng)典方法純化而停止實驗。20世紀以后，苯酚已經(jīng)能從煤焦油中大量獲得，甲醛也作為防腐劑大量生產(chǎn)，因此二者的反應產(chǎn)物更加引人關(guān)注，希望開發(fā)出有用的產(chǎn)品，盡管先后有許多人為之花費了巨大勞動，但都沒有達到預期結(jié)果。1904年，貝克蘭和他的助手也開展這項研究，最初目的只是希望能制成代替天然樹脂的絕緣漆，經(jīng)過三年的艱苦努力，終于在1907年的夏天，不僅制出了絕緣漆，而且還制出了真正的合成可塑性材料——Bakelite，它就是人們熟知的“電木”、“膠木”或酚醛樹脂。

Bakelite一經(jīng)問世，很快廠商發(fā)現(xiàn)，它不但可以制造多種電絕緣品，而且還能制日用品，愛迪生（T．Edison）用于制造唱片，不久又在廣告中宣稱：已經(jīng)用Bakelite制出上千種產(chǎn)品，于是一時間把貝克蘭的發(fā)明譽為20世紀的“煉金術(shù)”。

以煤焦油為原粒的酚醛樹脂，在1940年以前一直居各種合成樹脂產(chǎn)量之首，每年達20多萬噸，但此后隨著石油化工的發(fā)展，聚合型的合成樹脂如：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯以及聚苯乙烯的產(chǎn)量也不斷擴大，隨著眾多年產(chǎn)這類產(chǎn)品10萬噸以上大型廠的建立，它們已成當今產(chǎn)量最多的四類合成樹脂。合成樹脂再加上添加劑，通過各種成型方法即得到塑料制品，到今天塑料的品種有幾十種，世界年產(chǎn)量在1．2億噸左右，我國也在500萬噸以上，它們已經(jīng)成為生產(chǎn)、生活及國防建設的基礎材料。

二、從天然纖維到合成纖維

人類使用棉、毛、絲、麻等天然纖維的歷史已經(jīng)有幾千年，但由于全球人口的不斷增加和對紡織品質(zhì)量的更高要求，從19世紀起，人們就為尋求新的紡織品原料而努力。

1846年制成硝化纖維；1857年制成銅氨纖維；1865年制成醋酸纖維；1891年制成粘膠纖維。由于粘膠纖維的原料是來源豐富的木材漿粕、棉短絨及棉紗下腳料等，再加上制成的纖維性能好，以至它的產(chǎn)量到20世紀50年代已經(jīng)超過羊毛。

盡管上述幾種稱為“纖維素纖維”或“人造纖維”的出現(xiàn)是繼紡織機械發(fā)明之后的又一次紡織革命，但它仍意味著人只是用化學方法，對天然植物纖維的再加工，而通過化學方法，制取全合成的、性能更為優(yōu)異的紡織纖維階段，才迎來了第三次紡織革命。

1928年32歲的美國化學家卡羅塞斯（W．H．Carothers）博士從大學崗位上應聘到杜邦公司，負責對不久前才興起的高分子化學的基礎研究，他們研究了多種脂肪族二元酸與二醇或二元胺的縮合反應，由于保證了反應物料的嚴格配比，從而獲得分子量很高的縮聚物，但大多數(shù)產(chǎn)物的熔點偏低、不耐水，雖然有的可以抽絲，但不適于用做紡織纖維。反復不斷地失敗使卡羅塞斯在精神上受到很大打擊，以至身上經(jīng)常攜帶著一小瓶準備自殺的氰化鉀。一直到工作6年后的1934年，終于在合成的數(shù)百種產(chǎn)品中，找到有希望成為優(yōu)良紡織纖維的聚酰胺－66，尼龍（Nylon）是它在投產(chǎn)時公司使用的商品名。

杜邦公司為了使它工業(yè)化，動員了230多名各方面專家，花費2200萬美元，到1939年始正式投產(chǎn)。這一成功不僅是合成纖維的第一次重大突破，也是高分子科學的重要進展。

