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化工史话80:完结撒花

发布日期:2024-04-29 11:46 浏览次数:

高分子材料是一个巨大的门类,前几期我们着重介绍了在高分子化工历史上有着重要影响的几个大宗产品,本期我们将继续对一些比较重要的产品进行补充。

首先一个比较重要的品种就是聚氨酯,也就是聚氨基甲酸酯。聚氨酯在1937年由德国人完成开发。二战后由英美等国在50年代开始工业化生产。聚氨酯采用二元醇与二异氰酸酯缩聚得到,其中含氮的二异氰酸酯提供了分子的刚性,而二元醇提供了分子链的柔性。不同的链结构导致了聚氨酯具有不同特性,可以说是高分子材料中的多面手,既可以作为塑料用于加工泡沫或者海绵,也可以作为橡胶,甚至还能作为纤维也就是我们俗称的氨纶。

化工史话80:完结撒花(图1)

我们再来说一下氟塑料,由于高分子材料本质上还是属于有机物,虽然耐酸耐碱性能强于金属。但高分子材料普遍不耐高温和有机溶剂。而氟塑料就是一类对各种腐蚀条件有良好耐性的材料。

常见的氟塑料就是聚四氟乙烯,聚四氟乙烯于1945年实现工业化生产,耐溶剂性能与耐腐蚀性能优异,几乎不溶解于任何溶剂,而且具有自润滑性。由于其出色的性能被广泛用于防腐涂层,以及内衬,垫片等部件的生产。生活中不粘锅的涂层,以及水管维修使用的生料带都是由聚四氟乙烯制造的。化学实验中的搅拌器等耐腐蚀件也一般使用四氟材质。

当然聚四氟乙烯有一个突出的弱点就是质地偏软,机械强度不足,受热后容易产生蠕变,因此不适宜制作需要承受应力的构建,例如接头,螺栓等等。为了解决这个问题,后续又开发出了peek(聚醚醚酮)PPS(聚苯硫醚)等新型塑料,他们的耐腐蚀性能接近聚四氟乙烯,但力学性能更加优异。例如peek就常被用来制作色谱管路的快接头。

化工史话80:完结撒花(图2)

除了氟塑料外,氟橡胶也是一类具有重要用途的含氟高分子材料。氟橡胶一般是一系列含氟烯烃的共聚物,最初出现于上世纪50-60年代。根据单体的不同形成了多种牌号,例如氟橡胶23主要是偏氟乙烯以及三氟氯乙烯的共聚物,氟橡胶246是偏氟乙烯,四氟乙烯,六氟丙烯的三元共聚物。氟橡胶耐腐蚀性能与耐热性能远高于其他合成橡胶,一经出现就在航空航天以及汽车领域取得了广泛应用,但由于分子量中的H并没有被100%取代,氟橡胶的耐腐蚀性能始终不及氟塑料。

另一类重要的高分子材料就是透明高分子材料,我们之前提到的PS就有一定的透明度。在生活中我们常见的透明塑料就是有机玻璃也就是聚丙烯酸甲酯,聚丙烯酸甲酯在1935年被工业化。聚丙烯酸甲酯具有非常高的透明度,透明度超过玻璃,同时密度小重量轻,不像普通玻璃一样容易脆裂,而且加工成型也非常方便。

化工史话80:完结撒花(图3)

另一种重要的透明高分子材料就是聚碳酸酯(PC),聚碳酸酯采用双酚A与光气反应生成。相对于有机玻璃,聚碳酸酯耐温性能更好,可耐120℃高温,而对应的有机玻璃耐温不到70℃,在耐腐蚀性能上PC也强于有机玻璃。而且聚碳酸酯本身具有阻燃性,可用于防火要求高的场合。生活中常见的眼镜片目前一般都用聚碳酸酯制造。


在合成树脂中还有一个重要的产品就是环氧树脂,环氧树脂出现于上世纪30年代。环氧树脂分子链结构中含有环氧基,在加入固化剂后,会形成三维网状的固化物。因此环氧树脂常常被用来制作胶粘剂或者涂料,我们常见的万能胶就是环氧树脂的一种。另外在工厂中环氧树脂常被用来做地坪,另外一些环氧树脂也被用于绝缘板的制作。

化工史话80:完结撒花(图4)


环氧树脂品种众多,大致可以分为缩水甘油类环氧树脂,脂环族环氧树脂,环氧化烯烃类树脂,混合型环氧树脂等等。

各种丰富的合成材料被广泛地应用在我们的生活中,也让我们的生活习惯受到了非常大的改变。如今放眼望去,我们生活中的大多数日用品都是塑料制作的了,早期的一些金属制品也开始被塑料取代。得益于巨大的用量,与塑料相关联的石化工业成为了目前最大的化工门类。


