塑料的世界(1)溯源——赛璐珞和电木引领材料变革”
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塑料的发展历程一、塑料的起源塑料的历史可以追溯到19世纪。
最早的塑料是天然橡胶的化学改性产物。
1839年,美国人查尔斯·古德伊尔(Charles Goodyear)发现了橡胶的硫化方法,这一发现使得橡胶的性能得到极大改善,更加坚韧且耐用,这可以看作是塑料发展的先驱。
在19世纪中叶,人们开始探索从纤维素这种天然高分子材料中制造类似塑料的物质。
1862年,亚历山大·帕克斯(Alexander Parkes)展示了一种被称为“帕克辛”(Parkesine)的材料,它是由硝化纤维素制成的,这是世界上第一种人造塑料。
这种材料具有可塑性,可以被加工成各种形状,虽然它存在一些缺陷,例如容易燃烧等,但它开启了人造塑料的新纪元。
二、早期塑料的发展(19世纪末 - 20世纪初)1. 赛璐珞(Celluloid)1869年,约翰·卫斯理·海亚特(John Wesley Hyatt)发明了赛璐珞。
他在寻找一种可以替代象牙制造台球的材料时,通过改进硝化纤维素的配方,制造出了赛璐珞。
赛璐珞具有良好的可塑性和透明度,很快就被广泛应用于制造梳子、纽扣、玩具等各种日用品,还被用于早期的电影胶片制作。
例如,早期的电影胶片很多都是由赛璐珞制成的,它使得电影产业得以快速发展。
然而,赛璐珞也有一个致命的缺点,那就是高度易燃,这也导致了很多火灾事故。
2. 酚醛树脂(Bakelite)20世纪初,比利时裔美国人利奥·贝克兰(Leo Baekeland)发明了酚醛树脂,这是一种具有革命性的塑料。
1907年,他通过将苯酚和甲醛在一定条件下反应,得到了酚醛树脂。
酚醛树脂具有良好的耐热性、绝缘性和机械性能,而且不易燃烧。
它的出现使得塑料开始在电气工业等领域得到广泛应用,例如用于制造电器插座、收音机外壳等。
酚醛树脂被认为是现代塑料工业的开端。
三、塑料的大规模生产与多样化发展(20世纪中叶 - 20世纪末)1. 聚乙烯(Polyethylene)1933年,英国帝国化学工业公司(ICI)的研究人员偶然发现了聚乙烯。
塑料的发展史从第一个塑料产品赛璐珞诞生算起,塑料工业迄今已有120年的历史。
其发展历史可分为三个阶段。
天然高分子加工阶段这个时期以天然高分子,主要是纤维素的改性和加工为特征。
1869年美国人J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质,热压下可成型为塑料制品,命名为赛璐珞。
1872年在美国纽瓦克建厂生产。
当时除用作象牙代用品外,还加工成马车和汽车的风挡和电影胶片等,从此开创了塑料工业,相应地也发展了模压成型技术。
1903年德国人A.艾兴格林发明了不易燃烧的醋酸纤维素和注射成型方法。
1905年德国拜耳股份公司进行工业生产。
在此期间,一些化学家在实验室里合成了多种聚合物,如线型酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等,为后来塑料工业的发展奠定了基础。
1904年世界塑料产量仅有10kt,还没有形成独立的工业部门。
合成树脂阶段这个时期是以合成树脂为基础原料生产塑料为特征。
1909年美国人L.H.贝克兰在用苯酚和甲醛来合成树脂方面,做出了突破性的进展,取得第一个热固性树脂──酚醛树脂的专利权。
在酚醛树脂中,加入填料后,热压制成模压制品、层压板、涂料和胶粘剂等。
这是第一个完全合成的塑料。
1910年在柏林吕格斯工厂建立通用酚醛树脂公司进行生产。
在40年代以前,酚醛塑料是最主要的塑料品种,约占塑料产量的2/3。
