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橡胶:生橡胶的发现与合成橡胶大突破

时间:2023-08-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:哥伦布大为惊讶,仔细地向印第安人打听,才知道世界上有一种弹性非常好的物质——橡胶。用树汁晒干而成的橡胶,叫生橡胶。古德意认为这一次试验又失败了,便将那些表面已烧焦的橡胶统统倒进了垃圾箱。合成橡胶的年产量已从无到有,年产量现在已达到600多万吨,远远超过了天然橡胶的产量。

橡胶:生橡胶的发现与合成橡胶大突破

世界上荣获“弹性之王”称号的物质是什么?是橡胶

橡胶可以拉伸到原来长度七到八倍,外力一消失,它又迅速地恢复到原来的状态。橡胶不但具有优异的弹性,还具有绝缘性、不透气性、耐腐蚀性、抗磨损性等宝贵性能,因而它成了现代化建设不可缺少的材料。

最早认识橡胶的是美洲最古老的居民——印第安人。1493年,航海家哥伦布第二次航行到美洲的海地岛。他看到岛上印第安人的儿童,一面哼着歌曲,一面合着节奏欢乐地把一个黑色的球扔来扔去,这球落到地面后,竟然会弹跳到几乎与原来一样的高度。哥伦布大为惊讶,仔细地向印第安人打听,才知道世界上有一种弹性非常好的物质——橡胶。

橡胶是从含有橡胶的树皮里流出来的白色树汁。印第安人把它叫做“卡乌巧乌”——意思是“树的泪水”。用树汁晒干而成的橡胶,叫生橡胶。它生性怕热,稍一受热,就变得像湿面团似的,又软又粘。天气一冷,它又变得像玻璃一样,又硬又脆,这就使得这种生橡胶没有什么实用价值。这些问题一直到1844年美国人古德意发明了橡胶硫化技术后才得到彻底解决。

古德意是美国发明家。1834年古德意对橡胶发生了兴趣。他不辞千辛万苦,开始了大量的、艰苦的探索性试验。古德意从焦炭炼钢的技术中受到启发。他想:如果在生胶里加入少量的其他物质,是否也可以改变橡胶的性能呢?他在生胶中加入过多种其他物质,却屡遭失败,以致弄得贫困不堪,但他没有灰心。

1839年的一天,古德意把一块硫磺加到热的橡胶中,不料立即发生了剧烈的反应,同时放出大量的有刺激性的气体,他不得不停止试验。古德意认为这一次试验又失败了,便将那些表面已烧焦的橡胶统统倒进了垃圾箱。回到实验室后,他偶然在实验炉边发现一小块已烧焦的橡胶,便随手捡起来捏了捏,发现这块受热的橡胶并不发粘,冷却后也不失其柔性。他想,难道硫磺可以改变生胶的特性?他意识到自己刚才的疏忽。于是,他赶紧跑出实验室,从垃圾箱里把那些烧焦橡胶一块块捡回来,继续研究。后来,他反复地研究了橡胶与硫磺化合的最佳配方,加热温度、反应时间、催化剂及其他因素。功夫不负有心人,古德意终于发明了橡胶硫化技术。1844年,他获得了硫化橡胶专利

古德意一生醉心于橡胶的研究,有人开玩笑说:“你要是在路上碰到一个人从帽子、背心、裤子到鞋子都是用橡胶做的,并带着一个空无一物的橡胶钱包,那人准是古德意。”

为什么生橡胶进行硫化处理以后,它的性能会有那么大的改善呢?

原来,在生橡胶中有许多分子量很大的橡胶分子,它们的分子量为几十万到几百万。橡胶分子里的原子一个连着一个,好像一条长长的碳原子链条,长度是直径的五万倍。可以这样设想:一根长度为直径五万倍的线,放在那里,必然会卷曲而且纠缠在一起。当受到外力作用时,它就会伸长;外力去掉以后,又恢复原状,这也就是橡胶富有弹性的原因。

但是,生橡胶的“线型结构”有很大的缺点。一受热,橡胶分子的运动加剧,各自散开活动,橡胶就发粘变软;一遇冷,分子运动呆滞,互相挤成一团,橡胶就发硬发脆。当在生橡胶中渗入硫磺粉并加热后,硫在橡胶分子之间搭起了“硫桥”。这种使橡胶线型分子交联成网状结构的过程叫硫化。

通过“硫化”处理,使原来像一团乱麻似的结构,变得具有一定的形状,强度大大提高了。受热遇冷,不粘不硬,更加富有弹性。从此,默默无闻的橡胶走入了现代文明的世界。

在日常生活中,你到处可以看到用橡胶制成的物品:汽车与飞机的轮胎、机器传动带、雨鞋、潜水衣、电线绝缘外套等等,真是数不胜数。橡胶用途广,用量也很大。造一辆卡车需生胶250公斤,造一架喷气式战斗机需生胶600公斤,造一艘轮船需要生胶几十吨……