到这里我们总算把石油化工以及高分子化工这个20世纪最为重要的化工门类给说完了。我们的化工史话系列也到了最后的尾声。最后我想对化工的历史做总结,顺便也展望未来。

化工是一个年轻而古老的学科,一般认为铅室法硫酸的出现是现代化工的开端,而这段历史距今不过270多年。化工行业的第一次大发展也就是煤化工以及纯碱行业的发展也不过是1840年以后的事情,距今不过200年。而化工行业的第二次大发展,也就是石化与高分子化工的发展那是上世纪30年代以后的事情了,距今不足百年。

我们上学时接触到的精馏塔,换热器的算法,这些理论的历史都不超过70年。我曾经看过一本介绍合成氨工艺的书籍,是苏联人30年代写的,60-70年代被翻译成中文。那本书中关于精馏塔的部分,完完全全都是经验设计,根本就没有我们后来所说的理论塔板数的概念。在反应工程中涉及的许多鼓泡塔的准数关联式,实际上都是上世纪60年代的产物。至于化工中的冯卡门类似律,看似简单和基础其实也不是非常古老的概念,冯卡门和爱因斯坦基本是一代人,他还是钱学森的老师。也就是说我们之前的化工工作者是在化工理论都没有成熟的情况下,开创了化工行业,引领了两次化工行业的大发展。

另一方面非常奇怪的是,现在我们已经握有更先进的化工理论以及其他的辅助工具,我们的仪表自控也远强于一百年前。但是我们的化工发展却遇到了瓶颈。很难再有像30年代那样,各种新型化工产品层出不穷的盛况。

化工史话80:完结撒花

我想这里的原因有三个:首先,化工理论是经典理论,没有什么可深挖的地方,注定是后劲不足的。就比如说我们现在的仿真软件里,实际上存储的还是200多年前拉普拉斯这类的数学家提出的方程。哪怕是量子化学领域,距离薛定谔的时代也已经过去了100年了。我觉得甚至可以立一个flag:化工的大厦已经基本完成,我们需要的只是在局部的细节做一些小修补罢了。实际上我们这一代的化工人所作的工作就是对这两百年来化工生产中的理论做一个整理,然后希望能够从中再找到新的突破点而已。这个突破点在哪里呢?是分子模拟?是石墨烯等碳材料?是纳米科技?是新型药物开发?或者是催化剂?还是化工过程的耦合与外场强化?这谁都不知道,而他们之中似乎谁也产生不了上世纪石油化工,或者上上个世纪煤化工那样的发展与进步。

另外就是化工原料上我们也走到了瓶颈,早期的化工从利用无机矿物开始,煤化工的物料是煤炭,石油化工的物料是石油,几次化工大发展无不与人们改变化工产品的矿产来源有关。而我们现在无论技术再如何发展,但我们能利用的原料似乎很难再跳出煤炭与石油,那么未来我们的工作无非也就是在煤炭与石油化工的基础上修修补补,提升效率,使用新设备,新工艺而已。

最后似乎我们的需求也走到了瓶颈,写下这段话的时候我看了一眼四周,我们的衣食住行处处有化工产品的身影,而这些化工产品已经可以很好的满足了我们的生活需要。我就在思考,如果我足够有钱,提出一些非常厉害的生活需求,那么有哪些需求是现有化工产品实现不了的呢?想来想去只有长生不老,星际旅行以及时空穿越这三项了。

医药行业确实还在发展未来或许会有更多的新药出现,但这终究是医学和生物学的事情,我相信未来就算有什么新药,用我们化工现有的技术也是可以胜任其生产的,而且药品需求本来就少,很难谈得上会有重大进步。星际旅行我觉得至少300-500年内遥遥无期,去年负责我们火星探测的科学家还说,地球上哪怕是最荒凉的沙漠,条件也比火星好很多倍,地球自身潜力的挖掘恐怕是今后几百年的主题。这就是现状,前两次化工行业的发展都有工业化,城市化以及人口扩展的需求存在,而现阶段似乎没有如此强大的需求。

当然上述所言都并非绝对,一个300年前的农民会觉得只要有地种,有好吃的,有衣传就是天堂,而现在的生活需求远远超过他贫瘠的大脑所想象的。他绝对不会去追求合成树脂,合成纤维之类的事物。未来的人类的生活也不是我们能想到的,或许某一天突然间我们就会产生一些奇怪的需要呢?技术瓶颈或许也会在不久的将来突破,或许100年内我们就会有量子计算机,设计材料,药物都会变得轻而易举,化工行业又会有迅猛的发展。

但是百年尺度的事情我们作为凡人是很难见证与亲历的,我们现在的化工不说在瓶颈期,至少在平台期,我们一方面总结之前的经验,一方面尝试在做出很多突破性的东西,来为不知道是不是存在的下一次化工技术大发展做准备。所以你会看到我们的化工领域现在有很多新颖但成果很少的工作和概念,比如催化剂,纳米材料,新型反应器,过程耦合,外场强化等等。大家都在找一个突破口,大家也都认为自己的突破口是正确的,但是最终成果如何恐怕不是我们这一代人可以见证的。