主要用于电器、仪表、机械和汽车工业。
1920年以后塑料工业获得了迅速发展。
其主要原因首先是德国化学家Н.施陶丁格提出高分子链是由结构相同的重复单元以共价键连接而成的理论和不熔不溶性热固性树脂的交联网状结构理论,1929年美国化学家W.H.卡罗瑟斯提出了缩聚理论,均为高分子化学和塑料工业的发展奠定了基础。
同时,由于当时化学工业总的发展十分迅速,为塑料工业提供了多种聚合单体和其他原料。
当时化学工业最发达的德国迫切希望摆脱大量依赖天然产品的局面,以满足多方面的需求。
这些因素有力地推动了合成树脂制备技术和加工工业的发展。
现代塑料的诞生1907年,比利时科学家里奥.亨德里克.贝克兰在纽约发现了一种革命性的新兴合成材料并申请了专利。
被他命名为“电木”的发明,在技术层面具有重大意义,它开启了现代塑料工业的大门。
“塑料”这个词来源于希腊语中的“plassien”,意即为“模具”。
塑料的来源各不相同,有的来自自然物质,有的来自半合成物质(自然物质的化学作用结果),有的来自完全合成物质,即从煤炭或石油中化学提炼出的成分。
有些塑料具有“热塑性”,像烛蜡那样,他们加热后会融化,然后可以被塑性;而其他的塑料则具有“热固性”,像鸡蛋那样,他们不能恢复成液态粘稠状,即他们的形状是固定的。
相比其他塑料,电木是第一个被合成出的具有热固性的塑料。
现代塑料的历史始于十九世纪中期一系列半合成热塑性材料的发现。
发展这些早期塑料背后的动力是多种多样的——化学技术的巨大进步,文化的广泛变革,对“奢侈”材料如龟甲和象牙的替代品的找寻的迫切等。
贝克兰对塑料的兴趣始于1885年,在他还是一个在比利时求学的年轻的化学学生的时候,他已经开始着手研究粘性酚醛树脂产生的酚(即苯酚)与甲醛(类似酒精的挥发性液体)的化学反应。
虽然他不久就放弃了这项研究,但是仅仅数年后他就再次重拾起来。
1905你那,他凭借其所发明的新型相纸成为一个富裕的纽约人。
在忙于积累财富的同时,贝克兰在塑料的研究上也取得了一些进展。
1899年至1900年间获得第一项半合成热固性且可投入大规模工业生产的材料的专利。
从科学领域讲,他对于塑料领域的重大贡献与其说是他以自己名字命名的材料的发现,倒不如说是对苯酚和甲醛之间可控的化学反应的发现,后者为其实现制造方式的商业化奠定了基础。
1907年7月13日,贝克兰在他那项著名的专利中对其进行了描述,其所具备的基本特征也一直沿用至今。
最初的专利描述的是一个三阶段的过程,首先是苯酚和甲醛(来自木材或煤炭)在一个内部真空的大号蛋形釜内进行化学反应,形成一种被称作“Novalak”的树脂,其在加热时具有可溶性和延展性。
题目:我们现在所说的设计,一般指的是A、工业设计B、产品设计C、工艺设计D、现代设计答案: D解析: 我们现在所说的设计,一般指的是“现代设计”。
现代设计经过工业革命以后的产生和发展的过程,形成自己特有的含义、特点和形态。
p10题目: 在二维平面上构建三维空间的数学体系是A、重叠法B、垂直定位C、透视法D、改变大小答案: C解析: 透视法是在二维平面上构建三维空间的数学体系。
这种方法产生于文艺复兴时期艺术家和建筑师们的探索,人们非常欣赏这种技艺的神奇效果,从此它便成为美术专业训练中的基本内容之一。
透视法可以分为线性透视和空气透视。
p15题目: 在视觉艺术中,将观众引向高潮的传统手法之一是()构图。
A、圆形B、三角形C、方形D、十字形答案: B解析: 在视觉艺术中,将观众引向高潮的传统手法之一是三角形构图。
题目: 悉尼歌剧院设计者是A、乌特松B、吉尔福特C、奥斯本D、鲁尔巴赫答案: A解析: 成为世界著名景观的悉尼歌剧院是由【杰恩·乌特松】设计的。
