赛璐珞与一万美元奖金

2. 赛璐珞与一万美元奖金

重金悬赏引出的发明

19世纪中叶，美国纽约的一家报纸刊登了一则广告：

敝公司为解决象牙的来源，愿以一万美元的高价，征求象牙代用品的发明权。希于1868年9月30日前与我公司联系。

哥伦比亚牙雕工业公司启

1868年3月31日

哥伦比亚牙雕公司是由纽约阿尔贝尼的商人费郎和克拉登经营的，他们的业务主要是制造台球弹子。公元15世纪之后，西方的殖民主义者先后深入非洲大陆。来自欧洲的狩猎者们曾对非洲包括大象在内的大动物进行空前的劫掠，因为象牙是做台球弹子最好的原料。到了19世纪，非洲野象数量越来越少，象牙已经不能满足世界上的需要，运往美国的象牙就更少了，在面临材料来源枯竭的威胁下，那两个商人便决定出重金“招贤”。

广告发挥了威力，美国国内和国外的许多专业科学家以及业余从事发明研究的科学爱好者们，都积极参与了寻找象牙代用品的行列。

先拔头筹的居然不是化学家，而是一位名叫海厄特（J.Hyett）的印刷工匠。他于1869年用潮湿的硝酸纤维和樟脑混合而制成了世界上最早的硝酸纤维塑料。可是，他的发明比广告要求的时间晚了一步，所以没有得到那笔奖金。

1872年，海厄特自筹资金创办了一家工厂，并按他兄弟关于纤维素的音译“赛璐珞”（Celluloid）为注册商标开始了大量生产。赛璐珞不仅是制造台球弹子的好材料，而且可用于制造儿童玩具、纽扣、梳子及其他各种日用品。赛璐珞制品柔软、坚牢、美观大方，在市场上颇受顾客欢迎。

不过，尽管海厄特制成了世界上最早的塑料，但这种材料并不是完全的化学合成物，因为赛璐珞本身就是以天然的棉花纤维作为基础的。真正用低分子通过化学反应合成的第一种塑料是酚醛树脂，其发明者是在美国工作的比利时人贝克兰（L.Beakeland）。为了寻找一种代替虫胶的物质，贝克兰进行了多种实验。在历经多次失败之后，他发现，苯酚（俗称石炭酸）经甲醛（俗称福尔马林）处理后，会产生粉状的树脂，经过加热、加压就可以模塑成形。这样，他终于造出了第一种合成塑料酚醛树脂（俗称电木）。这种新化合物结实、耐用，且绝缘性能极佳，是制作许多物品的好材料，至今仍有广泛用途。

塑料自“诞生”之后，由于它具有优点多、用途广、易于加工等特点，所以发展十分迅速。特别是近几十年来，随着石油化学工业的发展，为塑料生产开辟了广阔的原料来源，塑料生产有了大幅度的增长。例如，在过去40年里，美国的塑料生产增长了100倍。从1950年开始，世界塑料生产量大约以每年提高1倍的速度在增长，到80年代初，世界塑料生产规模已达到了钢生产的规模，而到本世纪末则将超过钢生产规模的6倍。

有机合成材料的“三大家族”

有机合成材料，就是人们常说的合成高分子材料，主要包括塑料、合成橡胶、合成纤维“三大家族”。

塑料是在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。塑料的种类很多，到现在大约已有300多种，目前大量投产的也有数十种。根据其受热后所起的变化不同来划分，塑料可分为热塑性和热固性两大类（表3-2），像聚乙烯、聚丙烯、有机玻璃等属于热塑性塑料，它们受热后不是马上熔化变成液体，而是先经历一个软化过程再变为液体。液体冷却后，变硬成为固体，再次加热，它们又能软化、流动。而像酚醛树脂、聚氨酯、环氧树脂等则属于热固性塑料，它们在受热后不会熔化、流动，当加热到一定温度时其内部结构遭到破坏而固化成型，此后，虽在更高的温度下，不能再熔化，而只会碳化。

