说说合成纤维的故事

化学, 通过其研究主题——分子和材料, 显示了创造力, 即产生新的、前所未有的分子和材料的能力。这些原创物质及其无限的变异形态, 通过原子组合和结构的重新排列而被创造出来。而化学家用构成物质的元素创造了原创分子、新材料和未知物质。

在化学家创造的衣着中, 有个赫赫有名的合成纤维。它是将人工合成的、具有适宜分子量并具有可溶 (或可熔) 性的线型聚合物, 经纺丝成形和后处理而制得的化学纤维。通常将这类具有成纤性能的聚合物称为成纤聚合物。与天然纤维和人造纤维相比, 合成纤维的原料是由人工合成方法制成, 生产不受自然条件的限制。合成纤维除了具有化学纤维的一般优越性能, 如强度高、质轻、易洗快干、弹性好、不怕霉蛀等外, 不同品种的合成纤维还具有某些独特性能。

合成纤维是由小分子有机单体通过聚合反应合成的纤维, 它有七“姊妹”:尼龙 (锦纶) 、涤纶、丙纶、氯纶、维纶 (聚乙烯醇缩醛纤维) 、腈纶、氨纶等。其中首屈一指的是“大姐”——尼龙。

那么, 尼龙是怎么诞生的?它给人类衣着带来了什么影响?合成材料的发明又怎样彻底改变了人类的生活方式?

时髦“尼龙”诱惑无穷

1939年10目24日, 作为二次世界大战的大后方, 美国的杜邦 (化学) 公司, 用300尺高的宣传尼龙丝袜玉足模型广告, 吸引了无数眼球, 人们不断驻足“欣赏”丝袜的迷人风采, 性感十足配上妩媚无比的丝袜, 看得人们心痒痒的要跑上去“亲吻”。据说, 一天的销售量就达400万双之多。不仅备受女士们的青睐, 而且男士们也发挥浑身“解数”去抢购, 简直刮起尼龙袜的“龙卷风”。更有甚者, 连许多士兵在返乡途中, 也千方百计弄到尼龙丝袜“抗”在口袋里, 准备送给“女朋友”, 当做甜蜜的信物。人们曾用“像蛛丝一样细, 像钢丝一样强, 像绢丝一样美”的词句来赞誉这种纤维.到1940年5月尼龙纤维织品的销售遍及美国各地。

尼龙是世界上最先研制出的一种合成纤维。它的发明还同杜邦公司对基础科学的兴趣, 而成立了基础化学研究所有关。

更令人庆幸的是, 该研究所聘任了一位年仅32岁的华莱士·卡罗瑟斯博士担任有机化学部的主任。

卡罗瑟斯“走马上任”杜邦公司的时候, 正值当时德国人刚刚发明生产出人造橡胶。而国际上对人造橡胶发明人提出的高分子理论展开了激烈的争论, 卡罗瑟斯赞扬并支持这个观点, 决心通过实验来证实这一理论的正确性, 并完成第一个目标, 使美国也有比德国价廉质优的人造橡胶后, 就把对高分子的探索作为有机化学部的主要研究方向。他带领的研究小组选择各种具有活性基团的分子, 在一定条件下相互作用, 看看能否成为合成纤维。结果, 几十次、几百次的试验都失败了。但在他的坚持不懈努力下, 在进行二元醇与二元羧酸缩聚反应的实验中, 得到了分子量约为5000的聚酯分子。为了进一步提高聚合度, 卡罗瑟斯改进了高真空蒸馏器并严格控制反应的配比, 使反应进行得很完全, 在不到两年的时间里使聚合物的分子量达到10000~20000。

故事发生在1930年夏天, 这位才华出众的青年化学家在用乙二醇和癸二酸缩合制取聚酯在实验中, 他的同事朱利安·希尔出于一种本能的好奇, 将一支玻璃棒放入烧瓶中, 轻轻搅拌瓶底的熔化物。当他在从反应器中慢慢提起玻璃棒时, 惊奇地发现了一种有趣的现象:这种熔融的聚合物能像棉花糖那样抽出丝来, 而且更重要的是, 这种纤维状的细丝即使冷却后还能继续拉伸, 拉伸长度可以达到原来长度的好几倍, 经过冷拉伸后纤维的强度和弹性也大大增加。这种从未有过的现象使卡罗瑟斯预感到这种特性可能具有重大的应用价值, 有可能用熔融的聚合物来纺制纤维。

