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合成纤维

在有机合成的故事中，有关合成纤维的章节具有特殊的趣味。

第一批人造纤维（同第一批塑料一样）是以纤维素为原料制成的。化学家们自然是从硝化纤维素开始，因为它有足够的数量可以利用。1884年，法国化学家夏尔多内将硝化纤维素溶解于乙醇和乙醚的混合物中，并迫使所得到的黏稠液体通过一些小孔喷出。在这种液体喷出之后，乙醇和乙醚随之蒸发，于是便剩下胶棉细线似的硝化纤维素。（这实际上就是蜘蛛织网和春蚕吐丝的那种方式：它们从身体上的小孔中喷吐出一种黏液，这种黏液遇空气而变成固态纤维。）这种硝化纤维素纤维太容易着火，不宜使用。不过，通过适当的化学处理能够去掉硝酸根，结果便得到了一种外观像蚕丝一样的带有光泽的纤维素细丝。
　　然而，夏尔多内的方法并不实用。且不说有硝酸根存在的中间阶段非常危险，也不说用作溶剂的乙醇和乙醚的混合物极易着火，单是将硝酸根加上去又去掉这一点，这种方法就十分费钱。1892年，人们发现了一些溶解纤维素的方法。例如，英国化学家克罗斯将纤维素溶解于二硫化碳，并将所得到的黏稠液体（叫做黏胶）做成细丝。麻烦的是，二硫化碳易燃、有毒且气味难闻。1903年，一种有竞争力的方法投入使用。这种方法以醋酸作为溶剂的一部分，生产出一种叫做醋酸纤维素的物质。
　　这些人造纤维被称为人造丝。人造丝主要有两个品种，通常分为黏胶人造丝和醋酸人造丝。顺便提一下，如果将黏胶通过一条狭缝挤压出去，就会得到一种柔软、透明和防水的薄膜——玻璃纸。这种方法是法国化学家布兰登伯热于1908年发明的。一些合成的聚合物同样也能够通过一条狭缝挤压成薄膜。例如，乙烯基树脂能制成名为萨纶的覆盖物。
　　直到本世纪30年代，才出现第一批完全合成的纤维。让我先讲一点有关蚕丝的故事。蚕丝是由蚕蛾的幼虫——蚕——所吐的丝。蚕对食物要求极严，而且需要精心照料。蚕丝必须从蚕茧上小心地抽取下来。由于这些缘故，蚕丝十分昂贵，而且不能大量生产。早在两千多年前，中国便开始生产蚕丝，而且中国人对生产蚕丝的方法严加保密，以便在出口中保持有利的垄断地位。然而，秘密终有泄漏之日，尽管采取了种种保密措施，养蚕缫丝的秘密还是流传到了朝鲜、日本和印度。古罗马是通过横贯亚洲的漫长的陆路输入蚕的，由于经纪人一路上步步设卡抽取通行税，所以蚕丝到那里后非常昂贵，除了豪门巨富，一般人是可望而不可及的。550年，蚕子被偷偷地带进君士坦丁堡，从此欧洲便开始了蚕丝生产。尽管如此，蚕丝在不同程度上仍然属于奢侈品。另外，直到目前为止，蚕丝仍然没有好的代用品。人造丝固然具有与蚕丝相似的光泽，但却不及蚕丝纤细、柔韧。
　　蚕丝是一种蛋白质，蛋白质的分子是由一种叫氨基酸的单体构成的，而氨基酸则含有1个氨基和一个羧基。氨基与羧基通过二者之间的1个碳原子相连接；如果以a表示氨基，以c表示羧基，再用短线表示中间的碳原子，我们就可以把氨基酸写作：a－c。这些氨基酸以从头至尾的方式聚合起来，也就是说，前面的1个氨基同后面的1个羧基缩合，这样便成了蚕丝分子：……a—c、a—c、a—c、a—c……
　　本世纪30年代，杜邦公司的化学家卡罗瑟斯对一些含有氨基和羧基的分子进行了研究，希望借此找到一种较好的方法，将它们缩合成具有大环结构的分子。（这类分子对于香料制造业是很重要的。）与他的愿望相反，他发现这些分子缩合成了长链分子。
　　卡罗瑟斯早已预料到可能会出现长链分子，因此没有错过这一机会。他立即对此作了进一步的研究，最后用己二酸和己二胺制成了纤维。己二酸分子含有两个羧基，中间被4个碳原子隔开，因此可以用c—c表示。己二胺由两个氨基构成，中间被6个碳原子隔开，因此可写为；a—a。当卡罗瑟斯将这两种物质混在一起时，它们就缩合成具有下列结构的聚合物：……a—a.c—c.a—a. c—c.a—a……可以看出，用点标出的缩合部位具有与蚕丝相同的构型“c．a”。
