Science 版 (精华区)

发信人: emacs (In the Name of Love), 信区: Science
标  题: 分子·合成橡胶
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年08月03日13:03:37 星期六), 站内信件



　　　　　　          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
出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：

                      CH2=C—CH＝CH2
                                                     |
                                                    Cl

    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。



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