为了合成出高熔点、高性能的聚合物, 经过3年的艰苦奋斗, 卡罗瑟斯和他的同事们将注意力转到己二胺和己二酸进行缩聚反应, 终于在1935年2月28日合成出聚酰胺高分子化合物。由于这两个组分中均含有6个碳原子, 当时称为聚合物66。他又将这一聚合物熔融后经注射针压出, 在张力下拉伸称为纤维。1938年10月27日, 杜邦公司正式宣布世界上第一种合成纤维正式诞生, 并将聚酰胺66这种合成纤维命名为“尼龙-66”, 即锦纶。

锦纶是一种有广阔发展前途的合成纤维, 由于结实耐磨, 可用于生产弹力锦纶丝袜、手套、帽子等, 还可与棉花和羊毛混纺或交织成质地柔软的各种产品, 如市场上常见的锦缎被面、锦格绸等。

除了锦纶 (尼龙) , 在合成纤维大家族中还有六个“姊妹”, 即涤纶、氯纶、丙纶、腈纶、维纶和芳纶等, 它们广泛应用于各个行业。如我们称作“的确良”的涤纶, 大量用于衣料、床上用品;有“人造羊毛”之称的腈纶, 广泛应用于服装、装饰领域;强度是钢丝的5~6倍, 而质量仅为钢丝1/5的芳纶, 被用于制作防弹外衣和消防外衣等。

目前, 合成纤维已经广泛应用于航空航天、机电、建筑、汽车、家居、服装和体育用品等国民经济的各个方面。随着科技的发展, 许多具有特殊功能的新型合成纤维正不断被研制出来, 如抗紫外线纤维、负离子纤维以及智能纤维等, 其应用领域也在不断扩展, 世界因为合成纤维将变得更美丽。

纤纤“秀才”“武功”显赫

在尼龙“姊妹”中排行老小的是芳纶, 它是一种芳香族聚酰胺有机纤维。可别小看它“芊芊弱柳”之姿, 却有着男儿般的外号, 叫“合成的钢丝”。原来, 芳纶在同样重量材料下得到的强度是钢丝的五倍, 用手指粗的芳纶绳就可以吊起两辆大卡车!它有“真金不怕火炼”的本领, 有的品种可以在260℃高温下连续使用上百小时。芳纶真是“能文能武”, 它既可制成千姿百态的女儿衫, 又可与陶瓷塔配做成战斗中的装甲, 普遍应用于坦克、装甲车和直升机, 可作为主防护装甲和辅助防护装甲。在航天飞机上, 芳纶毡毯用于再返大气层时的热防护等。

芳纶在军事上的一举盛名是在2004年9月份。那时, 英国驻伊拉克部队的12名士兵在伊遭到反美武装袭击, 在以少敌多的情况下, 英军士兵以一人死亡的微小代价奇迹般地冲出了包围。死里逃生的英军士兵身上的防弹衣被密集的子弹打得像蜂窝, 中弹最多的一名士兵身上中了12枪, 但没有一件防弹衣被子弹击穿, 死亡的那名士兵是因为被流弹击中了无防护的脑部。后来, “中国的防弹衣救下11名英国士兵性命!”的新闻就这样传开了, 包括美、英在内的30多个国家都来购买中国的防弹衣。

其实, 这种制作防弹衣的材料就是芳纶, 它最先就是美国杜邦公司研制成功的, 他们给它取的名字叫“凯芙拉”。而美国的“凯芙拉”防弹衣也是世界上的“名牌”。

1996年的一天, 初出茅庐的中国“护神”牌防弹衣与来自美国的某型最先进防弹衣进行现场比试。试验开始前, 来自大洋彼岸的专家, 悠然自得地坐在靠背椅上闭目养神, 对挂在靶场正前方的那两件防弹衣看也不看一眼。因为在他们眼里, 这两件防弹衣本来就不在一个档次上:左边挂着的是大名鼎鼎的“凯芙拉”防弹衣, 产自素有“防弹衣王国”之称的美国;右边挂着的是当时人们听都没有听说过的“护神”牌防弹衣, 产自中国军队的总后军需装备研究所。一阵急促的枪声过后, 在场的宾客一起跑向这两件设台打擂的防弹衣, 结果却大出意料:“凯芙拉”被5发子弹打了两个洞;而“护神”却只留下几个弹头亲吻过的痕迹, 一切完好无损。

