【材料史話】酚醛塑料——合成材料應用的發端

2020-12-07 福建天利酚醛防火保溫

如果說,鋼鐵材料促進了人類從思想因循保守的農業時代向更高層次的工業時代邁進,那麼鞏固並使工業時代向前發展的動力則是複合材料的產生及應用。從三大合成材料——塑料、合成橡膠、合成纖維的出現到由這3種材料衍生出的成百上千種合成材料,為人類生產力和生產關係呈現的多樣化起到了重要的作用,由此萌發的不同產業使得人們對「工業」一詞的理解不再泛泛,「工業」更加細化,工人開始專業化。

現在,人類已經掌握的合成材料種類已達萬餘種,合成材料的發展已成為化學工業中進步最快和成果最顯著的部門之一,已經超過了水泥、鋼鐵等傳統的基礎材料。酚醛塑料,是最早被人工製成的合成材料,因此它也成了合成材料使用的開端。

酚醛塑料(又稱「電木」)

塑料的出現很「任性」

在人們的生活中,幾乎每時每刻乃至所到之處都會出現塑料製品的身影:購物袋、服裝拉鏈、一次性餐盒、電子產品外殼、飲料瓶、兒童玩具、自來水筆的筆管、汽車安全槓等等,肉眼可見的地方肯定會有塑料及其衍生品很「任性」地出現。

塑料的出現,是一部傳奇的故事,是一部創新的傳奇故事。這要追溯到20個世紀的1850s,當時,蒸汽機的使用已經為英國工業的變革邁出了第一步,最先進行技術革命應用蒸汽機的行業是紡織業,顯示出了蓬勃的發展勢頭。為了滿足這種發展的需要,漂白劑和染色劑的更新換代周期不斷被縮短,因此這也成為那些化學家們最頭疼的問題。而當時製作染色劑的原料多數為煤焦油,這是煤或沼氣經過燃燒在煙囪內壁上凝結的凝乳狀物質。

當時,有很多研究化學染色劑的技術人員對此開展了研究。倫敦皇家化學研究所實驗室助理威廉·亨利·珀金也是開展此項實驗的人員之一。一個百無聊賴的午後,珀金來到實驗室,發現實驗室的桌子和板凳上有很多在實驗過程中噴濺上的化學試劑,當他用抹布去擦抹板凳上的化學試劑時發現,抹布被染成了很少見的淡紫色。

威廉·亨利·珀金

英國有機化學家。1838年 3月12日生於倫敦,1907年 7月14日卒於薩德伯裡。1853年在皇家化學學院就學於德國有機化學家 A.W.von霍夫曼。珀金先後獲得皇家化學學院、霍普金斯大學、牛津大學等許多大學的學位。1855-1857年,做霍夫曼的實驗助手,同時在家裡建立了自己的實驗室。1866年珀金當選為英國皇家學會會員。1883年任英國化學會會長。  

儘管珀金髮現的並不是塑料,但是這次偶然發現具有重要意義,因為它表明可以通過控制天然有機材料的辦法得到人造化合物。人們已經意識到,現有的天然材料要麼太稀少,要麼能製造出來的材料其成本太昂貴不宜大規模生產。因此,合成材料是理想的代用品,它既可以在熱力和壓力下改變形狀,也能在冷卻後保持形狀。

繼珀金之後,另一位英國人在一次偶然的機會製造出了一種物質,這種物質就是人類歷史上第一次經人工製作的塑料,而這個人就是亞歷山大·帕克斯。帕克斯是一個十足的多面手,他有很多種愛好,而最讓他著迷的就是攝影,不過當時的攝影師可不是任何人都能幹的行當。因當時感光材料剛剛於19世紀初被使用,第一張照片被衝印出來也不過在1826年,所以當時能充當攝影師的人多數也是化學專家,攝影師要掌握製作照相膠片、顯影劑和衝印技術,必須自己製作需要的東西。製作膠片的原料有很多種方法,但經過篩選,帕克斯最終將製作方案選定在了一種被稱作「膠棉」的硝酸鹽纖維素溶液,用這種溶液與樟腦混合(另外一種說法是氯仿與蓖麻油)的方法上,通過混合,產生了一種可彎曲的堅硬材料。因當時誰也沒有見過這種材料,無法知道這種材料到底叫什麼名字,帕克斯就為這種材料取名為:帕克辛。這就是最早的塑料。

亞歷山大·帕克斯

由帕克斯製造的「帕克辛」參展了1862年的倫敦世博會,帕克斯因此獲得了銅獎。但帕克斯發明的這種來源於天然植物材料得到得塑料,因為不能夠實現工業化生產,造價昂貴,不能普及。

之後,帕克斯用「帕克辛」製作出了很多物品,如鈕扣和珠寶飾品等。但是,帕克斯的父母並未賦予他天生的商業頭腦,「帕克辛」並未在商業上被發揚光大。然而,「帕克辛」一經問世,迅速有很多人對其大加研究,很快就有人看到了這種物質的商業價值。

