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发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标  题: 高分子化合物(2)
发信站: 紫丁香 (Mon Mar 27 03:24:26 2000), 转信

    纤维素和合成纤维
    淀粉是人们熟悉的东西。你知道它的分子式吗？它是一种高分子化合物。纤维素
和淀粉的分子式是一样的，性质可就大不相同了。植物的枝干主要是由纤维素组成的，
它们只能用来烧火，人是吃不下去的。这是什么原因呢？我们知道，淀粉和纤维素的
分子都是由许多萄葡糖单位联接而成的，但联接方式都不同。葡萄糖分子可以正着看
(以u表示)，也可以倒着看(以n表示)，淀粉分子可以由葡萄糖分子按“……uuuuuu…
”的图式缩合而成，而纤维分子则按“…ununun…”的方式缩合而成。这种结构上的
差异决定了两者性质上的巨大差异。人类的消化液中含有能使淀粉的“uu”键分解的
消化酶，因此能够从淀粉中获得葡萄糖；但同样的酶对纤维素的“un”键却无能为力。
实际上没有一种高等生物能够消化纤维素，倒是有些微生物，如寄生在反刍动物和白
蚁肠道中的微生物却能做到这一点。也多亏了这些不起眼的助手，使让我们受益非浅
的牛能吃草而生存，使让我们狼狈不堪的白蚁能靠啃木头而活命。纤维素虽不能吃，
用途却很大。棉麻纤维素可以用来织布做衣。但它的光泽没有蚕丝织品好。这是因为
蚕丝是蛋白质，棉麻是纤维素。影响色泽的主要因素还在其结构形状。蚕丝的形状是
圆筒状的，而绵纤维则呈扁平卷曲状。因此用一定的工业方法处理棉纱，就可使它有
了丝的光泽。这种方法一般称为丝光处理。经丝光处理过后的棉纱就称为丝光棉。但
是这种布料下水洗上几次就变了，光泽也就失去了。
    人们在偶然之中发现纤维素也可以做炸药。1839年，德国出生的瑞士化学家舍恩
拜因在他家的厨房里做实验(他夫人严禁如此，一定是他趁其不在而偷偷地进行的)，
洒了一瓶硫酸和硝酸的混合物。他立刻抓起夫人的棉布围裙去擦，然后把围裙放在火
炉上方烘烤。结果，“轰”地一声，围裙着了起来，片刻之间消失得无影无踪。舍恩
拜因意识到发明了一种新的炸药。他给这种炸药取名为“火药棉”。由于火药棉威力
巨大，而且爆炸时没有烟，这比以前的有烟火药好得多。于是舍恩拜因开始在各国游
说他的火药棉秘方，而战火连绵的欧洲对此也十分感兴趣。结果一批批的工厂建起来，
但不久，这些工厂就全被炸光了。火药棉太容易爆炸了，稍微受热或碰撞都能引起灾
难性的后果。直到1889年，杜瓦和阿贝尔把火药棉和硝酸甘油混合，再掺入凡士林并
压成线绳状，才是无烟火药的真正问世。在火药棉中，将一个硝酸根与葡萄糖中的一
个氢氧根(羟根)连接，这是改造纤维素的一种方法。在这种方法中，所有可被取代的
羟基全被硝化了。如果只将其部分羟基硝化会如何呢?是不是就不太容易爆炸了呢?试
验结果表明它根本就不会爆炸，却很容易燃烧。这种物质被称为焦木素。焦木素溶于
乙醇和乙醚的混合物，蒸发后得到一种坚韧的透明薄膜，称为胶棉。胶棉也很容易燃
烧，但无爆炸性。
    在焦木素溶于乙醇和乙醚的混合物中，帕克斯加入一种樟脑一类的物质，然后蒸
发，得到坚硬固状物。其加热后会变得柔软而富有韧性，可以模塑成各种需要的形状，
冷却和变硬之后仍保持这种形状，乒乓球和画图用的三角板等都是这样制得的。
    可见，纤维素既可以制成棉纱等纤维，也可以做成塑料状的东西，如三角板等。
因此，某种物类能否被称为纤维，并不决定于它是由什么东西构成的，只是决定于它
的形态。一般地说，人们把细而长的东西称为纤维。一般纤维的直径纵使眼力再好的
人也不可能用尺子测出来。像棉花、羊毛、麻之类的天然纤维的长度约为其直径的 1
千倍到3千倍。只要直径之小难以用肉眼测量，而其长度约为直径的1千倍以上的物质，
就是我们所认为的纤维。实际上，对蚕丝和化学纤维而言，长度和直径的比值可能延
绵到无穷大。
    人类很早就开始养蚕取丝了。这项了不起的成就归属于中华民族。有资料证明五
千年前中国人就开始养蚕。蚕是蛾的幼虫，只靠桑叶为食，其饲养过程精细而复杂。