时隔半年后, 在擂台上输了的对手不服气, 尤其是听说美国一家公司要从中国大量进口“护神”牌防弹衣, 他们更咽不下这口气:“在中国打一两次靶不能说明什么问题, 应当按国际惯例和通行的标准进行检测。”然而, 几天之后, 由国际权威机构组织的检测结果再一次表明:中国的“护神”牌防弹衣无论是防弹性能, 还是重量, 都明显优于美国“凯芙拉”, 而且防护面积还比“凯芙拉”大70%。于是, 曾经被美国列为防弹衣禁运对象的中国, 却生产出更优异的“护神”牌防弹衣反销美国。“护神”牌防弹衣一跃成为新“宠儿”。

还有一个有趣的故事。“护神”牌防弹衣在擂台上打出国威之后, 某位客人无意中说了这么一句话:“子弹的力量那么大, 就是打不穿, 人也震得差不多了吧?”是不是震得差不多了?“护神”的主要研制者周国泰又带着“护神”上了试验场。

一只训练有素的狗穿上了“护神”牌防弹衣:20米, 狗挨了一枪, 没事;10米, 那狗再挨一枪, 停顿了一下回头看了看, 没事, 便接着往前走;两米, 那狗又挨了一枪, 只是本能地蹦了一下, 仍然无事地往前走。专家们对狗进行了严格的检查, 结果发现, 狗在两米处挨的一枪, 只导致表皮略为红肿。过了几天, 狗身上的红肿自然地消失了。这一下, “护神”牌防弹衣真的更神了起来。

中国的“护神”牌防弹衣之所以如此“神”, 是因为设计者瞄准了世界顶尖技术, 不断改进材料、改进工艺, 先后进行了上百次试验, 研制成功的。其中, 软体防弹衣采用芳纶及超高分子量聚乙烯纤维材料为主要材料制成, 衣重2至5公斤不等, 防护面积以及防护级别根据客户需要而定;硬体防弹衣在需要时, 在软体防弹衣上插入高等级复合陶瓷防弹板。防弹规格有防手枪、防冲锋枪的等, 其中最强的防弹衣可以挡住机枪的7米距离射击, 而这个距离的机枪杀伤力可以击穿两厘米厚的钢板。据统计, 芳纶防弹衣和钢盔最少能防护人的60%~70%关键部位, 使伤亡人数至少降低三分之一。

合成纤维来自煤石

尼龙的诞生, 改变了人们过去靠植物生长、蚕吐丝等得到的天然纤维制衣的习惯, 而采用以煤、石油、天然气、水、空气、食盐、石灰石等为原料, 经化学处理制成的, 所以也叫合成纤维。在合成纤维中, 尼龙和腈纶、涤纶前两种产量最大, 占整个合成纤维产量的90%。它们都具有强度高、耐磨、比重小、弹性大、防蛀、防霉等优点。除做衣服以外, 在工业或其他方面也很有用处。

尼龙的化学名称是聚酰胺纤维。尼龙66和尼龙6等耐磨性比棉制品高10倍, 比羊毛高20倍, 弹性好, 大多用于制造丝袜、衬衣、渔网、缆绳、降落伞、宇航服、轮胎帘布等。

腈纶又称人造羊毛, 它的学名为聚丙烯腈纤维, 比重低于羊毛, 强度是羊毛的三倍, 手感柔软膨松, 耐洗耐晒, 可以纯纺或同羊毛混纺, 制作衣料、毛毯和工业毛毯。腈纶毛线是市场上最畅销的产品之一。近年来, 复合材料需用的碳纤维数量日增, 常常采用腈纶纤维作为原丝。

涤纶俗称“的确良”, 它的学名叫聚对苯二甲酸乙二酯纤维, 简称聚酯纤维。它兼有绵纶和腈纶的特点, 强度高、耐磨, 混纺后的棉涤纶和毛涤纶为最常用的衣着用料。在工业上, 涤纶还可制作轮胎帘布、固定带及运输带等。

以上各种合成纤维产量大、用途广泛, 与人们日常生活关系密切, 已为大家所熟悉, 被称为通用合成纤维。在制造服装方面, 合成纤维除了可制成各种织物和针织品外, 还可充当棉絮, 具有重量轻、弹性好、不板结、不变形的特点, 制成的被褥、座垫、睡袋、沙发和防寒服等可以整洗, 并且不怕霉菌和虫蛀, 因此在20世纪80年代合成棉絮的用量已和天然棉絮平分秋色了。

合成纤维棉絮的进一步发展是人造羽绒, 人造羽绒呈立体结构, 富有弹性, 膨松保暖。特别是近年来出现的一种薄型合成絮片, 在1983年以后的奥林匹克冬季滑雪运动会上, 一些运动员身穿紧身型滑雪装, 人体的曲线美充分显露, 腾飞的动作更加潇洒利落, 滑跑的速度加快, 这就要归功于这种合成纤维絮片。原来这类絮片是由超细纤维或发泡纤维制成的, 增加了静止空气的储量, 减少了热量的对流和传导, 只需原羽绒服的一半厚度就足以保暖了。在宇航服的启发下, 一些合成纤维絮片还采用了表面金属蒸发沉积镀层, 形成防湿保暖效果极好的辐射屏蔽层。

那么这些“软硬兼施”的合成纤维来自哪里?

