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技术历史、技术、我们身边的事物
合成橡胶。 发明和生产的历史
橡胶是具有弹性、耐水性和电绝缘性能的天然或合成弹性体，由它经硫化得到橡胶和硬橡胶。
欧洲在 XNUMX 世纪首次了解橡胶。 克里斯托弗·哥伦布 (Christopher Columbus) 将它与许多其他珍品一起从美国带来。 当船只停泊在海地岛附近时，哥伦布和他的同伴们观察到当地人正在玩一个由某种弹性材料制成的球，这在欧洲是完全未知的。 球在落地时很容易反弹，被压缩并再次恢复原来的形状。 回到西班牙后，哥伦布带走了这种奇妙材料的样品，这种材料后来在旧世界以“橡胶”的名字而闻名。 翻译自印度语“橡胶”的意思是“一棵树的眼泪”。 后来人们知道，它是一种从热带树皮——巴西橡胶树的切口中采集的汁液。 橡树七岁时从一棵树上摘下来的：在半米高的地方，在树皮上切了一个口子，当树下开始流出像牛奶一样的白色汁液时，他们把它收集起来挂起来。杯子，然后将其倒入一个大容器中。 在空气中，果汁凝结得比较快，变成了一种深色的树脂状产品——橡胶。
欧洲人并没有立即意识到这种材料的优点。 两个世纪以来，他们将橡胶视为一种野蛮的好奇心。 与此同时，来到南美的旅行者继续向欧洲运送越来越多的橡胶制成品。 其中包括瓶子、防水靴和雨衣。 这一切都很好奇，但没有任何实际意义。 直到很长一段时间后，欧洲人才发现了橡胶的第一个用途——他们开始以橡皮筋的形式使用它，让人想起现代学校的橡皮擦。 1839世纪末，英国化学家麦金托什申请了一项用橡胶制造防水雨衣的专利。 它们被称为 Macintosh。 然而，雨衣对欧洲的气候来说还不够好；在低温下，它们变得像锡一样硬，在高温下变得粘稠。 经过多次实验，他们找到了一种通过硫化来避免橡胶这些令人不快的特性的方法。 （这一重要发现是美国化学家固特异于 XNUMX 年发现的。）人们发现，当橡胶与硫磺一起加热时，它的性质会发生相当大的变化——它变得更加柔韧、有弹性并且对温度变化不那么敏感。 这种新的硫化橡胶被称为橡胶。 它迅速流行起来，因为事实证明它在许多方面都非常方便。 对它的需求每年都在增长。 自然界中没有其他类似橡胶的产品——它防水、具有电绝缘特性、柔韧并且能够进行非常大的形状变化。 在外力的作用下，它可以拉伸几倍，然后再收缩。 没有其他物质具有这种弹性。 同时，它坚固、耐用、耐磨损、易于加工。 因此，橡胶一直是并且仍然是制造汽车轮胎、各种传动带、运输带、套筒、减震器、垫圈、柔性绝缘材料等的理想材料。 没有橡胶，现代工业社会的生活根本就不可能。 XNUMX世纪中叶开始大量生产橡胶制品。 这造成了真正的橡胶热。 橡胶树生长的地区成为战争和投机的对象。 野生橡胶树很快就无法满足行业的需求。 此外，在丛林中开采橡胶既困难又昂贵。 成功的实验创造了橡胶种植园。 橡胶树移至爪哇的热带地区，苏门答腊，马来群岛。 橡胶产量增加了几倍，但对它的需求却持续增长。 一百年来，科学界一直在寻找橡胶之谜的答案，以了解如何通过化学方法人工制造橡胶。 逐渐清楚的是，来自橡胶树汁的天然橡胶是几种物质的混合物，但其质量的 9/10 落在具有分子式 (C5H8) n 的聚异戊二烯烃上，其中 n 非常大 - 超过一千。 具有相似结构的物质属于高分子产物组 - 聚合物，它们由几个，有时是非常多的简单单体物质（在这种情况下，C5H8异戊二烯分子）的相同分子组合而成。 在有利的条件下，单个单体分子以长而柔韧的直链或支链线相互连接。 这种聚合物形成反应称为聚合。 它仅发生在具有多个键（双键或三键）的有机物质中。 由于这些键的分离，单个分子相互连接（由于释放的化合价）。 除聚异戊二烯外，天然橡胶还含有树脂状蛋白质和矿物质。 从树脂和蛋白质中提纯的纯聚异戊二烯非常不稳定，在空气中很快就会失去其宝贵的技术特性：弹性和强度。 因此，为了生产人造橡胶，至少需要学习三件事：1）从其他物质中获得异戊二烯； 2)进行异戊二烯的聚合反应； 3) 用合适的物质处理得到的橡胶以防止其分解。 所有这些任务都被证明是极其困难的。 