Biology 版 (精华区)

发信人: rainy (DEC), 信区: Biology
标  题: 合成纤维
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年08月24日08:16:56 星期五), 站内信件

                  
    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丝
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（见第十二章）。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，最后用己二酸和己撑二胶制成了
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。己撑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.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。

    将由己二酸和己撑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＝CHCN），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。

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