P41题目: 在设计“三部曲”中,()是设计师最核心的任务。
A、问题概念化B、概念视觉化C、设计商品化D、产品功能化答案: B解析: 现代设计活动中.一般的设计程序,都包括问题概念化、概念视觉化、设计商品化三个基本步骤,可以称之为设计“三部曲”。
构想视觉化(概念视觉化),是设计师最核心的任务,其设计结果的好坏与设计师的美感、创意实力及经验有关。
题目: 最早的企业设计师是A、威廉·莫里斯B、彼得·贝伦斯C、哈利·厄尔D、凡·德·维尔德答案: B解析: 在西方工业发达的国家,一些大型企业很早就聘请设计师对企业的建筑、产品、包装、企业形象和文化等方面进行设计,如德国通用电器公司就曾经聘请设计师彼得•贝伦斯(Peter Behrens, 1868-1940)担任公司的艺术顾问,这就是最早的企业设计师。
p55题目: 人机工程学的研究中心是A、“人-机-环境”系统B、“人-机-社会”系统C、“人-机-自然”系统D、“人-机-产品”系统答案: A解析: 人机工程学就是使设计更加宜人化,符合人的生理与心理需要,研究中心就是“人—机—环境”系统。
塑料的发明历史也许是因为塑料制品在日常生活中太普遍了,大家对塑料一词熟悉得不能再熟悉了。
从字面上理解,塑料指所有可以塑造的材料。
但我们所说的塑料,单指人造塑料,也就是用人工方法合成的高分子物质。
其实,正是因为有了这种物质,才有了塑料一词。
大家知道,在纤维素中的部分羟根(氢氧根)被硝化后会得到焦木素。
焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物,再加入樟脑等蒸发后会得到一种物质,它受热后变软,冷却后变硬,这种物质被称为“赛璐璐”。
它就是于1865年问世的首批人造塑料。
使塑料从化学实验室中的珍品一跃而成为公众关注的对象,是塑料被引入台球室这一戏剧性事件引发的。
以前的台球是用象牙做的,象牙只能来源于死了的大象,数量自然非常有限。
19世纪60年代初,有人悬赏 1万美元征求台球的最好代用品。
1869 年,美国的海厄特利用“赛璐璐”制出了廉价台球,从而赢得了这笔奖金。
从此,赛璐璐被用来制造各种物品,从儿童玩具到衬衫领子中都有赛璐璐。
它还用来做胶状银化合物的片基,这就是第一张实用照相底片。
但是由于赛璐璐中含硝酸根,极易着火,而引起火灾。
赛璐璐是由纤维素制成的。
因此,它仍然属于高分子化合物。
到1909年,人们已能用小分子合成塑料。
美国的贝克兰把苯酚和甲醛放在一起加热得到的酚醛树脂,被称为贝克兰塑料。
酚醛树脂也是通过缩合反应制备的。
其制备过程共分两步:第一步先做成线型聚合度较低的化合物;第二步用高温处理,转变为体型聚合度很高的高分子化合物。
第一步得到的物质研磨成粉,再和其它物质如陶土混合加热,熔融后凝固的高分子物质很稳定,再加热的时候不再变软。
当然,对塑料加热可以使其损坏。
到了20世纪30年代,人们发现乙烯在高温高压下能形成很长的链。
这是因为乙烯中两个碳原子间的双键在高温下有一个键会打开并与相邻分子连接,这样多次重复,就形成了聚乙烯。
聚乙烯是一种石腊状物质,像石腊一样,呈暗白色,有滑腻感,对电绝缘而且防水,但比石腊更坚固柔软。
遗憾的是,用高温高压方法制造的聚乙烯有一重大缺陷,它的熔点太低,大约等同水的沸点。
塑料的世界(1)溯源——赛璐珞和电木引领材料变革孙 亚飞常常因为去外地进行塑化剂方面的汇报,在旅行途中就开始演练 ppt,有几次引起了邻座的 注意,纷纷开始提问,于是演练搞得比实战还紧张。
不过通过几次对陌生人的科普,倒是发 现有关塑料的很多问题是很值得关注的, 有一些问题在业内或许已经是常识, 但在非专业人 士眼中却十分困扰。