当时国外已经实现工业化生产的合成纤维品种除锦纶、腈纶、涤纶外, 还有维纶、丙纶等。这些合成纤维大都是以石油为原料, 走石油化工的技术路线。只有日本、朝鲜等少数国家采用煤化工技术路线, 以石灰石和煤为起始原料生产维纶。

说到石油, 如今已成了衣、食、住、行不可或缺的元素。据上海世博会数据, 全球70亿人均一生“穿”掉0.8吨石油, “吃”掉0.6吨石油, “住”掉3.8吨石油, “行”掉3.8吨石油, 合计9吨。在欧美发达国家和我们中国这样新兴工业化的发展中国家, 这个数据更是成倍、成几十倍增加。其实, 这些数据还是明显偏低的。根据《BP世界能源统计年鉴》, 2012年全球石油产量41.2亿吨, 全球70亿人人均消费石油589公斤, 若按全球人均寿命67岁计算, 地球人每人一生消费39.43吨。2012年中国人口13.54亿, 消费石油4.84亿吨, 人均消耗357.5公斤。中国人2012年人均寿命73.5岁, 如此算来中国人的一生也要消耗26.3吨。

再拿穿衣来说, 我们从衣服的标签上就能看到它的材质, 涤纶、腈纶、锦纶, 包括现在大名鼎鼎的莱卡、莫代尔等面料都是由石油生产的合成纤维。化学纤维占纺织纤维的比重已接近3/4, 天然纤维仅占1/4, 而90%以上的化学纤维产品是从石油提炼而来。可以说, 全球每10件衣服, 就有7件是由石化工业原料生产的, 而大部分植物纤维生产的服装中或加入部分化纤材料, 或是石化产品制造的物质进行了表面处理。五彩缤纷的各色染料和清洗衣服用的洗衣粉、洗涤液、衣领净、柔软剂等也都是石化工业品配制而成。由于石化工业以低成本, 高效率大量合成纤维, 源源不断供应市场, 才有今天各种多彩多姿, 价廉物美的衣着。一座合成纤维厂占地约为一个足球场 (5000平方米) , 可年产合成纤维9万吨;如若种植棉花满足同样规模的市场需求, 则需土地1600平方公里, 比台湾面积还大。

据统计, 目前世界合成纤维年产量大约为1500万吨, 已超过天然纤维产量。形象地说, 这相当于30万亩棉田或250万头绵羊的产量。由此足见合成纤维的发展对于人类社会进步多么重要。

生物拟态前程无量

石油是人类生存与发展不可缺少的主要能源, 若用来做衣着所需, 岂不可惜。有什么办法能使鱼与熊掌兼得吗?

科学家通过研究动植物纤维的形成得到启迪, 利用天然材料经生物自然加工而获得纤维。这就是悄无声息地走近我们生活的生物拟态纤维。

拿植物纤维来说, 它是通过光合作用产生碳水化合物而形成合成植物纤维, 同时也吸收了空气中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水与光合作用下生成纤维素。其纤维横截面由复杂的多种结构组成, 这种纤维素具有相似性。纤维科学家将其定义为“二氧化碳纤维”。这就是说, 我们一旦了解更多自然知识, 我们就可以避免使用化石能源制造人造纤维, 而创造一种环境友好型的生物纤维已成为一种可能。

许多世纪前, 家养蚕丝就已出现。这种化学纤维拟态丝有人类培养许多年后, 其价值仍然不可磨灭;随后, 人们发现木质浆具有可溶性, 还可湿纺加工。而人造丝与木质纤维具有纤维素同样的结构。随之, 尼龙又出现了。尼龙是人类模仿天然纤维的杰作, 它本身具有类似的氨基酸化合物的性质。50年后, 混纺加工技术出现, 合成纤维渐渐成为我们的时尚, 也形成一种开发方式。此后, 聚酯纤维以标新立异的固有特征使其他人造纤维刮目相看, 也与人造丝形成鲜明的对比。然而, 却不是所有的丝织特征可以替代天然的再树结构。例如, 光泽特征、吸湿特征、可染特征并没有完全尽人意地模仿出来。另外又发现, 菊花的所有有机要素, 如醣类、蛋白质、脂肪、纤维素等均含碳元素;光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。