人们为了获得橡胶,大力开辟橡胶园,然而一亩地只可种25~33株橡胶树,种植六年后开始产胶,可连续产胶二十五年。每年每亩可获生胶约50公斤。可是这些胶还不够制造一辆卡车用。橡胶树还不能四海为家,只生长在热带。人们经过上百年的努力,使全世界天然橡胶的年产量上升到三百万吨,还是满足不了实际需要。

在20世纪初,人们开始探索天然橡胶的秘密。化学家将橡胶放在烧瓶里,进行“分解”发现橡胶是由许许多多的异戊二烯“手拉手”互相结合而成的。它是一种线型的高分子化合物,链间没有交联,具有弹性,分子量在8万到30万之间。

接着科学家就开始了制造合成橡胶的工作。(www.xing528.com)

1926年,前苏联化学家列别捷夫发明了用酒精廉价制造丁二烯的方法,并用丁二烯合成了丁钠橡胶。

至此,合成橡胶工业出现了前所未有的发展势头,各国都建立了合成橡胶工业,陆续发明了几十种合成橡胶。

丁苯橡胶

丁苯橡胶在高温下可抗老化、耐腐蚀、耐水性,气密性也较好。但弹性、抗拉裂性和粘着性不如天然橡胶。一般地它与天然橡胶掺合使用,主要用于制造汽车轮胎、电绝缘材料等。

氯丁橡胶:

氯丁橡胶具有优良的耐油性,石油工业中大量使用氯丁橡胶制品制胶管、垫圈等,还具有耐化学腐蚀性,所以,化工厂常用它来作各种管道。

合成橡胶的原料可以从石油得到源源不断的供应,从此更是突飞猛进。合成橡胶的年产量已从无到有,年产量现在已达到600多万吨,远远超过了天然橡胶的产量。

合成橡胶生产发展快,性能各有千秋,可胜任某些天然橡胶所不能担当的工作。这真是青出于蓝胜于蓝。

战争的产物——合成橡胶:

现在的橡胶,大部分已不再是从橡胶树流出来的胶液制成的,而是用石油或天然气做原料用人工制造出来的,因为天然橡胶已远远不能满足人们的需要。现在全世界生产的橡胶中,天然橡胶只占1/3,人工合成橡胶占2/3。

人造橡胶发展这么快是由于战争的原因。第一次世界大战期间,生产大量汽车轮胎、火炮轮胎、飞机轮胎、坦克轮胎。又查到1860年时有一位叫威廉斯的科学家曾经从天然橡胶的热裂解产物中分离出异戊二烯,它在空气中会氧化成白色的有弹性的东西。他们还查到,1879年时,法国化学家布查德也研究过天然橡胶分子。协约国为了打败同盟国,对德国进行封锁,切断了海上运输线,德国人得不到天然橡胶,急得像热锅上的蚂蚁。因为打坏的轮胎使飞机无法起飞,火炮拉不动,汽车跑不了。德国人为了摆脱困境,决心制造人造橡胶。但这并不那么容易,因为从树上流出来的这种特殊东西不是想造就能造出来的。

但德国有一批很有才华的科学家,也非常会利用前人的科研成果。他们经过不断探索,硬是用煤做原料把橡胶造出来了。虽然性能比天然橡胶差得多,但也能应急对付一阵。这些德国科学家是怎样造出人工橡胶的呢?原来早在这之前约一个世纪,即1826年,英国著名科学家法拉第不仅对电磁有兴趣,对橡胶这东西也发生了兴趣,并弄清了天然橡胶中有由5个碳原子和8个氢原子组成的原子团,它的化学名称是异戊二烯,分子式是C5H8。而且弄清了橡胶分子并不是仅由一个这样的原子团组成的,其分子结构比这要复杂得多。

这样德国人就知道天然橡胶的基本成分了。他们又查到,1860年时有一位叫威廉斯的科学家曾经从天然橡胶的热裂解产物中分离出异戊二烯,它在空气中会氧化成白色的有弹性的东西。他们还查到,1879年时,法国化学家布查德也研究过天然橡胶分子,并搞清了它是由成百上千个C5H8原子团聚合成的,也就是这种原子团一个接一个地串成“链条状”的大分子。布查德还提出过,可能正是这些长链分子相互连接在一起,才使橡胶有了弹性。因此,他曾想如果把这些原子团连成一长串变成长链大分子,就可能制造出有弹性的人造橡胶来。但布查德还没有来得及合成人工橡胶就去世了。1884年,英国科学家契尔顿在布查德设想的基础上进一步试验,用从树脂中提取出的异戊二烯成功地合成长链分子,生产出了和天然橡胶一样的人工橡胶。

1909年,德国化学家霍夫曼想按契尔顿的方法成批生产人工橡胶,但结果不理想。不久即爆发了第一次世界大战,战争中要消耗大量橡胶,国外又进行封锁,德国人走投无路,于是组织一大批科学家再次研究人造橡胶,并最终用煤做原料,成功地研究出人造橡胶的生产方法。在第一次世界大战结束前,一共生产了2350吨人造橡胶供战争急需。当然,这些人造橡胶不可能挽救德国失败的命运,但从此却开创了制造人工橡胶的先河。

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