所以这一系列的“塑料”专项科普主要面对的是非化学专业人士,有一些 地方会比较浅显,专业人士勿砸。
在这篇专题中,我们会全面地说明塑料的前世今生,也会 涉及塑化剂、双酚 A 这些近年热门的话题,或许你会发现,塑料的世界竟是如此精彩。
新材料变革我们先把历史的时钟倒回到原始社会, 那个时候的原始人主要使用的材料主要有三种: 木器、 石器和陶器, 在很多考古学中也发现游离的一些金属矿在原始社会中得到了应用, 主要是金 和银,但由于这两种金属作为材料而言都偏软,所以其实基本没有太多的实用价值,只是在 后来充当了一般等价物才有了突飞猛进的应用。
那个时候的人们会重视使用木器和石器并不奇怪, 因为可以随地取材, 这是猩猩都会使用的 基本工具。
与此对应的是,陶器更多地被认为是文明的标志,几乎全世界的考古都会极为看 重陶器的价值,这有着深刻的材料学意义。
木器和石器代表了人类史上的两大类型材料——有机材料和无机材料,当然这简直就是废 话,这个世界除了有机的就是无机的。
但历史的发展很不均衡,在漫长的数千年中,直到 19 世纪以前,有机材料除了木器以外,就是毛皮、秸秆这些可以从生物中直接获取的材料, 没有什么大的变迁。
但无机材料却以石器为起点,发展出了陶器、瓷器、金属、玻璃等等人造材料,除了石器之外,全是依靠人类智慧对已知物施加化学变化之后创造出的新材料,即 使是游离状态的金、银、汞等,人们也都开发了一些利用化学反应进行的提纯方法,而有机 材料则几乎都是随取随用——当然这么说也不完全公平, 有机材料中的鞣革技术也是化学作 用,但产物革与原料皮的性质接近,用途也一致。
塑料的来源与历史早在19世纪以前,人们就已经利用沥青、松香、琥珀、虫胶等天然树脂。
1868年将天然纤维素硝化,用樟脑作增塑剂制成了世界上第一个塑料品种,称为赛璐珞,从此开始了人类使用塑料的历史。
从此开始了人类使用塑料的历史。
1909年出现了第一种用人工合成的塑料-酚醛塑料。
1920年又一种人工合成塑料-氨基塑料(苯胺甲醛塑料)诞生了。
这两种塑料当时为推动电气工业和仪器制造工业的发展起了积极作用。
到20世纪20、30年代,相继出现了醇酸树脂、聚氯乙烯、丙烯酸酯类、聚苯乙烯和聚酰胺等塑料。
从40年代至今,随着科学技术和工业的发展,石油资源的广泛开发利用,塑料工业获得迅速发展。
品种上又出现了聚乙烯、聚丙烯、不饱和聚酯、氟塑料、环氧树脂、聚甲醛、聚碳酸酯、聚酰亚胺等等。
就是这个时候开始的.天然高分子加工阶段这个时期以天然高分子,主要是纤维素的改性和加工为特征。
1869年美国人J.W.海厄特发现在硝酸纤维素中加入樟脑和少量酒精可制成一种可塑性物质,热压下可成型为塑料制品,命名为赛璐珞。
1872年在美国纽瓦克建厂生产。
当时除用作象牙代用品外,还加工成马车和汽车的风挡和电影胶片等,从此开创了塑料工业,相应地也发展了模压成型技术。
1903年德国人A.艾兴格林发明了不易燃烧的醋酸纤维素和注射成型方法。
1905年德国拜耳股份公司进行工业生产。
在此期间,一些化学家在实验室里合成了多种聚合物,如线型酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯等,为后来塑料工业的发展奠定了基础。
1904年世界塑料产量仅有10kt,还没有形成独立的工业部门。
合成树脂阶段这个时期是以合成树脂为基础原料生产塑料为特征。
1909年美国人L.H.贝克兰在用苯酚和甲醛来合成树脂方面,做出了突破性的进展,取得第一个热固性树脂──酚醛树脂的专利权。
在酚醛树脂中,加入填料后,热压制成模压制品、层压板、涂料和胶粘剂等。
这是第一个完全合成的塑料。