养蚕对于西方一直是神秘的，直到公元 550年，有人偷偷地将蚕种带到君士坦丁堡，
欧洲才开始生产蚕丝。蚕丝织成的布虽然华丽，但价格昂贵，人们一直试图图寻找合
适的替代品。1889年，席尔顿用硝酸纤维素制得了第一种人造丝。这种丝同蚕丝相比，
虽然光泽相似，但却不如蚕丝纤细、柔韧。蚕丝的主要成份是蛋白质，蛋白质也是一
种高分子化合物。
    人们不仅利用天然高分子制作对人们有用的新的高分子，而且一直试图运用随处
可取的无机材料合成高分子。早在本世纪30年代，美国杜邦化学公司的卡罗瑟斯就开
始了这一研究。他希望通过一定的方法，使含氨基和羧基的分子缩合成大环结构分子，
以便广泛运用于香料制造业。但事与愿违，最后缩合而成的是一种长链分子。然而，
明智的卡罗瑟斯并未忽略这一结果。相反，对此进行了深入研究，终于制成了纤维。
最初的纤维质量很不好，强度太差。卡罗瑟斯认为这是由缩合过程中生成的水所引起
的。水的存在产生了一个相反作用——水解反应，使聚合不能持续很久。如果缩合在
低压下进行，反应生成的水很快就被蒸发，然后被清除掉。1938年，尼龙研制成功，
但它的的奠基人却没有看到这一天。卡罗瑟斯于1937年卒于费城。
    尼龙的强度很高，直径 1毫米的细丝就可以吊起一百公斤的东西。尼龙耐污、耐
腐蚀的性能也很好。因此，尼龙一问世就受到了全世界的瞩目。二战期间美国陆军收
购了全部尼龙产品，用以制造降落伞和百余种军事装备。而1940年尼龙长筒女袜刚一
投放市场就轰动了世界，4天之内四百万双袜子一抢而空。
    尼龙是真正投入大规模生产的第一种合成纤维。至此，人类希望用煤、空气和水
来制造纤维高分子的愿望完满地实现了。从那以后，各种新型纤维一个接一个地被创
造出来。如烯类纤维中的维纶和维尼纶，还有永久防皱的的绦纶制品等等。在我国尼
龙也被称为锦纶，因为这是在锦州化工厂首次工业化生产的。
    那么，合成纤维是如何制造的？以尼龙为例，我们可以看到，尼龙的学名是聚酰
胺纤维，由己二酸和己胺缩合而成。一般来说，两个或多个有机化合物分子放出水、
氨、氯化氢等简单分子而生成较大分子的反应，叫做缩合聚合。尼龙是由几个己二胺
和几个己二酸失掉n-1个水分子缩合成聚酰胺纤维，我们称之为尼龙—— 66，其中一
个6表示己二胺分子的6个碳原子，另一个6代表己二酸的6个碳原子。
    纤维为什么会有这样奇特的性质呢？这取决于它的内部结构。虽然目前对纤维内
部结构的研究仍处于猜测阶段，但是可以肯定的是，纤维是由高分子组成的，它的内
部结构极其复杂。
    人们首先提出了缨状微束结构理论。这一理论认为，由于分子间的强大压力，纤
维分子有规则整齐的排列的部分被称为结晶部分(晶区)；分子链间其他弯曲的运动比
较自由的部分称为非晶部分(非晶区)，这部分没有规则排列。从整体上看，晶区湮没
于非晶区的海洋中。然而，1957年人们发现聚乙烯分子可以有完全规则的排列，能够
形成100%的结晶，使这个理论受到严重挑战。因此，人们又相继提出樱状原纤维结构
理论和多相结构理论。
    仅依据第一种理论，我们已可以解释纤维的许多特性。制造纤维的一个重要条件
是在制造过程中，高分子能够取向并形成结晶。如果不能结晶，就可能成为橡胶或普
通塑料之类的东西。在结晶部分中，分子间的相互作用力很大，使得晶块刚硬、难弯
曲且强度高。非结晶部分恰好相反。因此，纤维中结晶部分与非结晶部分的比例（称
为结晶度）愈高，纤维也就越硬，愈难弯曲。合成纤维中的尼龙的强度比天然纤维中
的棉纱高，原因就在于其结晶度较高。合成纤维的结晶度，也极大影响其共吸湿性。
人们知道，羊毛的保暖性很好，其原因在于羊毛纤维卷曲而蓬松，能容纳大量空气。
同时，羊毛纤维易于吸水，它在吸附水分时能产生所谓吸附热。因此，突然从室内走
到寒冷的户外，羊毛纤维在吸附水分的同时放出热量，使人不觉寒冷。而腈纶纤维由
于结晶度高，水分子不易进入结晶内部，因而吸湿性很差，它的导热性也极差，但有
较好的保暖性。
    然而，合成纤维制品也有许多不尽人意之处。例如，尼龙衣服穿在身上不能吸收
皮肤蒸发出来的水分，会使人觉得很不舒服。可见，合成纤维的性能有待于进一步提
高。

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