　　最初生产的纤维并不是很好，主要是强度太差。卡罗瑟斯断定，问题就出在缩合过程中所生成的水上。水的存在产生了一个相反的作用——水解反应，它使聚合反应不能持续很久。卡罗瑟斯找到了一种补救办法，即让聚合反应在低压下进行，这样水就会蒸发并很容易被清除掉（在邻近反应液体上方斜放一块冷却的玻璃板，水蒸气就会凝结在上面并自行流走，这种装置叫做分子蒸馏器）。这样，聚合反应就能不断地进行下去，并形成很长的直链。1935年，卡罗瑟斯终于为合成理想的纤维奠定了基础。
　　将由己二酸和己二胺缩合而成的聚合物熔化，再通过许多小孔挤压出来，然后再经过拉伸，使纤维平行地排列起来，并成为晶束似的纤维束。这样就得到了一种与蚕丝相似的带有光泽的细丝，它可以织成像丝绸一样轻柔美观、甚至比丝绸还要结实的织品。用这种方法生产的第一批完全合成的纤维叫做尼龙。然而，卡罗瑟斯未能看到他的发现所结出的硕果，他于1937年就去世了。
　　杜邦公司于1938年宣布合成纤维问世，并于1939年开始进行商业性生产。在第二次世界大战期间，美国陆军部队收购了全部尼龙产品，用以制造降落伞和百余种其他军需品。战后，尼龙在制袜业上完全取代了蚕丝，因此，妇女的长袜现在叫做尼龙袜。
　　尼龙的合成为许多其他合成纤维的生产开辟了道路。丙烯腈，或称为乙烯基氰化物(CH₂＝CCN)，也可以聚合成与聚乙烯类似的长链，所不同的是，与每个单元中第二个碳原子相连的是氰基（在这里它是完全无毒的）。这种产品叫做奥纶。1950年投入使用。如果再添加上氯乙烯，则最终的长链既含有氯原子，又含有氰基，这就是氯丙纶（达耐尔）。如果通过使用醋酸乙烯（CH₂＝CHOOCCH₃）来添加醋酸根，则产品就是醋丙纶（阿克利纶）。
　　英国于1941年制造出了聚酯纤维。这种纤维是由一个单体的羟基同另一个单体的羟基缩合而成的长链。这种产物就是通常的那种由碳原子构成的长链，只是每隔一定的距离插入1个氧原子。这种产品在英国叫做涤纶，在美国则叫做大可纶。
　　这些新型合成纤维的防水性能比大多数天然纤维好，而且不怕潮湿，不易沾污，不遭虫蛀。某些合成纤维不会起皱，可用来纺织成“耐洗耐磨”的织品。

合成橡胶
　　如果有人告诉你，人类使用橡胶轮子的历史不过一百来年，你会感到非常吃惊。在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。在古德伊尔发明了实用的硫化橡胶之后，许多人都曾想到，应该用橡胶代替金属来包裹车轮。1845年，英国工程师R．W．汤姆森出了个好主意，他在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专利。到了1890年，轮胎被正式用在自行车上；到了1895年，被用在各种老式汽车上。
　　令人惊奇的是，尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比木头或金属更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。
　　随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也变成了天文数字。在最近的半个世纪内，全世界的橡胶产量增长了42倍。只要我告诉你这样一个事实，你就可想象今天用于制造轮胎的橡胶的数量：仅在美国，每年在公路上磨损掉的橡胶就不下20万吨，尽管每辆汽车磨损掉的橡胶的数量是相当少的。
　　橡胶需求量的不断增加，给许多国家的战略物资的储备带来了一定程度的危机。随着战争的机械化，军队和军需物资都开始用装有橡胶轮胎的车辆来运输。然而，那些最有可能参加“文明”战争的“文明”国家，却又都远离惟一能够大量供应橡胶的马来半岛（马来半岛并不是橡胶的原产地，这里的橡胶树是从巴西移植来的，但却生长得非常好，而原产地巴西的橡胶产量却逐年下降）。美国的橡胶供应在它开始参加第二次世界大战的初期便被切断，那时日本已经侵占了马来西亚。但美国在这方面早有戒备，因此，甚至在日本偷袭珍珠港之前，战时实行的第一种定量配给物资就是橡胶轮胎。
　　甚至在机械化刚刚起步的第一次世界大战中，德国就曾因为协约国的海军切断了橡胶供应而运转不灵。