1910年在柏林吕格斯工厂建立通用酚醛树脂公司进行生产。
塑料的发明与发展历程展开全文塑料一词源自希腊语(plastikos),意思为适合模制,即指在制造过程中的可塑性,允许它们被铸造成各种各样的形状。
塑料的发明堪称为20世纪人类的一大杰作,历经百余年的发展,塑料已经遍布全球,成为现代文明社会不可或缺的重要原料。
帕克辛“帕克辛”是最早发现的一种塑料。
在19世纪50年代,英国化学家帕克斯在研究胶棉处理方法时,无意中将胶棉和樟脑混合,产生了一种能够弯曲的硬材料,并将它命名为“帕克辛”。
帕克斯利用“帕克辛”制造出了梳子、纽扣和珠宝饰品等各类物品,备受人们青睐。
赛璐珞在19世纪60年代,纽约人海亚特改进了“帕克辛”的制造工序,并将其重新命名为“赛璐珞”。
“赛璐珞”最初是被应用于台球制造,随着塑料市场的不断扩大,“赛璐珞”被制作成了各种各样的产品。
“赛璐珞”是人造塑料,具有易燃的特点,因此其产品制作的范围有限。
酚醛塑料20世纪初期,酚醛塑料面世,标志着塑料时代的正式开始。
酚醛塑料是第一种能有效耐高温的合成塑料,由苯酚和甲醛制成。
美籍比利时化学家贝克兰德发现苯酚(C6H5OH)和甲醛(HCOH)的混合物较为粘稠,且向粉状的酚醛树脂(以煤焦油为原料合成)中添加木屑,混合均匀后加热、加压模塑成了各种制品,具有较强的耐火性能。
贝克兰德将该物质命名为“贝克利特”,又称“电木”。
电木最初用于电气和机械部件,后被广泛应用于各种消费品。
当贝克兰德在1907年申请了贝克利特的专利后,酚醛塑料便正式诞生。
这一发明被认为是20世纪的“炼金术”,贝克兰德也因此获得了“塑料之父”的称号。
后来人们将酚醛塑料模制成了收音机、电话、时钟和台球等各种物质。
第一次世界大战后,电气工业呈现出迅猛发展的态势,人们对酚醛塑料的需求量不断增加,虽然目前酚醛塑料已经被其他更高性能的塑料所替代,但它们仍然能够用于需要其绝缘和耐热性能的应用中。
图贝克兰德发明酚醛塑料聚苯乙烯和聚氯乙烯第一次世界大战后出现了新型塑料浪潮,化学技术的进步催生了聚苯乙烯(PS)和聚氯乙烯(PVC)等新型塑料类型。
1863年,著名台球运动员迈克尔•费兰(Michael Phelan )担心着让他发家致富的台球项目的可持续性。
当时台球是直接用象牙这一动物世界中最坚硬材料手工雕刻而成的。
可象牙的成本高昂,而且做工差的球体经不起反复砸击,容易开裂。
另外,万一突然没有大象了该怎么办,台球运动也就结束了吗?费兰暂时找不到答案,不过富有的他准备了10 000美元,以此作为奖金赠予能够找到合适的象牙替代品的发明家。
费兰这就开始拯救台球运动了,当然,或许还能拯救不少大象。
一个名叫约翰•韦斯理•海厄特(John Wesley Hyatt )的26岁熟练印刷工迎“奖”而上。
他试了几种不同的配方,包括以木纤维作芯、外覆虫胶(一种提取自紫胶虫排泄物的树脂)和象牙粉的混合物。
这有点糊弄事儿,因为这种人造象牙球不具备真球的硬度,遭到台球运动员的拒绝。
最终,海厄特开始尝试使用硝酸纤维素,又称纤维素硝酸酯,是棉花经硝酸和硫酸处理而得到的产物。
当然,他需要自担风险,因为此化合物极易燃烧。
如果把这种硝酸纤维素溶世界正被塑料淹没,这就是一切的开始编译 希区客它是赋能汽车、计算机和现代医学的神奇材料,却也破坏了环境的每个角落。
生态与环境EARTH & ENVIRONMENT解于酒精和乙醚,可以得到一种名为火棉胶的溶液,美国内战期间外科医生曾用它来包扎伤口。
海厄特将这种火棉胶与樟脑混合后,发现该混合产品坚固且可塑,并命名它为赛璐珞(celluloid)。
台球运动员认为它瑕瑜互见:赛璐珞制成的球的确很接近真象牙球,但由硝酸纤维素变化而来的它们“易燃易爆”。