最后写道化工历史的时候还有一点让我非常唏嘘的就是德国,整个系列中我们不止一次地提到德国,德国开创了非常多的技术,工业先进,但两次世界大战都倒在了市场与资源封锁之下。实际上德国煤炭资源丰富,石油资源相对贫乏,因此在煤化工时代做出了非常多有价值的工艺,甚至是在战争中被封锁的情况下依旧能依靠技术做出了不逊色于石油化工的产品。但无奈难挡石油化工的浪潮。我想如果没有石油工业,德国的科技和制造业地位一定比现在更高,没准我国就是资源国了,还可以整个煤炭输出国组织之类的。然而资源这种东西有时候确实要老天爷赏饭,强求不得。就像我们国家,能够在这片土地上繁衍几千年,无非是这里农业资源丰富的结果,但是一片土地上什么都有,既要有农业资源,又要有煤炭,还要有石油恐怕还真不现实。

另外一个就是科学发展的问题,很多人都在讨论这个问题,为什么西方在生产力不及我们的古代能诞生科技的萌芽。我之前也分析过这个问题,大概在3年以前。很多人也以此来为西方的制度,文化,甚至是人种优越性来背书。当我写完这个系列后,回望这段历史,我发现,科学的发展很多时候是非常巧合的事情。我始终觉得我们国家的历史发展脉络是正常的,西方有一点不正常,如果历史重来一次,我们大概率还是能够发展出农业社会的顶峰。但是西方能不能再一次发展出现代科技呢,恐怕很难。

现在很多人都认为中国人离开了西方就搞不出高科技了,当然他们可以举很多例子:诸如芯片我们和国外有着几十年的差距,诸如高铁是在国外的技术支持下发展出来的。有一些人包括国外的高参们都认为只要对中国进行科技封锁,就能让我们重蹈几百年前的覆辙。可是我想大概率他们自己也没有正确认识西方是如何发展出现代科技的,还是那句话,西方发展出现代科技,未必是他们制度,文化,人种的结果,很有可能就是历史的巧合。社会学上很多事情就是这样,先射出箭后画靶子。

然而不可否认的是,我们国家虽然历史上创造出了非常灿烂的文明,但是确实在科学上是一直落后的,没有萌发出科学理论,也从来没有引领过人类科学的进步。但是大家没有必要感到自卑或自我怀疑,也没有必要去故纸堆里找一些我国“古代科技成果”来提升所谓的民族自豪感。我们的国家过去和现在没有引领人类的科学进步,但是不意味着将来我们就做不到。就算科学的发展是巧合的话,那么下一次该轮到我们了。如果科学的发展是某种必然,遵循某种逻辑,我们有人口,有市场,有需求,有制度纠错能力,能够获得世界上最新的资讯,那么未来引领科技进步就更是一种必然。我也相信下一次的工业革命会从我们国家开始。

最后关于本作,化工史话系列很难算得上是一个严谨的科普系列,我虽然是化工从业者,但是在工艺上并不擅长。我喜欢历史,但是考古能力和获取资料的能力都是非常有限的。我的领域如果作为科普写出来那一定是非常晦涩和枯燥的。我为了考虑趣味性写了这个系列实际上是稍微有一点出圈,写了一些我并不熟悉的东西,难免有疏漏和错误也请大家谅解。

本作主要的资料都来源于百度以及部分综述文献,在化工工艺方面参考了很多《化工工艺学》教材中的知识。如果说单纯讲历史,本作实际上不如百度百科上的资料丰富,单纯说工艺也不及化学工艺学教材中的严谨。如果说一定要给本系列定一个特色的话,那就是组织与传承,本系列倾向于讨论科技发展的脉络和逻辑,也就是某个工艺出现的历史背景以及后续影响。希望给大家呈现的是为什么某个工艺或者某个产品会在特定的历史时期出现。虽然写到最后我认为科技的发展巧合的因素比较大,但是在本作中我还是倾向于用逻辑来理顺这些科技的脉络。当然我也稍微对历史做了些考证,因为早期的历史确实比较混乱,同一个工艺可能由不同的人在不同的时间被重复发现,遇到这种情况,我一般会重视那些我认为是真正影响历史进程工艺。

本作算是阶段性完结了,当然这只代表着本人目前想写的想说的都到此为止,不排除在未来我会想起什么遗漏的地方再继续补充下去TVT体育。接下来会继续做什么,继续写什么我暂时没有想好。实际上在写化工史话的过程中,我也单独开了几个系列比如说介绍化工环保技术的大宝鉴系列,以及与我本专业相关的化工过程强化系列,以及openFOAM系列。但是这些系列我虽擅长,但始终过于严肃了一些,换做是普通人我也不爱看。

实际上本作早在去年这个时候就已经完成了,但我始终在以一个非常慢的速度发表出来,究其原因一方面是因为现实生活中我越来越忙,另一方面是我担心本作结束后没什么好写的了。在这方面我实际上进行了不少尝试,有很多想法,也存在了不少试验作品,他们或是一些有关食品或日用品化学的科普,或者是比较有科幻感的人工生态圈或者宇宙开发之类的东西,还有一些视频或者科普等等,每一个类型都有一两篇试做,后面我会逐渐将他们发表出来。

那么我们后会有期

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