表3-2　热塑性塑料与热固性塑料

若将塑料按性能和用途来分类，则可分为通用塑料、工程塑料、特种塑料和增强塑料。

合成橡胶，是根据天然橡胶的高分子结构原理，用化学合成方法，从石油气里提炼生产出来的。合成橡胶品种很多，性能各异，在许多场合可以代替甚至超过天然橡胶。根据使用目的，可将合成橡胶分为通用橡胶和特种橡胶两大类。通用橡胶用量较大，例如丁苯橡胶占合成橡胶产量的60％；其次是顺丁橡胶，占15％，此外还有异戊橡胶、氯丁橡胶、丁钠橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶等，也都属通用橡胶。特种橡胶是在特殊条件下使用的橡胶。它们有特殊的性质，如耐高温、耐低温、耐油、耐化学腐蚀和具有高弹性等。硅橡胶、氟硅橡胶、硅硫橡胶、丁腈橡胶和聚硫橡胶等均属特种橡胶。

合成纤维是由合成高分子通过拉丝工艺获得的纤维。生产合成高分子的基本原料是苯、苯酚、二甲苯、乙烯、丙烯、乙炔等有机化合物。这些原料又可从煤、石油、天然气中提取。合成纤维的品种繁多，最为人们熟知的就是通常所说的合成纤维“六大纶”（表3-3）。它们各有其商品名称和化学名称。例如涤纶（商品名也叫的确良）的化学名称叫聚酯纤维；锦纶（也叫尼龙，最常见的是尼龙—6和尼龙—66）的化学名称叫聚酰胺纤维；腈纶的化学名称叫聚丙烯腈纤维；维纶（维尼纶）的化学名称叫聚乙烯醇纤维；丙纶的化学名称叫聚丙烯纤维；氯纶的化学名称叫聚氯乙烯纤维。合成纤维中最重要的品种是涤纶、锦纶和腈纶，它们的产量之和占世界合成纤维总产量的90％以上。除了上述几种常见的、生产量比较大的合成纤维之外，还有许多合成纤维新品种，如聚氨酯纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、碳纤维等，这些合成纤维各有各的独特性能，它们中间有许多已经成为国防工业或尖端科学技术领域中重要的材料。

表3-3　一些合成纤维的性能

前途无量的高分子材料

高分子这一概念最早是由德国物理化学家施陶丁格（H·Staudinger）提出来的。施陶丁格经过近10年的研究认为，高分子物质是由具有相同化学结构的单体（Monomer），经过化学反应（聚合）将化学键连接在一起的大分子化合物（Polymer），高分子或聚合物一词即源于此。不过，当他在1928年德国物理和胶体化学年会上宣布这一观点时，却遭到多数同行反对而未被承认。但真理的光芒是遮掩不住的。经过两年的实验验证，1930年施陶丁格再次在德国物理和胶体化学年会上阐明他的高分子概念观点时，他成功了。正是高分子理论的确立和分子量测定方法的完善使高分子化学突然成为发展最迅速、应用最广泛的新兴学科之一。施陶丁格本人也由于在这方面作出的开创性贡献而获得了1953年诺贝尔化学奖。

从1930年高分子科学概念确立至今，高分子材料工业取得了突飞猛进的发展。目前世界上合成高分子材料的年产量已超过1.4亿吨。如今高分子材料已经不止是金属、木、棉、麻、天然橡胶等传统材料的代用品，而成为国民经济和国防建设中的基础材料之一。与此同时，高分子科学的三大组成部分——高分子化学、高分子物理和高分子工程也已日趋成熟。

高分子材料包括塑料、橡胶、纤维、薄膜胶粘剂和染料等，其中被称为现代高分子三大合成材料的就是前面已谈到的塑料、合成纤维和合成橡胶。

高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。之所以称为高分子，就是因为它的分子量高。常用高分子材料的分子量在几百到几百万之间，高分子量对化合物性质的影响就是使它具有了一定的强度，从而可以作为材料使用。这也是高分子化合物不同于一般化合物之处。又因为高分子化合物一般具有长链结构，每个分子都好像一条长长的线，许多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物具有较高强度，可以作为结构材料使用的根本原因。