海厄特后来承认:“赛璐珞球碰上点燃的雪茄会立刻产生烈焰,有时球的猛烈触碰也会导致轻度爆炸。
”不过无论如何,海厄特算是发明出了第一种实用的、可大规模生产的热塑性塑料。
在恰当的温度和压力下,赛璐珞可以被塑造成各种形状。
这意味着工程师和设计师拥有了一类虽不稳定却相当好用的新材料。
(早期电影胶片就是用赛璐珞制作的,因此非常易燃。
塑料的世界(1)溯源——赛璐珞和电木引领材料变革”常常因为去外地进行塑化剂方面的汇报,在旅行途中就开始演练ppt,有几次引起了邻座的注意,纷纷开始提问,于是演练搞得比实战还紧张。
不过通过几次对陌生人的科普,倒是发现有关塑料的很多问题是很值得关注的,有一些问题在业内或许已经是常识,但在非专业人士眼中却十分困扰。
所以这一系列的“塑料”专项科普主要面对的是非化学专业人士,有一些地方会比较浅显,专业人士勿砸。
在这篇专题中,我们会全面地说明塑料的前世今生,也会涉及塑化剂、双酚A这些近年热门的话题,或许你会发现,塑料的世界竟是如此精彩。
新材料变革我们先把历史的时钟倒回到原始社会,那个时候的原始人主要使用的材料主要有三种:木器、石器和陶器,在很多考古学中也发现游离的一些金属矿在原始社会中得到了应用,主要是金和银,但由于这两种金属作为材料而言都偏软,所以其实基本没有太多的实用价值,只是在后来充当了一般等价物才有了突飞猛进的应用。
那个时候的人们会重视使用木器和石器并不奇怪,因为可以随地取材,这是猩猩都会使用的基本工具。
与此对应的是,陶器更多地被认为是文明的标志,几乎全世界的考古都会极为看重陶器的价值,这有着深刻的材料学意义。
木器和石器代表了人类史上的两大类型材料——有机材料和无机材料,当然这简直就是废话,这个世界除了有机的就是无机的。
但历史的发展很不均衡,在漫长的数千年中,直到19世纪以前,有机材料除了木器以外,就是毛皮、秸秆这些可以从生物中直接获取的材料,没有什么大的变迁。
但无机材料却以石器为起点,发展出了陶器、瓷器、金属、玻璃等等人造材料,除了石器之外,全是依靠人类智慧对已知物施加化学变化之后创造出的新材料,即使是游离状态的金、银、汞等,人们也都开发了一些利用化学反应进行的提纯方法,而有机材料则几乎都是随取随用——当然这么说也不完全公平,有机材料中的鞣革技术也是化学作用,但产物革与原料皮的性质接近,用途也一致。
所以,陶器出现的意义就在于,它是人类第一个利用化学作用制作的材料,使用的手段当然就是火,实际上火也是大多数无机材料产生化学变化的条件,直到铝时代的来临,火才逐渐被电所取代。
陶器是材料学上的一次伟大变革,因为木器也好,石器也好,加工都需要通过修葺或打磨的方式进行,就地取材,成品取决于基材原本的形状,加工的速度慢,成功率也不高,浪费原料不说,而且材料有时还很难找。
如果小时候自己做过弹弓就知道,不是什么树的枝桠都适合利用。
可是陶器就不一样了,取一块粘土出来,想怎么捏就怎么捏,想吃饭了捏个碗,想喝酒了捏个杯,烧一会儿就定型了,甚至在有些地区还出土了陶器的“娱乐器具”,证实一万年前的人类就有了生殖使命以外的自渎活动。
可以说,原始人的物质文明和精神文明都随着陶器的出现提升了一大档次。
秘鲁陶器中的生殖崇拜,这种现象伴随各民族的新石器时代塑料的出现引发的革命不亚于陶瓷,因为塑料是真正意义上用化学变化创造出的有机新材料。
在塑料之前的有机材料只能利用原料本身的形态,丝、麻、棉、毛、皮、木等等,无不如此。
但塑料之后的材料却不仅局限于此,仅仅依靠石油就可以生产出塑料、橡胶抑或纤维、皮革,自然的限制越来越小。
所以塑料的历史地位可以比作有机材料界的陶器,尤其是指对人类活动的变革意义。
可以负责任地说,塑料时代的到来意味着人类文明的再一次跃进,轻量化、易加工、低成本,这是塑料的一些核心特征。