　　那时已经有理由考虑制造合成橡胶的可能性。这类合成橡胶的天然原料自然是天然橡胶的结构单元——异戊二烯。早在1880年，化学家们就发现，异戊二烯放置过久就会变软发动，经酸化处理后则会变成类似橡胶的物质。德皇威廉二世曾让人用这种物质制成皇家汽车的轮胎，借以炫耀德国化学方面的高超技艺。
　　然而，用异戊二烯作为合成橡胶的原料，有两个困难：第一，异戊二烯的主要来源正是橡胶本身；第二，异戊二烯在聚合时往往是毫无规律地排列起来。在橡胶长链中，所有的异戊二烯单元都朝向同一方向：…… uuuuuuuuuuu……而在固塔坡胶长链中，它们则是严格地按照一正一反的方向排列的：……ununununun……然而，如果在实验室中以通常的条件使异戊二烯聚合，则u和n就会毫无规律地混合在一起，形成一种既不是橡胶也不是固塔坡胶的物质。由于这种物质缺少橡胶的弹性和柔性，所以不能用来制造汽车轮胎（仅用于国事活动的皇家汽车当然是个例外）。
　　后来，一些与1953年齐格勒在制取聚乙烯时使用过的催化剂类似的催化剂，终于使人们有可能将异戊二烯聚合成与天然橡胶几乎完全相同的产品。不过当时已经研制出许多种具有实用价值的、化学性质与天然橡胶极不相同的合成橡胶。
　　人们自然是首先用一些既与异戊二烯相似而又容易获得的化合物来制造聚合物。例如，在第一次世界大战期间，迫于橡胶匾乏，德国人采用了二甲基丁二烯：
　　二甲基丁二烯与异戊二烯的不同之处在于，前者的4碳链的中间两个碳原子各连接1个甲基（CH₃）。而后者只有1个碳原子与甲基相连。由二甲基丁二烯聚合而成的化合物称为甲基橡胶，这种橡胶可以大量生产，而且价格低廉。在第一次世界大战期间，德国大约生产了 2 500吨甲基橡胶。尽管这种橡胶的耐压性能不理想，但它毕竟是第一种具有实用价值的合成橡胶。
　　大约在1930年，德国和苏联都采取了新的方针，利用根本不带甲基的丁二烯作为单体：　CH₂=CH—CH=CH₂　　这两个国家以金属钠作为催化剂，合成了一种叫做丁钠橡胶的聚合物。
　　作为一种合成橡胶，丁钠橡胶对于应付橡胶匾乏而言还算是令人满意的。添加其他单体（它们在长链中与丁二烯相间地排列起来）可以改善了钠橡胶的性能。最成功的添加物是苯乙烯，这是一种与乙烯相似的化合物，但其中的1个碳原子连接着1个苯环。这种产品叫做丁苯橡胶，性质与天然橡胶极其相似。事实上，在第二次世界大战期间，德国军队就是因为有丁苯橡胶，橡胶供应才没有出现严重短缺现象。苏联也曾用同样的方法向自己的军队提供橡胶。丁苯橡胶的原料可由煤或石油获得。
　　美国以商业规模来开发合成橡胶开始得较晚，因为在1941年之前，它从未感受到橡胶短缺的威协。但是，在珍珠港事件之后，美国便开始全力以赴地发展合成橡胶事业。它首先生产的是丁钠橡胶和氯丁橡胶。后者是由氯丁二烯聚合而成的
　　可以看出，这个分子很像异戊二烯，所不同的只是氯原子代替了甲基。
　　连接在聚合物长链上的氯原子使氯丁橡胶具有天然橡胶所不具备的一些抗腐蚀性能。例如，它对于汽油之类的有机溶剂具有较高的抗腐蚀性能，远不像天然橡胶那样容易软化和膨胀。因此，像导油软管这样的用场，氯丁橡胶实际上比天然橡胶更为适宜。氯丁橡胶首次清楚地表明，正如在许多其他领域一样，在合成橡胶领域，试管中的产物并不一定只能充当天然物质的代用品，它的性能能够比天然物质更好。
　　现在，人们已在生产多种化学结构与天然橡胶迥然不同但弹性与之相似的无定形聚合物，它们具有人们所需要的一系列优良性能。由于这类聚合物实际上并不是橡胶，所以它们被称之为弹料（弹性聚合物）。
　　第一种不像橡胶的弹料在1918年制成，这就是聚硫橡胶。它的分子是由碳原子对和四硫原子团相间排列而构成的长链。由于在制备聚硫橡胶时会产生难闻的气味，所以它曾长期被搁置一旁，但是，后来它还是被投入了商业性生产。
　　弹料还可以由丙烯单体、氟化碳和硅酮来合成。在这个领域，正如人们所接触的几乎所有领域一样，有机化学家们犹如艺术大师，利用已有的材料创造出各种新型物质，并创造出比天然物质更好的物质。