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第20章 生活中的材料(4)

1776年,英国化学家黑立桑和马凯尔用松节油和乙醇的混合液溶解已凝固的胶乳,得到一种黏稠的浆液,把这种浆液涂在布上,等到溶剂挥发以后,得到一种质量比印第安人的制品好得多的防水布。由于黑立桑和马凯尔解决了已凝固的胶乳的加工问题,橡胶工业开始发展了。其实,橡胶真正得到广泛应用还是古利特发现橡胶硫化后的事情。在这之前,生产出来的橡胶产品仍存在着较大的缺陷,如它们遇热变软,容易发粘;遇冷又会变硬,弹性变差;橡胶有一股难闻的气味。

1844年,美国工程师古利特从焦炭炼钢中得到启示:钢的性能比铁好,只是因为在铁中添加了其他元素。那么,在橡胶的加工过程中添加其他物质,会不会也使橡胶的性能得到改善呢?经过许多次试验后,最后发现把硫黄加到热橡胶中,发生剧烈反应后的生成物受热后不发粘并具有良好的弹性,这种技术就是橡胶硫化。硫化作用实际上是对橡胶分子进行一种化学改性,利用硫磺做交联剂,把线型的天然橡胶分子变成三维网状结构的大分子,使橡胶制品变得不粘不脆,坚韧而有弹性。

(2)合成橡胶

随着工业技术和科学技术的发展,橡胶制品得到了更广泛的应用。而橡胶树的种植需要占用大面积的土地,橡胶树的生长又具有一定的区域性,天然橡胶的产量已经远远不能满足需要,化学家开始研究合成橡胶。人工合成橡胶的思路首先来自对天然橡胶的剖析和仿制。19世纪20年代,英国化学家和物理学家法拉第首先对天然橡胶进行了分析,确定了橡胶的化学式是C5H8。1860年,英国化学家威廉斯从天然橡胶的热裂解产物中分离出C5H8,它是一种不饱和烃,叫异戊二烯。还发现异戊二烯在空气中易被氧化,变成白色的弹性体。1879年,法国化学家布恰特先用热裂解法制得异戊二烯,又把异戊二烯重新合成为弹性体。尽管这种弹性体的结构、性能与天然橡胶存在着一些差别,但毕竟在探索从低分子单体合成橡胶的可能性上取得了成功。1900年,德国化学家孔达科夫用2,3-二甲基-1,3-丁二烯为原料聚合成了皮革状弹性体,解决了德国缺少天然橡胶的问题。之后,科学家们陆续用其他原料合成了各种不同类型的橡胶。

通用合成橡胶是指性能和天然橡胶差不多的常用橡胶。主要有以下几个品种:①顺丁橡胶。

顺丁橡胶是由1,3-丁二烯为原料聚合成的,具有弹性好、耐低温、耐热和黏结性差的特点,可制轮胎、运输带、胶管等。

②丁苯橡胶。

丁苯橡胶是由1,3-丁二烯和苯乙烯为原料聚合成的,具有热稳定性、电绝缘性和抗老化性能,可制轮胎、电绝缘材料等。

③氯丁橡胶。

氯丁橡胶由2-氯-1,3-丁二烯为原料聚合成的,具有耐日光、耐磨、耐老化、耐酸、耐碱、热耐油性好的特点,可制电线包皮、运输带、化工设备的防腐衬里、粘胶剂等。

特种合成橡胶是指能在特殊场合(如高温、低温、辐射、高空、特殊介质等)使用的橡胶。主要品种有:④丁腈橡胶。

丁腈橡胶由1,3-丁二烯和丙烯腈为原料聚合成的,具有抗老化性、耐油性好和耐高温的特点,可制耐油、耐热的橡胶制品,飞机油箱衬里等。

⑤硅橡胶。

当今世界上既耐高温又不怕低温的弹性材料并不多,而硅橡胶就是一种冷热不怕的弹性体。硅橡胶是由有机硅(如八甲基环四硅氧烷)部分水解后缩聚而成。它的高分子主链由硅、氧原子相互交替组成(-Si—O—Si—O-),在硅原子上带有有机基团。硅橡胶的最大特点是具有宽广的温度使用范围,能耐300℃高温和-100℃低温。另外还具有其他一系列优异性能,如优良的电绝性、耐臭氧氧化性、无味、无毒和耐老化等。所以硅橡胶的应用十分广泛:a电器工业。主要用于制造电线电缆、电器设备的耐热绝缘,电子设备的包覆、灌注等。b航空工业。主要用于机舱密封、保护罩、发动机的胶管、火箭燃油门、动力源电缆井盖涂层等。c医疗用品。由于人体对硅橡胶的排异性小,因此用硅橡胶制作的人体组织器官可长期且安全地承担起机体功能。硅橡胶可用于人造血管、人造瓣膜、人造心脏等。