第一种塑料的出现属于我们主角的故事开始于19世纪,在那时,化学已经从炼金术时代的雏形中脱胎出来,拉瓦锡已在前一个世纪奠定了现代化学的基础。
19世纪的欧洲化学界极为热闹,几乎我们能够叫上名儿的经典化学家都在此时纷纷亮相,而最有新意的几件新材料也在此时得到了应用,对后世产生极大影响的材料之一便是纤维素。
和以往不同的是,这时的应用不再是简单的拿来主义,而是经过了化学改性。
纤维素其实就是木头里的主要成分,但更纯净的纤维素则来自于棉花,其化学本质是葡萄糖的聚合物,自然界中广泛存在。
在此之前,纤维素主要以木器、棉布和纸张的形式被古人使用,但纤维素之所以在19世纪被大举使用,还得感谢炸药在本世纪的快速进步。
如果高中时代有幸选择了化学,而且又极度幸运地接触了硝化反应实验操作,或许会熟悉硝化棉这一奇葩。
把棉花加入到浓硝酸或者发烟硝酸中,滴上几滴浓硫酸作催化剂,神奇的硝化棉便诞生了,经过纯化干燥处理,这种传统的烈性无烟炸药便可以应用了。
最好玩的并不是拿火柴去点着硝化棉,而且这也很危险,因此实际大多数教学实验都会“教唆”采用五号电池和导线去点爆,但如果用废打火机的打火器点爆则更有快感(好吧,我邪恶了,非专业人士请勿模仿)。
当用量很小时,由于燃烧速度快温度低,硝化棉确实能在不造成破坏的前提下带来很多乐趣。
不用多解释,硝化棉中的主要成分就是硝基纤维素,也就是纤维素分子中的羟基形成硝酸酯基的结构。
如果不是材料方面的专家们相中硝基纤维素,这种物质或许会因为炸药之父诺贝尔开发出的硝基甘油而逐渐被人淡忘——19世纪的后半叶,随着化学技术突飞猛进的发展,对于硝基纤维素的研究也得到加深,特别是对于它的溶解与定型工艺,人们想到了更多新的应用方式。
经过近二十年的积淀,终于在1872年,美国出现了第一家生产硝基纤维素的工厂,但不是应用于炸药。
最初,工厂的奠基者JohnWesley Hyatt是考虑用硝基纤维素来生产台球,因为经过特殊工艺生产出来的硝基纤维素不仅足够硬而且还很有韧性,其触感和物理特性与台球的传统材料象牙都没有太大的差异——除了一点就着的脾气以外。
在140年前,这个发明已足够在材料学的历史上画上浓重的一笔了,所以很快它就有了一个商业化的名字——赛璐珞,而且在很短的时间里就替代了很多原先由木器、金属制作的领域,特别是在新兴的电影胶卷方面,简直是神来之笔。
这也就是历史上的第一种塑料,甚至直到如今,我们的国球——乒乓球还是由这个材料制作。
所以如果没条件去玩硝化棉,把乒乓球磨碎了也能大致体会一下,不过鉴于不可预知的风险,没有保障措施还是不要冒险。
赛璐珞,也就是硝基纤维素,目前仍被广泛使用与前面所说的“鞣革”技术不同,这种改性已经拓展了原料的应用领域——皮和革都是用于制衣,但纤维素和硝基纤维素的性质与用途却完全不同,人类第一次利用化学反应合成出了新型有机材料。
这还只是第一步,纤维素本身就是高分子,合成硝化纤维素还只是一次改性反应,故而称不上太大的进步,但“塑料”的大门就此打开,一场材料革命就此展开,而且当时也没有人能够预见,塑料替代原有材料的速度远超过青铜、铁器替代原有材料的步伐,纪年单位不再是世纪而只是年,顶多也只是年代。
新学科的诞生1907年,一种全新的材料得到了工业化,由于其突出的绝缘性能,它至今仍然广泛地应用于电学材料上,比如墙壁上的开关——因此它的商业名称就叫做“电木”,学名酚醛树脂。
虽不是第一种塑料,但历史上对酚醛树脂的评价甚至高于硝基纤维素,因为它是由一类全新的化学反应——聚合反应合成而来。
这个反应其实早在酚醛树脂商业化之前的三十多年就已经被发现了,1872年,德国的天才化学家Baeyer就在实验室用甲醛和苯酚合成出了酚醛树脂。
