聚合物原料的历史——塑料树脂

高分子原料的历史——塑料树脂①

在本系列中，我们将探讨塑料行业的历史以及我们如何走到今天。 1850 年代东南亚土著人民使用的古塔胶的发现是异构体决定聚合物性质的一个重要事实，也是现代聚合物中广泛使用的原理的早期例子的一个很好的例子化学。

我不时收到电子邮件，询问我是否听说过与塑料行业相关的某些历史事件。其中一个备受关注的事情是美国发明家约翰·韦斯利·凯厄特 (John Wesley Hyatt) 的故事，他首先创造了一种通常被称为第一种塑料的材料。

这种材料于 1869 年以赛璐珞的名义获得了专利。尤其是Hyatt是最受关注的材质，而且由于1860年代初期象牙稀缺，很担心这对台球价格的影响。

的确，他中了10000美元的奖金。

这个故事很有趣，有几个原因。首先，它强化了塑料行业根深蒂固的观念，即通过化学天才制造的合成材料已经取代和改进了源自天然来源的材料。另一个因素是金钱奖励的大小，今天几乎是 200,000 美元。

通常情况下，赛璐珞发明的实际故事不仅比这复杂得多，而且还高度依赖于之前的成就。这种材料的实际引入之所以成为可能，是因为另一项著名发明对塑料行业的影响远大于材料本身。

制造合成品所涉及的工作在很大程度上是科学的一部分，但它通常与律师纠缠不清，因为这关系到商业世界和金钱。在这个系列中，我想回顾一下塑料行业的历史以及我们是如何走到今天的。

合成材料世界的灵感来自自然界中发现的材料。似乎为这一切提供了起点的材料是天然橡胶，化学上称为聚异戊二烯，它是一种源自特定树木的原材料。天然橡胶分子中两种不同原子排列的化学结构称为异构体，如下图1所示。

16 世纪和 17 世纪前往加勒比海和中美洲（中美洲）的欧洲探险家发现了一种使用这种材料不仅可以制造实心球，还可以用于防水纺织品的文明。由我们今天称为弹性体或弹性体的材料制成的刚性球的存在让北欧人感到震惊，他们只看到通过向皮革口袋吹气制成的球。制造所有这些产品的是顺式异构体。反式异构体将在后面讨论。

合成材料世界的灵感来自自然界中发现的材料，即塑料树脂。

一位法国探险家在 1730 年代前往秘鲁发现了一种类似的物质，但到 1751 年，关于这种新物质的第一批科学论文发表了。然而，即使在这一点上，这种材料的化学性质也不是很清楚。特别是温度对原材料性能的影响一直是欧洲商业应用的障碍。

与在某些高温下温度波动相对较小的中美洲气候不同，欧洲的冬季和夏季温度变化非常大。在冬天的低温下，材料变得又硬又脆，而在夏天的高温下，它变得非常柔软和粘稠。使用这种材料的最有创意的产品出现在 18 世纪后期，是一种可以去除纸上铅笔痕迹的橡皮擦。正是因为这个特性，橡皮才被称为橡皮。

1820年，两个完全不同领域的商人也偶然发现聚异戊二烯溶解在石脑油和松节油中。溶解橡胶可加工成棉布制成防水服装。只要天气不太热，这种方法就很有效。然而，随着温度的升高，涂层织物变得发粘和变形。

从 1830 年代到 40 年代，由于温度而限制聚异戊二烯的使用仍然是一个问题。在此期间，查尔斯·古德伊尔（Charles Goodyear）和早期的发明者一样，通过随机进行一个半实验，偶然发现了两种技术来解决高温性能问题。

三年后，人们发现了一种以改善材料低温性能而广为人知的硫化工艺。固特异不了解交联过程的化学性质，这极大地提高了这种材料的性能。

甚至“硫化”一词也是由一位英国竞争对手创造的，他想出了固特异的方法，在固特异在美国申请专利的同时在英国申请专利。一种通过在橡胶中加入增塑剂和填料（填料）来改变原材料性能的技术，还需要等待几十年。

然而，聚合物工业的基础已经建立。有趣的是，数百年前，美洲原住民发现了如何通过吸食生乳胶来稳定橡胶的特性。这是一种提供材料交联所需的硝酸盐和硫化合物的方法，以实现几乎相同的效果，尽管控制可能不太复杂。

在这个化学塑料树脂时代取得的进步很大程度上是由于反复试验的偶然发现。

1850年代，正当固特异与其在英格兰的对手之间的官司愈演愈烈之际，一位在东南亚的英国外科医生看到该地区的土著人从该地区的一种本地树种中提取树液。

他们将原料放入热水中软化，然后将它们塑造成各种有用的物品，例如工具手柄和木棍。从化学上讲，这种以获得树液的树的学名命名为古塔胶（gutta-percha）的物质是聚异戊二烯的反式异构体。

这是早期展示异构体决定聚合物性质（现代聚合物化学中广泛使用的原理）这一重要事实的一个很好的例子。顺式异构体是无定形的，对温度变化非常敏感。因此，需要交联以使其成为可用材料。反式异构体是一种能够结晶的物质。因此，尽管它具有与顺式异构体相同的室温玻璃化转变温度，但它在高于室温的温度下具有有用的固体材料的特性。

Gutta Perca 是另一种在土著文明中已知并使用了数百年的材料，但当它进入更多以目标为导向的欧洲人手中时，它很快被用作水下电报线的绝缘材料。在这方面，该材料不仅与顺式异构橡胶有一些相似之处，而且还存在重要差异。

这两种材料的非极性结构使它们成为极好的电绝缘体。然而，就橡胶而言，即使它具有交联形式，由于其独特的无定形结构，它对盐水缺乏耐化学性。 Gutta Perca 不仅具有理想的电气特性，而且还表现出对海水和许多其他化学品的耐受性。结晶度的存在与否决定了耐化学性这一原理在聚合物领域也是众所周知的，即使在塑料行业的早期阶段，它也创造了新的应用。

它还侧重于与新材料的使用相关的另一个非常重要的方面：新化学原料的开发和加工方法的发明。这种材料被用于电线涂层，这是通过一项名为挤出机的非常重要的发明而实现的。

在下一期中，我们将讨论围绕赛璐珞的技术进步以及该过程中加工技术的另一个非常重要的进步。

来源：塑料韩国