高分子化学的建立和三大合成材料的问世

2023-11-27 理论教育版权反馈

【摘要】：随着量子力学的建立，量子化学也应运而生。合成纤维是利用石油、煤、天然气等低分子有机物经过化学处理和机械加工制成的化学纤维。1900年，英国建成年产1 000吨的工厂，1920年的产量达1 500吨。其原料来自电石、醋酸等，成本低，纤维强度大。在合成材料中，塑料的发展速度最快。由于它具有极强的耐腐蚀、耐高温、不易和其他化学药品发生作用等特性，故被称为“塑料王”，被认为是一种具有广泛用途的高级材料。

　　19世纪末、20世纪初，在物理学革命的带动下，传统的化学理论发生了革命性的变化，使人们对自然界各种物质形态的认识、特别是对元素嬗变和原子结构的认识更加深入。随着量子力学的建立，量子化学也应运而生。1927年，德国理论物理学家海特勒（1904-）和美籍德国人伦敦（1900-1954）提出了化学键新概念。1932年，美、德科学家又提出了分子轨道法，进一步探讨了电子的运动规律。化学理论上这些突破性的进展，为开辟化学新天地、特别是为高分子合成新材料的研制作好了理论准备。
　　1932年，德国高分子化学家施陶丁格（1881-1965）发表了第一部高分子化学论著—《高分子有机化合物》，标志着高分子化学这一新学科的诞生。早在1922-1925年，施陶丁格就从研究天然橡胶的分子结构中，提出了“大分子”的概念，并证明橡胶大分子是简单的单体以正常的化学键相连而成的线性长链聚合物。1930年，他还证明了高分子化合物稀溶液之粘度与分子量之间的定量关系，从而使高分子分子量的测定进入定量阶段。30年代，德、美、英等国的化学家们已经阐明了“连锁反应”和“缩聚反应”的机理，简化了聚合方法，从而使各种高分子化合物、特别是合成纤维、合成橡胶和塑料这三大合成材料得以问世。
　　合成纤维是利用石油、煤、天然气等低分子有机物经过化学处理和机械加工制成的化学纤维。本世纪初，化学纤维的主要品种是粘胶纤维，以木浆、棉绒等天然纤维为原料，经化学改性制成。1900年，英国建成年产1 000吨的工厂，1920年的产量达1 500吨。
　　1935年，美国杜邦公司研究室主任卡罗瑟斯（1896-1937）耗资2000万美元，历时10年，研制成功聚酰胺类纤维，即尼龙—66，1938年进行工业化生产。其纤维强度比棉花大2-3倍，耐磨程度为棉花的10倍。1940年生产的第一批尼龙丝袜，因其耐磨、弹性好而在纺织市场引起震动。二战中，尼龙还被用于制作降落伞，效果很好。
　　1939年，德国研制出同属聚酰胺纤维类的锦纶，其性能更接近天然纤维。1940年英国的温弗尔德和狄克逊合成出聚脂纤维，称“涤纶”，是制造“的确良”的主要原料。当时，正值战争期间，故直到1946年才投入工业化生产。1948年，日本又研制成功一种新的合成纤维—维尼纶，并投入工业生产。其原料来自电石、醋酸等，成本低，纤维强度大。
　　上述各种合成纤维大大丰富和改善了人们的衣着，同时在农业和国防上也有广泛用途。至1945年，化纤在世界纺织品产量中的比重已接近10％。
　　在合成橡胶方面，早在1912年德国就成功地采用与橡胶单体异戊二烯结构相近的二甲基丁二烯为单体合成的甲基橡胶，并用于制作轮胎。但这种橡胶成本高、且耐压性能较差。1930年，苏联研制出使用酒精蒸气，通过催化剂再变成丁二烯体聚合而成的丁钠橡胶。然而，酒精成本太高，且性能远不如天然橡胶，为此而进行了大量的丁钠橡胶改性的试验。结果，1934年德国法本康采恩的化学家们又研制成功丁苯橡胶，1937年开始投入生产。1940年，美国杜邦公司又研制出氯丁橡胶，具有耐腐蚀、耐老化、不易燃、耐酸、耐油等优点，在军事上很有价值。
　　总之，二战前合成橡胶的研制和生产已经取得了相当突出的成绩，其性能越来越接近天然橡胶，在某些方面甚至优于天然橡胶。
　　在合成材料中，塑料的发展速度最快。早在19世纪中叶，就已出现了硝酸纤维制品。1872年美国的海厄特（1837-1920）将用硝酸纤维和樟脑制出的改良产品命名为“赛璐珞”，用来制作照相底片、梳子等。20世纪初，比利时血统的美国化学家贝克兰（1855-1944）用苯酚和甲醛缩合，再添加木粉等填料制成酚醛塑料，又称电木。1928年已发明氯乙烯塑料，1935年美国、德国先后投入工业生产。1932年发明增塑剂后，英国卜内门公司于1937年使用磷酸脂增塑剂生产出聚氯乙烯，在工业中和日用生活中用途十分广泛。
　　1927年，德国和美国先后掌握了聚甲苯丙烯酸甲酯—即有机玻璃的制作方法，但由于成本高而不能完全取代玻璃。德国于1930年，美国于1934年分别发现聚苯乙烯。聚苯乙烯具有良好的绝缘性能，故多用于制作电视、雷达等所需的高频绝缘部件。1938年又发现四氟乙烯能够聚合，制成有机氟塑料。由于它具有极强的耐腐蚀、耐高温、不易和其他化学药品发生作用等特性，故被称为“塑料王”，被认为是一种具有广泛用途的高级材料。1935年，英国卜内门公司还研制成功高压聚乙烯，于1939年正式投产，应用范围也日益扩大。
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