高分子材料以其特有的优良性能被广泛应用于人类生活的各个方面，并已渗透到科学技术的各领域。高分子材料在人类衣、食、住、行方面的应用众所周知，毋庸赘述。它们在化学工业、电气、机械、建筑等产业中也发挥着很大的作用。例如，有种塑料叫聚四氟乙烯，又名“塑料王”，即使把它放在王水中煮也不会变质，其耐酸程度远超过金，是化学工业中制作耐酸、耐腐蚀零件的好材料。60年代开始生产的特种合成纤维——芳纶（又名“合成钢丝”），是一种超高强度纤维。它的强度是一般钢丝的5倍，一根手指粗的芳纶索竟可以吊起两辆卡车。又如玻璃钢的强度比合金钢大1.7倍，比钛钢大1倍。由于质轻、强度高、耐腐蚀、价廉，所以高分子材料在不少场合已逐步取代金属材料的位置，全塑汽车的问世就是典型例子。

在合成高分子的主链或支链上接上带有显示某种功能的官能团，使高分子具有特殊的功能，这类高分子称为功能高分子。功能高分子材料发展已有20多年历史，已在许多领域中得到成功的应用，是合成高分子材料中很有发展前途的一个分支。已知的功能高分子的品种和分类如表3-4所示。这类材料具有“特异功能”，能满足光、电、磁、化学、生物、医学等方面的功能要求，是一种发展高技术和开拓“未来产业”的崭新材料。例如，导电高分子材料既具有有机高分子材料的性能，又具有半导体和金属的电性能，可用作电极材料、屏蔽材料、防静电材料、电子元件材料、电子照相用感光材料、高压电缆被复材料等；用导电塑料做成的塑料电池已进入市场，硬币大小的电池，一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料，电池可多次重复充电使用，工作寿命长。有一种称为反渗透膜的高分子分离膜，可以用在海水淡化和污水处理上，也可用于制造电子工业所需的超纯水。还有一种化学反应膜，能把催化剂、微生物和促进化学反应的其他东西固定在膜里，应用于化学工业中，可以简化生产工序，节约能源，同时能实现连续化生产。又如以高性能有机玻璃为基材制成的光盘，是80年代新开发成功的先进的信息记录、储存元件，可满足激光技术的发展以及对大容量、高信息密度记录储存材料的需求。这种光盘既可记录文字数据，又可记录声音和图像，其信息储存密度比常用的磁带、磁盘和盒式录像带要高出许多倍。再如有一种高吸水性树脂材料可吸收超过自重几百倍甚至上千倍的水，体积虽然膨胀，却不会挤出水来。用这种材料制成尿片，即使吸入大量的水，依然滴水不漏，干爽通气。市场上已有了这种号称“尿不湿”的纸尿片，婴儿用上它整夜不必换尿片。高吸水树脂还是很好的保鲜包装材料，还可用作土壤保水剂，来防止土地沙漠化。若将高吸水树脂与草籽拌种，用于在干旱地区飞播植草，会大大提高飞机播种植草的成活率。

表3-4　功能高分子的品种和分类功能高分子

我国对高分子材料的研究工作十分重视，已取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果。例如，一批有特色的高性能树脂已经研制成功，其中耐温316℃的PI树脂已达到国外同类产品的水平，并具有吨级生产规模；PEEK、PPS、PEKK树脂采用我国自己的合成路线，重点解决了合成中的关键技术，产品性能基本上达到国外同类产品的水平。我国还开展了多种有机高分子膜材料和制膜工艺的研究，并取得了长足的进展；已研制成中空纤维、卷式和平板组件。在从合成氨尾气回收氢和石油裂化气回收氢、膜富氧装置用于医疗保健以及玻璃熔炉富氧助燃等方面都已取得良好效果。