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第42章 向自然挑战

第四十一章向自然挑战

合成纤维的发明

人口膨胀,地球环境、资源经历了多方严峻考验。合成纤维的发明,有力地缓解了这种危机

,为人类造福无穷。

粮棉争地另辟蹊径

全球人口急剧膨胀,“温饱”问题向人类挑战,但是,从传统的角度看,“温”与“饱”之

间又存在着深刻的矛盾。棉花1年只能收获1次,1亩棉田最多不过收一二百斤。要多种,必

然形成粮棉争地的局面。其他天然纤维——羊毛、亚麻、蚕丝的生产,同样受到场地和产量

限制,所以必须另辟蹊径。

科学家们通过长期的观察,发现了蚕儿吐丝的三个步骤:首先是肚子里形成某种黏液;接着

把这种黏液从它的小口中吐出,并在空气中凝固成丝;最后把丝牵引卷绕成蚕茧。于是从19

世纪中期开始,人们进行了对蚕儿吐丝的模拟。

1855年,法国人奥德马尔先把硝化纤维溶解在乙醚—乙醇混合液中,然后将这种黏液用毛细

针管挤出,待溶剂蒸发后,就制得了世界第一种人造丝。 接着,“铜氨”、“黏胶”、“

醋酯”等人造丝相继问世。它们的共同特点是,原料都采用棉绒、木浆等含有高分子化合物

——纤维素结构的农副产品

由于人造丝既在一定程度上仍受到天然资源的制约,又在性能上存在着诸多缺点,因而从20

世纪初开始,人造丝就向“合成”方向发展。也就是说,合成纤维中的纤维结构是通过化

学合成方法形成而不再依靠天然纤维中的纤维素。

1913年德国化学家克拉特首先开始研制合成纤维。他以乙炔为原料,与氯化氢反应生成

氯乙烯,并用汞作催化剂,进一步产生聚氯乙烯树脂。这种高分子化合物溶解在加热的氯苯

中,再通过丙酮的水溶液凝固。用这种“湿法纺丝”工艺制得的合成纤维 ,应该说是世

界上最早出现的一种合成纤维。但是,由于当时的原料乙炔价格昂贵,氯苯与汞又有较大的

毒性,加上纤维本身存在着耐热性差、强度低等弱点,因而未能形成工业化生产。

尼龙问世巧夺天工

1927年,美国最大的化学公司——杜邦公司决定拨出巨额经费,聘请才华出众的青年化学家

卡罗瑟斯为实验室负责人,以推动高分子化学的基础研究。他和助手希尔着手用二元醇和二

酸进行“缩聚反应”。希尔发现在烧杯中生成一层厚厚的糨糊状物,他从杯中取出玻璃棒时

,棒上挂上很长的糨糊状细丝。这种细丝冷却时不但很快固化,而且富有弹性和光泽,也

就是说具有可纺性。卡罗瑟斯敏锐地意识到,这种“聚酯”物质可以制成合成纤维 。但是

,由于它的软化温度比较低,还不符合加工生产的要求。在以后4年的时间内,卡罗瑟斯领

导的研究小组进行了数千次化学实验,制备出多种高分子化合物,但仍未获得突破性的进展

。

最后,卡罗瑟斯决定改用己二酸和己二胺作原料,通过缩聚反应产生“聚酰胺”。与上述聚

酯一样,聚酰胺也能在熔融状态下拉成细丝。在拉伸前,长链分子是不规则的,但在冷拉伸

后,它的分子会沿着纤维的轴平行排列。另一个重大进展是这种纤维的软化点已符合纺丝

工艺的要求。

卡罗瑟斯把他的发明称为“尼龙66”。其中第一个“6”表示己二酸中有6个碳原子,第2个

“6”表示己二胺中也有6个碳原子。1938年,杜邦公司建成第一座生产尼龙66的工厂。所

以,用工业化和商品化的标准衡量,尼龙66是最早问世的具有实用价值的一种合成纤维。令

人惋惜的是,在此前一年,卡罗瑟斯在提出最后一份专利申请

报告之后几个星期,就于1937年4月因积劳成疾而去世,年仅41岁。

1938年,公司建成了一座中间试验装置来制造尼龙66。同年发动广告攻势,主题是“用煤、

气和水制成的纤维,像钢丝一样结实,像蛛网一样纤细,那就是光泽美丽的尼龙丝”。1939

年,杜邦开始大规模生产尼龙。1940年尼龙袜上市,人们像潮水一般涌向柜台,4天内400万

双袜子就销售一空。这年,杜邦共售出了6400万双尼龙袜,大发利市。

杜邦公司投入了巨额资金到尼龙的研制和工业化生产中去。据估计,杜邦公司从开展聚合物

基础研究到工业化生产尼龙,历时11年,耗资2 200万美元,其中研究投资100万美元,设

备投资2 100万美元。这是一笔巨大的投资,但它带来的回报也是十分可喜的。1963年,尼

龙的销售额就已达到投资的10倍。

第二次世界大战期间,美军买断了所有的尼龙制品。尼龙用于制造降落伞、滑翔机拖绳、飞

机轮胎帘子线等战略物资,为盟军赢得战争胜利,贡献巨大。

直至1953年,杜邦一直垄断尼龙的生产。此后,一些美国化工企业获得杜邦公司的许可,开

