塑料的世界(1)溯源——赛璐珞和电木引领材料变革”

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塑料的世界(1)溯源——赛璐珞和电木引领材料变革”

常常因为去外地进行塑化剂方面的汇报,在旅行途中就开始演练ppt,有几次引起了邻座的注意,纷纷开始提问,于是演练搞得比实战还紧张。不过通过几次对陌生人的科普,倒是发现有关塑料的很多问题是很值得关注的,有一些问题在业内或许已经是常识,但在非专业人士眼中却十分困扰。所以这一系列的“塑料”专项科普主要面对的是非

化学专业人士,有一些地方会比较浅显,专业人士勿砸。在这篇专题中,我们会全面地说明塑料的前世今生,也会涉及塑化剂、双酚A

这些近年热门的话题,或许你会发现,塑料的世界竟是如此精彩。

新材料变革

我们先把历史的时钟倒回到原始社会,那个时候的原始人主要使用的材料主要有三种:木器、石器和陶器,在很多考古学中也发现游离的一些金属矿在原始社会中得到了应用,主要是金和银,但由于这两种金属作为材料而言都偏软,所以其实基本没有太多的实用价值,只是在后来充当了一般等价物才有了突飞猛进的应用。

那个时候的人们会重视使用木器和石器并不奇怪,因为可以随地取材,这是猩猩都会使用的基本工具。与此对应的是,陶器更多地被认为是文明的标志,几乎全世界的考古都会极为看重陶器的价值,这有着深刻的材料学意义。

木器和石器代表了人类史上的两大类型材料——有机材料和无机材料,当然这简直就是废话,这个世界除了有机的就是无机的。但历史

的发展很不均衡,在漫长的数千年中,直到19世纪以前,有机材料除了木器以外,就是毛皮、秸秆这些可以从生物中直接获取的材料,没有什么大的变迁。但无机材料却以石器为起点,发展出了陶器、瓷器、金属、玻璃等等人造材料,除了石器之外,全是依靠人类智慧对已知物施加化学变化之后创造出的新材料,即使是游离状态的金、银、汞等,人们也都开发了一些利用化学反应进行的提纯方法,而有机材料则几乎都是随取随用——当然这么说也不完全公平,有机材料中的鞣革技术也是化学作用,但产物革与原料皮的性质接近,用途也一致。所以,陶器出现的意义就在于,它是人类第一个利用化学作用制作的材料,使用的手段当然就是火,实际上火也是大多数无机材料产生化学变化的条件,直到铝时代的来临,火才逐渐被电所取代。

陶器是材料学上的一次伟大变革,因为木器也好,石器也好,加工都需要通过修葺或打磨的方式进行,就地取材,成品取决于基材原本的形状,加工的速度慢,成功率也不高,浪费原料不说,而且材料有时还很难找。如果小时候自己做过弹弓就知道,不是什么树的枝桠都适合利用。可是陶器就不一样了,取一块粘土出来,想怎么捏就怎么捏,想吃饭了捏个碗,想喝酒了捏个杯,烧一会儿就定型了,甚至在有些地区还出土了陶器的“娱乐器具”,证实一万年前的人类就有了生殖使命以外的自渎活动。可以说,原始人的物质文明和精神文明都随着陶器的出现提升了一大档次。

秘鲁陶器中的生殖崇拜,这种现象伴随各民族的新石器时代

塑料的出现引发的革命不亚于陶瓷,因为塑料是真正意义上用化学变化创造出的有机新材料。在塑料之前的有机材料只能利用原料本身的形态,丝、麻、棉、毛、皮、木等等,无不如此。但塑料之后的材料却不仅局限于此,仅仅依靠石油就可以生产出塑料、橡胶抑或纤维、皮革,自然的限制越来越小。所以塑料的历史地位可以比作有机材料界的陶器,尤其是指对人类活动的变革意义。可以负责任地说,塑料时代的到来意味着人类文明的再一次跃进,轻量化、易加工、低成本,这是塑料的一些核心特征。

第一种塑料的出现

属于我们主角的故事开始于19世纪,在那时,化学已经从炼金术时代的雏形中脱胎出来,拉瓦锡已在前一个世纪奠定了现代化学的基础。19世纪的欧洲化学界极为热闹,几乎我们能够叫上名儿的经典化学家都在此时纷纷亮相,而最有新意的几件新材料也在此时得到了应用,

对后世产生极大影响的材料之一便是纤维素。和以往不同的是,这时的应用不再是简单的拿来主义,而是经过了化学改性。

纤维素其实就是木头里的主要成分,但更纯净的纤维素则来自于棉花,其化学本质是葡萄糖的聚合物,自然界中广泛存在。在此之前,纤维素主要以木器、棉布和纸张的形式被古人使用,但纤维素之所以在19世纪被大举使用,还得感谢炸药在本世纪的快速进步。如果高中时代有幸选择了化学,而且又极度幸运地接触了硝化反应实验操作,或许会熟悉硝化棉这一奇葩。把棉花加入到浓硝酸或者发烟硝酸中,滴上几滴浓硫酸作催化剂,神奇的硝化棉便诞生了,经过纯化干燥处理,这种传统的烈性无烟炸药便可以应用了。最好玩的并不是拿火柴去点着硝化棉,而且这也很危险,因此实际大多数教学实验都会“教唆”采用五号电池和导线去点爆,但如果用废打火机的打火器点爆则更有快感(好吧,我邪恶了,非专业人士请勿模仿)。当用量很小时,由于燃烧速度快温度低,硝化棉确实能在不造成破坏的前提下带来很多乐趣。不用多解释,硝化棉中的主要成分就是硝基纤维素,也就是纤维素分子中的羟基形成硝酸酯基的结构。

如果不是材料方面的专家们相中硝基纤维素,这种物质或许会因为炸药之父诺贝尔开发出的硝基甘油而逐渐被人淡忘——19世纪的后半叶,随着化学技术突飞猛进的发展,对于硝基纤维素的研究也得到加深,特别是对于它的溶解与定型工艺,人们想到了更多新的应用方式。经过近二十年的积淀,终于在1872年,美国出现了第一家生产硝

基纤维素的工厂,但不是应用于炸药。最初,工厂的奠基者John

Wesley Hyatt是考虑用硝基纤维素来生产台球,因为经过特殊工艺生产出来的硝基纤维素不仅足够硬而且还很有韧性,其触感和物理特性与台球的传统材料象牙都没有太大的差异——除了一点就着的脾气以外。在140年前,这个发明已足够在材料学的历史上画上浓重的一笔了,所以很快它就有了一个商业化的名字——赛璐珞,而且在很短的时间里就替代了很多原先由木器、金属制作的领域,特别是在新兴的电影胶卷方面,简直是神来之笔。这也就是历史上的第一种塑料,甚至直到如今,我们的国球——乒乓球还是由这个材料制作。所以如果没条件去玩硝化棉,把乒乓球磨碎了也能大致体会一下,不过鉴于不可预知的风险,没有保障措施还是不要冒险。

赛璐珞,也就是硝基纤维素,目前仍被广泛使用

与前面所说的“鞣革”技术不同,这种改性已经拓展了原料的应用领域——皮和革都是用于制衣,但纤维素和硝基纤维素的性质与用途却完全不同,人类第一次利用化学反应合成出了新型有机材料。

这还只是第一步,纤维素本身就是高分子,合成硝化纤维素还只是一次改性反应,故而称不上太大的进步,但“塑料”的大门就此打开,

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