當時撞球這項集遊戲與運動於一體的活動風靡工業社會,但那時候的撞球可不像現在的材質是塑料或合成樹脂,那時候用於製作撞球的材料是——象牙,沒錯,就是象牙!象牙的短缺致使許多撞球生產商看著大把的錢不能進入到自己的腰包而發愁。這時,約翰·韋斯利·海亞特這個來自美國紐約的印刷工在1868年看到了機會,海亞特的出現給了這些撞球製造商們一縷曙光。海亞特受到帕克斯「帕克辛」的啟發,他將焦木素、少量的樟腦和酒精混合在一起,製造一種酷似象牙的物質,這種物質遇熱即軟、遇冷即硬,他以此來製造了撞球,很快取得了成功。海亞特給這個撞球材料起了一個新名稱—「賽璐珞」(譯註:假象牙)。海亞特從撞球製造商那裡不僅得到了1萬美金的巨額獎金,還得到了一個現成的市場,並且不久後就用塑料製作出各種各樣的產品。就這樣,塑料很「任性」地出現在了人們的生活之中。

約翰·韋斯利·海亞特

美國化學家,賽璐珞發明者。1837年11月28日生於紐約斯塔基。1920年5月10日卒於新澤西。1869年,他完成了賽璐珞的製造技術,並設計製造了生產賽璐珞的專用設備,1870年獲得了專利。1872年與其兄弟一起設廠生產賽璐珞出售,開創人類製造高分子材料的新紀元後又將賽璐珞作成透明片材以代替重而易碎的玻璃片用作照相片基。由於發明賽璐珞,在1914年獲得了珀金斯獎章。

塑料之父貝克蘭

海亞特製造的「賽璐珞」只是現代塑料的原始形態,這種塑料易著火,在一定程度上限制了其應用的範圍。耐高溫塑料的但是使塑料真正成為廣為應用的材料,此後所有塑料種類的拓展都是以此為基礎進行的,發明這種高溫塑料(酚醛塑料)的人就是美籍比利時人列奧·亨德裡克·貝克蘭,他於1907年註冊了酚醛塑料的專利。

列奧·亨德裡克·貝克蘭

貝克蘭出身低微,父親是一名鞋匠,母親在一個貴族家中當女僕。1863年,貝克蘭出身於比利時西北部的港口城市——根特,底層的出身並沒有阻擋貝克蘭求學上進的道路,他在21歲時(1884年)獲得了根特大學的博士學位,24歲時就成為比利時布魯日高等師範學院的物理和化學教授。之後的1889年,貝克蘭帶著家人來到美國,開始從事化學研究。

在美國,貝克蘭為一家攝影器材供應商工作,這期間他發明了一種在燈光下而不是必須在陽光下才能顯影的照相紙(Velox照相紙)。利用這個技術,貝克蘭在1893年辭職並創辦了Nepera化學公司。

貝克蘭在實驗過程中

Velox照相紙在攝影行業是當時最為先進的技術,一度讓當時著名的攝影器材商——伊士曼·柯達的業績直線下降。經過多次談判,柯達用75萬美元(相當於現在1 500萬美元)的高昂價格從貝克蘭那裡購得Velox照相紙的專利權。但是,柯達很快發現Velox照相紙專利技術的缺陷,原來是貝克蘭在專利中省略了一些必須的步驟。貝克蘭告訴柯達:你買的是專利,但不是全部智慧財產權。沒辦法,於是柯達又向貝克蘭支付了10萬美元,買下了專利裡面省略的技術步驟。

85萬美元在當時的美國社會無疑是一筆巨款,可以任由揮霍。但是,貝克蘭敏銳地觀察到,當時剛剛處在萌芽階段的電力供應背後蘊藏著巨大的材料市場,絕緣材料將成為科學家和商人們下一個競爭追逐的領域。於是,貝克蘭用這些錢除了購買了一處私人別墅外,還建立了一個設備齊全且先進的個人實驗室,並與人合作建立了實驗工廠。當時一種天然的絕緣材料——蟲膠價格的飛漲引起了貝克蘭的注意,蟲膠的生產過程繁瑣和不易用於機械化生產的缺陷讓貝克蘭想到了研究一種新的絕緣材料來替代蟲膠的想法,並將此想法作為他的首個商業目標。

在前人的實驗和研究基礎之上,貝克蘭加入到了對苯酚和甲醛反應的研究上面,他利用之前德國化學家阿道夫·馮·拜爾的實驗結果,通過不同的解析方法和對比,在經過了從1904年至1907年的不斷努力,最終得到了一種半透明的堅硬物——酚醛塑料。酚醛塑料與之前的「賽璐珞」存在本質的不同,「賽璐珞」是通過化學處理的天然材料,而酚醛塑料則是純人工合成的塑料。貝克蘭將這種酚醛塑料用自己的名字命名為「貝克萊特」(Bakelite)。貝克蘭提交酚醛塑料專利申請的時間是1907年7月14日,無獨有偶,英國的詹姆斯·斯溫伯恩爵士只比他晚一天提交了專利申請。貝克蘭的幸運真是無人可比,不然酚醛塑料的發明人就變成了詹姆斯·斯溫伯恩。1910年,貝克蘭創辦了通用酚醛塑料公司,從此開始,貝克蘭擁有了一個真正的酚醛塑料帝國。酚醛塑料在其後的汽車、電力工業等行業中迅速得到了廣泛的應用。

1924年,貝克蘭被推選為美國化學學會會長,其照片被刊登在了同年9月的《時代》周刊的封面上。1940年5月20日的《時代》周刊,將貝克蘭稱為「塑料之父」。

酚醛塑料的發明堪稱人類在20世紀的巨大貢獻之一,1999年美國《科學》雜誌舉辦了「20世紀改變人類生活的20項發明」評選活動,貝克蘭和他發明的酚醛塑料位列20項發明之首,可見塑料在近代人類社會中的重要性。貝克蘭的名字將永遠印在人類歷史進程的史冊之中。

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