如果受过有机化学机理折磨的人应该不会对Baeyer的名字感到陌生,特别是刚刚接触亲核反应的时候,Baeyer-Villiger重排的机理是一定要记住的。
因为在有机化学特别是染料方面的贡献,他获得过1905年的诺贝尔奖,20世纪初因为刚刚出现诺贝尔奖,基本又不存在分享,所以那个时候别说获奖,能够获得提名的都是超级大牛了,Baeyer是第五位获奖的化学家,在他之前是Von’t Hoff(代表作为范特霍夫定律)、Fischer(代表作为费歇尔投影式)、Arrhenius(代表作为阿伦尼乌斯方程)和Ramsey(代表作为发现稀有气体)几位有幸活到诺贝尔死的大科学家。
如果Baeyer能活得更久等来聚合反应的大发展,那么合成酚醛树脂的成果足可获得又一项提名。
19世纪大师级化学家Baeyer聚合反应如同一项神奇的魔法,实现了古代炼金术士点石成金的梦想。
就拿酚醛树脂为例,原料甲醛和苯酚都是小分子,分子量分别是30和94,高中化学习题常常会用这两个数字的倍数出考题。
但经过聚合反应之后,酚醛树脂的分子量便了不得了,几万、几十万甚至趋向于无穷大。
需要解释一下“趋向于无穷大”并非数学方面的定义,只是说由于甲醛与苯酚反应时形成交联状结构,因此存在一种可能性即一整块酚醛树脂就是一个分子,这时计算出的分子量数据已经没有意义,一般都会用“无穷大”来形容,其实也就是10的23次方数量级。
半透明的酚醛树脂,理论上一块塑料就是一个分子所以,酚醛树脂的出现意味着人类第一次用非生物手段硬生生地造出了高分子,这首先证明高分子不仅只有蛋白质、淀粉、核糖核酸这些生物大分子,更关键是提供了一种制造新材料的手段,并且也由此产生一项新的学科——高分子化学。
但这个学科也不是一蹴而就,甚至多有波折,因为直到酚醛树脂已经出现,很多科学家并没有认识这种材料具有超高分子量,而是认为与氢氧化铁这些胶体物质一样,通过一些次级键结构堆积出的“大分子”,只有Staudinger,一位来自德国的化学家冷静地指出这些新材料是通过化学键结合的大分子,并且在20世纪20年代掀起一场大辩论。
不过客观的一些观察现象最终支持了Staudinger的观点,高分子化学由此真正奠立,他本人也由是获得了1953年的诺贝尔化学奖。
最初高分子化学还只是有机化学的分支,但如今它已是化学学科下的一门二级学科。
高分子学科的奠基人Staudinger塑料业的高速发展在随后的数十年内,人造高分子的步伐明显加快,并且也由此奠定了很多大型化学公司的发展基础,例如杜邦公司在1930年开发出的尼龙(聚酰胺),到目前为止的快100年以来,仍然没有竞争对手可以超越;拜耳公司在1937年开发出聚氨酯材料,而聚氨酯材料也成为拜耳公司最响亮的产品之一;1930年,巴斯夫公司成为全球第一家工业化生产聚苯乙烯的公司,而这项业务也被巴斯夫保留至今;陶氏的环氧树脂、3M的聚丙烯酸酯、ICI的聚乙烯……基本上每个化学界巨头都会发展各自的高分子板块。
然而有一种塑料却姗姗来迟,并不是因为结构复杂,却是因为性能被诟病而得不到发展,这便是目前在食品行业叱咤风云的聚丙烯塑料。
直到1954年,一位叫做Natta的意大利化学家才第一次在实验室聚合出了具有利用价值的聚丙烯,联想到原材料丙烯如此易得,再联想到聚乙烯早在1899年就被发明的事实,聚丙烯确实来得太晚了。
在此之前的数十年里,对聚丙烯的开发一直有人在尝试,但无一例外都失败了。
Natta的成功在于选择了一类更靠谱的催化剂系统,也就是钛铝催化剂,在这种催化剂体系下,聚丙烯的结构不再是原先那么混乱,专业术语称之为“全同聚丙烯”、“间同聚丙烯”或“规整聚丙烯”,听起来好像不咋样,其实对于高分子化学就是一次划时代的变革。