始生产尼龙。现在杜邦公司的尼龙产品有1 000多种,尼龙的问世,不仅是化学工业和纺织

工业的划时代事件,也是科学技术产业化的典范,有着重大的意义。

姹紫嫣红大放异彩

尼龙66在世界各国有不同的商品名称:美国——耐纶,苏联——卡普隆,日本——阿美纶

,德国——贝纶,中国——锦纶66(为纪念在锦西化工厂首制成功)。还有锦纶6、锦纶101都

同出一门——聚酰胺纤维。

锦纶具有诸多优越性能。首先,它是所有天然纤维和化学纤维中的耐磨冠军,曾经做过这样

颇有说服力的化验:一个人一只脚穿锦纶袜,另一只脚穿棉线袜,结果棉线袜穿破了3只,

而那只锦纶袜还未破。其次,它是纤维中的“大力士”。一根手指那么粗的锦纶强度就可以

吊起

一辆满载货物的解放牌大卡车。再次,锦纶弹性回复率高,耐疲劳性能好。所以锦纶除在民

用纺织品中深受宠爱外,在工业上的用途也十分广泛。锦纶做的帘子线,可以减轻轮胎的重

量,节约橡胶的用量。锦纶鬃丝编织的鱼网,既结实、耐磨,又无色透明,不但使用寿命长

,而且可以提高捕鱼量。登山运动员攀登世界高峰过程中,身穿的登山服和使用的登山索也

都是由锦纶制成的。在国防上,降落伞同样取材于锦纶。

对高分子化合物的理论研究,随着合成纤维的发展也在加紧进行。其中后来荣获诺贝尔奖的

德国化学家施陶丁格最负盛名。在他的理论指导下,另外两位科学家温费尔德和狄克逊共同

研究了卡罗瑟斯当初利用缩聚反应制备聚醇纤维失败的原因。他们认为,如果改用对苯二

甲酸和乙二酯做原料进行缩聚反应,那么由于生成生物——聚对苯二甲酸乙二酯的分子对称

性,因而一定是一种结晶物质。实践证明了他们的推断,其熔点达到

了250℃的可纺要求。于是,聚酯纤维于20世纪50年代初首先在英国以“特丽纶”的名称

,登上合成纤维的舞台(后来美国、香港称“达克纶”,我国称为“涤纶”、“的确良”),

它最大的特点是保型性和抗皱性特别好,做成衣物挺括不皱,外形美观。由于涤纶的耐冲击

强度要比锦纶强4倍,因而目前已有取代锦纶做轮胎帘子线的趋势。

世界上最早出现的合成纤维——氯纶,尽管当年由于原材料供应稀缺以及耐热性等方面存在

一些问题,未能及时实现工业化,但是与其他合成纤维相比,它又具有不易燃和对酸、碱、

氧化剂、还原剂的高度稳定性的明显优势,因而并没有被科学家们遗忘。随着化学、石油工

业的发展和生产工艺的改进,氯纶终于从20世纪40年代开始分别在德国(称为“配采鸟”)和

法国(称为“罗维尔”)步入合成纤维的大军(我国曾一度称为滇纶)。氯纶由于保暖性好,容

易带静电,因而做贴身穿的内衣,对关节炎患者有一定辅助疗效。加上它难燃,特别适宜做

家具覆盖织物、地毯、老人及儿童的衣服等。在工业上,氯纶做的导火线外壳,可以确保矿

井的安全生产;用它做的防尘口罩的阻尘率也远比棉纱布口罩高。

1933年起,德国著名化学家赖恩开始研制一种能够代替稀缺的羊毛的合成纤维。赖恩在

研究合成橡胶时注意到一种叫丙烯腈的原料。这是一种十分牢固的树脂。为了找到一种能够

溶解它的溶剂,赖恩足足干了三年,最后找到了二甲基甲酞胺,它可以使丙烯腈树脂溶解,

并且通过喷嘴将其挤压成丝。接着,他又做了很多实验,从头到尾整整花了17年,一种人造

羊毛——腈纶终于诞生了。它蓬松卷曲而柔软,弹性不亚于羊毛,但比羊毛质轻,强度和

保暖性也优于羊毛,耐晒性更佳,而且不怕虫蛀。

以假乱真造福人类

合成纤维由于原料来源丰富(主要是石油、天然气、煤、石灰石等),特别是节约大量耕地,

据估算,一个年产10万吨合成纤维的工厂,占地不到300亩,但其年产量却相当于500万亩棉

田,因而发展前景不可估量。当然,目前的合成纤维与天然纤维相比,性能上也存在一些缺

。科学家们除了采取混纺的方法互相取长补短外,更进一步进行合成纤维的“仿生化”研究

。例如,蚕丝所以能闪闪发光,是因为其横截面呈三角形,科学家们由此得到启迪,并在腈

纶中加入少量锦纶或涤纶的这种三角形“异形纤维”,就开发出了腈纶膨体闪光细绒及闪光

膨体纱等新产品;又如将两种或两种以上的合成纤维成分,按照不同的方式“变性”处理而

构成“复合纤维”,从而达到仿棉、仿麻、仿毛、仿皮的“以假乱真”的效果。此外,一系

列防缩、防水、防燃、防污、防静电、防抽丝等特种处理也已经开始采用,使合成纤维走向

高档化,从而大大提高了产品“附加值”,增加了产品的舒适性和卫生性。

合成纤维的发明,给人类的衣着带来了革命性的变化,同时,也改善了人类的生活质量。