哥伦布带着他的船员们历经千辛万苦到达了美洲大陆。一天,正当他们在树林里架起锅煮饭的时候,一个东西蹦蹦跳跳地滚了过来。哥伦布捡起来一看,这东西十分柔软,是一种他没有见过的材料。不一会儿,就有印第安人找了过来。哥伦布费力地用他为数不多的印第安语词汇,比画着问道:“这是什么?”印第安人回答他说:“橡胶球。我们一般用它来玩,也用来祭祀。”从此,哥伦布记住了这种稀罕的材料。在他返回欧洲的时候,特意带了一些橡胶球回去,这些橡胶球让欧洲人大开眼界。
时至今日,从汽车轮胎到清洁手套,从中性笔的护手到高压锅垫圈,橡胶已经成了我们日常经常碰见的,工业上也必不可少的东西。少了这种软软的、有弹性的东西,我们的生活会极其不便。可是你知道吗?如今到处都有的橡胶在“二战”时期,还曾经是许多国家争夺的战略物资呢。
人类很早就发现了橡胶。生活在中美洲的土著人在11世纪就已经有橡胶球了。他们还会用橡胶做成各种器具的辅助材料,甚至简陋的雨衣和雨鞋。很多植物都能够产生橡胶,但从商用化的角度来考量,三叶橡胶树是最适合大量生产天然橡胶的。
橡胶树的树皮一割开,乳白色的汁液就流出来了,好像它疼得流泪一样。橡胶在印第安语中名字的意思就是“流泪的树”。为了方便收集,种植橡胶树的农民会在树上绑一个小碗来接流下来的胶乳。胶乳再经过凝聚、成型等一系列的处理之后就成了橡胶。橡胶可以用来做成各种东西——小到橡皮,大到汽车零件和轮胎。不过天然橡胶有一个致命的缺点,就是它的环境适应性很差。 天气热的时候 橡胶会发黏而改变形状,而天气冷的时候橡胶会变脆,很容易碎掉。
一位名叫查尔斯·固特异的美国人解决了这个问题。虽然生活十分困难,也并没有专业基础,但是他一直致力于研究改进橡胶特性的方法。他痴迷于自己的研究,不顾别人的讥笑和讽刺,在经历了许多次失败之后,终于在1839年偶然发现 用硫黄处理过的橡胶 不会在加热的时候变黏。 遗憾的是,由于这项技术太简单,当时的许多工厂都在盗用他的专利。所以虽然他通过这项技术获得了许多奖项,可这并没有给他带来经济效益,他还是一贫如洗,直到去世。
查尔斯·固特异
现在通过科学家的研究我们知道,橡胶是天然高分子化合物,包含顺式聚异戊二烯和反式聚异戊二烯。橡胶内部长长的分子链就像一团毛线一样紧紧缠绕在一起。
在双键化合物中,有时会出现化学成分相同但组成结构不同的现象。如顺-2-丁烯和反-2-丁烯。顺-2-丁烯中双键上的两个甲基在同侧,所以是顺式结构;而反-2-丁烯中双键上的两个甲基不同侧,所以是反式结构。环状化合物上也会出现这种情况,如图所示。这种立体异构现象被科学家称作“顺反异构”。
1,2-二氯环己烷的两个异构体
顺-2-丁烯(左)和反-2-丁烯(右)
互为顺反异构的两种分子的许多物理、化学性质会出现差异。除少数反例外,一般来说反式化合物化学性质比较稳定。比如,生活中经常听到的“反式脂肪酸”,就是一种反式化合物。摄入过多反式脂肪酸会使血液胆固醇增高,增加罹患心血管疾病的风险。而相对应的“顺式脂肪酸”则不会带来这样的风险。不过顺式脂肪酸化学性质更活泼,容易酸败,不易储存。
聚合物长链虽然互相之间纠缠在一起,但是它们之间并没有化学键来连接,所以稍微一受热,这种纠缠就会被破坏,宏观显示为变黏。而一旦变冷,分子链中化学键的转动又会变得困难,分子趋于变成不可自由运动的固体,宏观显示为变脆。
而经过硫黄处理的橡胶,由于硫黄的渗入,会在橡胶分子链双键的地方反应,形成新的化学键,把橡胶的分子链连接起来,形成交联。从前一条一条的分子链交联之后形成了三维立体结构,变得更强了。这就是硫化橡胶性质比天然橡胶更强的原因。
橡胶硫化原理
由于橡胶是由许多分子链缠绕在一起的,所以拉伸时分子排布比松弛时更有规律,因此拉伸过程是放热的。准备一条橡胶皮筋,把它放在自己比较敏感的部位,如前额上,感受它的温度。然后用手把皮筋拉紧,皮筋是不是变热了?再把皮筋突然放松,现在皮筋是不是变冷了?
世界上的天然橡胶有两个主要产地,一是在南美洲的巴西等,一是在东南亚的印尼等。在“二战”的时候,不是所有国家都能大量获得橡胶的。可橡胶又十分重要,许多飞机和战车的零部件都离不开橡胶。德国和苏联由于地理位置的原因不能出产天然橡胶,又因为难以进口,所以只能想办法人工合成橡胶。“二战”时期和“二战”之后是合成橡胶发展最快的时期。
如今,我们不仅能合成天然橡胶,还能仿照橡胶的结构,用其他分子来代替天然橡胶,把橡胶发展成一个庞大的家族。按照成分和原料的不同,有丁腈橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶等不同的品种。合成橡胶不需要种植橡胶树,可以用化学方法大量合成,出产快、原料便宜。与天然橡胶相比,合成橡胶还有耐寒耐热、耐腐蚀的特点。根据使用需要的不同,还可以改变分子结构,专门生产出具有某种特性的特种橡胶来。
不过,合成橡胶目前还有拉伸效果和抗撕裂效果比较差的缺点。在需要具备这些效果的产品时,天然橡胶仍然是最好的选项。我国虽然也出产天然橡胶,但是在很大程度上还是依赖进口。随着科学的发展,合成橡胶有一天一定能改进自身的缺点,全面超越天然橡胶,改变我国依赖进口天然橡胶的现状。