⑥氟橡胶。氟橡胶是一种在高分子中含有氟原子的合成橡胶。由于氟橡胶中的碳氟键的键能比一般高聚物理化学键的健能要大得多,因此,氟橡胶具有一些独特的性能:a对化学试剂具有高度的抗耐性。不但能耐酸、碱的腐蚀,还能抵御高热无机试剂和有机试剂的进攻。一般高聚物“敬而远之”的有机溶剂,如苯及同系物、氟烃、醇、酯等,对氟橡胶毫无办法。b具有高熔融点和高抗热解性。一般高聚物遇到高热往往变性,甚至化为灰烬,而氟橡胶在500℃时仍能保持自己的特性。

氟橡胶在军事工业、航空工业和化学工业上的应用比较广泛。用做飞机、火箭、发动机以及其他机器设备上的密封垫圈、密封带,气体泵和热空气用的薄膜、输送热液用的胶管,火箭里各种复杂的液压和风动系统零件。制造石油工业上各种与溶剂、流体接触的密封件,氟橡胶可保证设备在苛刻条件下长期正常运行。

3.化学纤维

纤维是一种分子的长度比直径大很多倍,并且有柔软性的高分子材料。纤维都有一定的强度、弹性和吸湿性能,但不溶于水。纤维可分为两大类:一类是天然纤维,如棉花、羊毛、蚕丝、麻等;另一类是化学纤维,化学纤维是用天然高分子化合物或人工合成的高分子化合物为原料,经过制备纺丝原液、纺丝和后处理等工序制得的具有组织性能的纤维,如涤纶、尼龙、维纶、腈纶等。根据原料的不同,化学纤维又分为人造纤维和合成纤维两大类。

(1)人造纤维

人造纤维是科学家模仿蜘蛛吐丝结网和蚕吐丝的自然过程,利用自然界中纤维素做原料,用人工的方法进行化学处理与机械加工制得的纤维。如利用纤维素(木材、棉短绒等)做原料制得的纤维为纤维素纤维,利用蛋白质(牛奶、大豆、花生、玉米等)做原料制得的纤维为蛋白质纤维。

第一种人造丝是1855年制成的。奥德马尔把硝酸纤维素溶解在乙醇和乙醇的混合溶液里,得到一种粘稠液体,通过毛细管把这种溶液挤出,溶剂在空气中挥发后,就凝固成光亮柔韧的细丝。

第二种人造丝是铜氨人造丝。1857年,施韦策尔发现纤维素(如棉花中的纤维素)很容易溶解在铜氨溶液里。1890年,弗雷梅里和乌尔班发现,溶解了纤维素的铜氨溶液遇到酸以后,就会被分解,使已经溶解的纤维素重新凝固出来。他们利用这一性质,通过细孔把溶解了纤维素的铜氨溶液喷射到稀酸中,使纤维素凝固成细丝,并可进一步纺成非常细、质地柔软、强度很高的人造丝。

1884年,墨塞尔又发现,用碱浸泡纤维素,能得到一种有丝光的碱纤维。1892年,克劳斯和比万将碱纤维跟二硫化碳反应,纤维便溶解在二硫化碳中,形成纤维素磺酸钠溶液,当这种溶液遇到酸时,纤维素磷酸钠便被分解,重新产生出纤维素。但是,这时产生的纤维素不同于原来的粗纤维素,它很细,质地柔软,很适合于纺丝。由于纤维素磺酸钠溶液的粘度很高,因此用这种溶液生产出来的纤维叫做粘胶纤维,可用来生产服装和轮胎工业中的帘子线。

(2)合成纤维

人造纤维只能在一定程度上满足人们的需要,而化学家总会思考如何用纯粹人工合成的方法大规模地生产合成纤维。合成纤维是利用煤、石油、天然气及农副产品做原料,经过化学合成与机械加工等制得的纤维。合成纤维品种繁多,按用途和性能又可将合成纤维分为通用合成纤维和特种合成纤维。

通用合成纤维主要有以下几种:

①聚酯纤维。

1930年,美国杜邦公司的卡罗瑟斯指导他的助手希尔用二元酸和二元醇进行缩合聚合反应,生成酯和水,酯又能聚合成长链的聚酯。当时,希尔发现在烧杯中生成一层厚厚的浆糊状物质,当他从烧杯中取出玻璃搅拌器时,搅拌器上挂了很长的细丝,冷却后细丝很快固化。更重要的是他还发现,细丝能像橡胶一样拉伸,细丝还具有弹性。敏锐的观察力使他意识到,拉伸作用能够使高分子化合物变成平行的线束,跟丝和其他天然纤维的结构一样,有可能用来纺纱,这就是聚酯纤维。聚酯纤维是由二元酸和二元醇缩聚制得聚酯树脂,而后将这种树脂进行熔融纺丝和加工处理制成的合成纤维。因为这类纤维的分子是由酯化反应合成的,所以化学名称叫聚酯纤维。

目前,这类纤维的主要品种是聚对苯二甲酸乙二酯纤维,是由对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯和乙二醇缩聚而成。这种纤维的商品名称,国内叫涤纶,也是曾经很火的“的确良”。

聚酯纤维耐热性好,弹性模数高,耐冲击强度高,保形性好吸水性低。其原料来自石油、煤焦油。

②聚酰胺纤维。

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