据称, 每年全世界约有2000亿吨碳元素因光合作用被植物从空气中吸收。其中植物就包含了空气和植物中水分子中的二氧化碳, 将其转化为植物醣类。光合作用使植物需要更多能量。植物糖类含高于其他简单化合物, 其能量主要来源于光的吸收, 即叶绿素和类胡萝卜素的生成, 而植物不仅能生成糖类, 而且其化合物可以转化为结构性材料, 如纤维素和蛋白质。这种转换要求更多能量, 这一趋势又使其分解具有高能量的醣类。在氧化作用下, 它再次生成二氧化碳和水。这种能量释出和转换过程被看作植物呼吸与生长的过程, 类似于动物的呼吸。而光合作用使植物获得能量后以糖类的形式储存下来。日本农业生物科学研究所的马越博士认为, 蚕丝的形成经历了这个机械过程, 而这个过程在所有动植物体内都会产生。也就是说, 所有动植物都可以成为“拟态生物纤维的工厂”。

其实, 家蚕不是真正的吐丝, 而是从口中拉出丝, 靠移动编织蚕茧。也就是说, 家蚕可以将蚕丝蛋白固定在平面上。因此, 我们如果能给家蚕下“命令”, 它们或许能按照人类的指令, 直接给人“纺织”衣服, 而省掉了织布这一过程。这就与我们传统的人造纤维纺织大相径庭了。事实上, 天然丝纤维要比人造纤维更有伸缩性, 丝纤维的隔热性能、手感、吸湿性都要好于合成纤维。此外, 丝纤维具有很好的功能性, 甚至可以设计更多的人造功能。

科学家还发现, 家蚕是怎样通过食用桑叶而制造蚕丝的。那是因为桑叶被消化后形成氨基酸, 然后形成丝腺。就这样, 分层的丝蛋白就在蚕的肚子里形成, 然后又通过丝腺钙离子形成胶质蛋白丝, 而凝胶体又通过吸收空气中的二氧化碳转化为溶胶, 最终变为液态水晶体, 蚕儿通过边移动边拉出口中的液态水晶体而形成蚕丝。这个过程与人类合成纤维的生产大同小异。

在提到动物纤维时, 有必要了解人类自己的毛发的生长过程。事实上, 人类毛发和羊毛的生长都是一个氨基酸的聚合过程。如果毛发在形成过程中, 聚合体相互缠绕, 形成新的合成纤维, 那么聚合体就会形成一种熔体并储存下来, 然后从皮肤里冒出来。这个过程可以让我们明白, 其实这也是一个人造丝的过程。若能真正模仿这种生物动态, 那么人类就可以不断创造无数种拟态纤维。目前, 世界上已有许多纤维公司把角触伸向人类毛发生成原理。现代生物技术可以让头发按照人类预期的形状在活体内生长。倘若人发能够复制, 那么羊毛也可以用未来的生物拟态技术合成出来。

蜘蛛丝是另一有趣的纤维材料。这种动物性纤维具有很强的韧性, 它可以任意伸长。为了使自身产丝更能有效的捕捉到昆虫, 蜘蛛往往会自动的将丝中的养分加以调整, 使其丝的强度能让纤维丝以蜘蛛网的轴心看齐。当蛛丝一边被拉伸时, 其韧度却在由中心到边缘加大。蜘蛛丝的韧度相当于凯夫拉尔纤维, 其延伸性或抗断断裂性高于凯夫拉尔35%。因此, 其经纬黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆虫。但是, 当蜘蛛移动时, 蜘蛛网上的黏度却不会粘住它。这就是大自然的奇妙。世界顶尖级纤维科学家因此对蜘蛛丝的结构十分感兴趣。他们希望能解释蜘蛛丝结构的物理属性, 从而开发像蜘蛛丝一样的拟态非均匀性智能化纤维材料。这或许成为未来开发新纤维材料的关键所在。

因此, 合成纤维通过自然合成高分子聚合物并制造高自旋为导向的纤维产品将会逐步取代现行的纤维生产方式。这样看来, 人类要模拟家蚕制造纤维材料的发展已不再是天方夜谭, 人类利用高新技术手段即可精准的到达这一目的。合成纤维而非均质结构材料似乎将成为开发智能化纤维的关键性所在。目前, 世界上一些发达国家已开始利用高科技手段开发生物纺纱“工厂”。他们将按商业化规模生产出生物纤维品, 纤维材料的发展以取代石油化纤。