尼龍投產(chǎn)后，杜邦公司馬上宣布他們生產(chǎn)了比蜘蛛絲還細，比鋼還結(jié)實的全新有機纖維。盡管當時第二次世界大戰(zhàn)已經(jīng)開始，仍然引起各方面關(guān)注。用它織成的女絲襪，銷售第一天就賣出400萬雙，報紙上還報道了當時許多銷售店曾引起“尼龍騷動”的場面，可惜的是卡羅塞斯本人卻沒有看到這種情況。41歲的他，雖然知道尼龍的研究已經(jīng)取得突破性進展，但卻總感到心力交瘁地被失敗所纏繞，終于在1937年服毒自殺，留下深深的遺憾。

1938年德國研制出聚酰胺－6，即聚己內(nèi)酰胺；1941年英國制出了聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維，商品名Dacron、“的確涼”、或滌綸；1939年德國人又研制出聚丙烯腈纖維，但到1949年才在美國投產(chǎn)，商品名Orlon，我國稱腈綸，此又出現(xiàn)多種新型合成纖維，滿足了多種需要，但從應用范圍和技術(shù)成熟等方面看，仍以上述幾種為主，其產(chǎn)量約占總量的90％。

三、從天然橡膠到合成橡膠

自然界中雖然含有橡膠的植物很多，但能大量采膠的主要是生長在熱帶雨區(qū)的巴西橡膠樹。從樹中流出的膠乳，經(jīng)過凝膠等工藝制成的生橡膠，最初只用于制造一些防水織物、手套、水壺等，但它受溫度的影響很大，熱時變粘，冷時變硬、變脆，因而用途很少。

1839年美國一家小型橡膠廠的廠主古德易（Goodyear）經(jīng)過反復摸索，發(fā)現(xiàn)生橡膠與硫黃混合加熱后能成為一種彈性好、不發(fā)粘的彈性體，這一發(fā)現(xiàn)推進了橡膠工業(yè)迅速發(fā)展。在這之前，橡膠的年產(chǎn)量只有388噸，但到1937年已增加到100萬噸，即100年間增加了2000倍，這在天然物質(zhì)利用史上是十分罕見的，尤其是1920年以后，由于汽車工業(yè)興起，進一步擴大需求，以致世界各國開始把天然橡膠作為軍用戰(zhàn)略物資加以控制，這就迫使美、德等汽車大國，但卻是天然橡膠的窮國開展合成橡膠的研究，這種研究是以制造與天然橡膠相同物質(zhì)為目的開始的，因為人們已知它是由多個異戊二烯分子通過順式加成形成的聚合體。

1914年爆發(fā)第一次世界大戰(zhàn)，德國由于受到海上封鎖，開展了強制性的合成橡膠研制和生產(chǎn)，終于實現(xiàn)了以電石為原料合成甲基橡膠的工作，到終戰(zhàn)的1918年，共生產(chǎn)出2350噸。

戰(zhàn)后，由于暫時性天然橡膠過剩，使合成橡膠的生產(chǎn)也告中止，但其研究工作仍在進行。先后研制成聚硫橡膠（1931年投產(chǎn)）、氯丁橡膠（1932年）、丁苯橡膠（1934年）、丁腈橡膠（1937年）等。

第二次世界大戰(zhàn)期間，尤其是日本偷襲珍珠港、占領(lǐng)東南亞后，美國開始擴大合成橡膠生產(chǎn)，并納入國防計劃，1942年產(chǎn)量達84．5萬噸，其中丁苯橡膠為70．5萬噸。1950年以后，由于出現(xiàn)了齊格勒納塔催化劑，在這種催化劑的作用下，生產(chǎn)出三種新型的定向聚合橡膠，其中的順丁橡膠，由于它的優(yōu)異性能，到20世紀80年代產(chǎn)量已上升到僅次于丁苯橡膠的第二位。此后又有熱塑性橡膠、粉末橡膠和液體橡膠等問世，進一步滿足了尖端科技發(fā)展的需要。

回顧過去，展望未來，在新世紀里新技術(shù)將更加迅猛發(fā)展，與此同時，作為技術(shù)革命物質(zhì)基礎的，以合成高分子為代表的新材料的研制和開發(fā)，也將越來越起著重要作用。

參考文獻

1吳祺．20世紀最具影響力的化學家之一——貝克蘭．大學化學，2000，（6）：55

2甘景鎬，等．天然高分子化學．北京：高等教育出版社，1993，288