1860年，英国科学家威廉斯通过干馏橡胶，从中分离出异戊二烯，结果证明它是一种具有特殊气味的轻质、流动、无色液体。 1879年，法国化学家古斯塔夫·布沙尔将异戊二烯加热并与盐酸作用，进行逆反应——他得到了一种橡胶状的产品。 1884年，英国化学家蒂尔登通过松节油高温分解得到异戊二烯。 尽管这些科学家中的每一位都为橡胶特性的研究做出了贡献，但其合成的秘密在 XNUMX 世纪仍未解开——所有开放的方法都被证明不适合工业使用，要么是由于原材料成本高，要么是因为异戊二烯的收率低，或者是因为确保反应的复杂技术过程。 但是异戊二烯对橡胶生产真的有必要吗？ 也许具有相似性质的大分子可以由其他碳氢化合物形成？ 1901 年，俄罗斯化学家康达科夫发现，二甲基丁二烯在黑暗或漫射光下放置约一年也会变成橡胶状物质。 （第一次世界大战期间，德国切断了天然橡胶的来源，开始使用二甲基丁二烯生产合成橡胶。但是，它的产品质量很差，但价格却令人望而却步。技术困难。战后，这种甲基橡胶再也没有生产过。） 后来发现凡是具有分子骨架的碳氢化合物都可以合成成橡胶状物质
该系列的第一个成员是丁二烯（或二乙烯基）
早在 1914 年，英国的 Matthews 和 Strange 在金属钠存在的情况下，从二乙烯基中获得了一种非常好的橡胶。 但他们的工作并没有超出实验室实验的范围，因为首先，没有找到生产二乙烯基的方法，其次，无法在工厂中制造出可以合成橡胶的装置。 十五年后，俄罗斯化学家谢尔盖·列别杰夫解决了这两个问题。 第一次世界大战前，俄罗斯工厂使用进口橡胶生产的橡胶多达 12 万吨。 革命后，工业开始工业化，苏联对橡胶的需求成倍增长。 一艘船需要 68 吨橡胶，每个油箱 - 800 公斤，飞机 - 600 公斤，汽车 - 160 公斤。 每年越来越多的橡胶不得不从国外购买。 同时，在 1923-1924 年间，天然橡胶的价格达到每吨 2400 金卢布。 需要支付这么多钱，在更大程度上，这个年轻的苏维埃国家如此依赖供应商，给该国的领导层带来了严重的问题。 只有一种方法可以解决这些问题——开发一种生产合成橡胶的工业方法。 1925 年底，最高经济委员会宣布了一项国际竞赛，以寻找生产合成橡胶的最佳方法。 竞争的条件相当严格：橡胶必须在苏联用苏联开采的产品生产，人造橡胶的价格不能超过过去五年的世界平均价格。 到 1 年 1928 月 2 日，要求将 XNUMX 公斤的成品样品运送到莫斯科。 列别捷夫当时是列宁格勒大学普通化学系的负责人。 甚至在革命之前，他就已经在合成橡胶问题上工作了几年，并且深知所有参加比赛的人所面临的困难。 尽管如此，他还是决定参加。 一些学生和学生同意在他的工作中帮助他。 时代非常艰难。 所有助理和列别杰夫本人在下班时间、晚上和周末完全免费工作。 为了赶上最后期限，他们付出了最大的努力。 复杂的技术实验必须在最不利的条件下进行。 从字面上看，一切都不见了。 正如这个了不起的企业的参与者后来回忆的那样，他们用自己的双手做了他们需要的一切。 列别捷夫不仅要从事化学家的工作，还要从事吹玻璃工、机械师和电工的工作。 为了在化学过程中冷却，需要冰——它们都是在涅瓦河上一起收获的。 然而，事情进展顺利。 在过去多年的研究中，Lebedev 确信获得完全再现天然橡胶特性的合成橡胶是一项非常艰巨的任务，在这种情况下几乎不可能实现。 他立即放弃了异戊二烯的实验，决定以二乙烯基为原料。 在 Matthews 和 Strange 对二乙烯基（丁二烯）橡胶生产过程的研究之后，还缺少一个环节——有必要开发一种利用廉价易得的原材料生产二乙烯基的方法。 起初，列别杰夫想把油当作这样，但后来他把所有的注意力都集中在了酒精上。 酒精是当时最真实的原材料。 如果成功解决了二乙烯基合成问题，就可以立即生产所需数量的橡胶，而这正是国家所需要的。 列别捷夫清楚地知道了乙醇分解成二乙烯基、水和氢（通常用方程式：2CH3CH2OH = C4H6 + 2H2O + H2）的反应本质。 但最大的困难在于选择合适的催化剂。 在深入了解正在进行的过程的本质后，列别杰夫建议一种活性天然粘土可以作为这种催化剂。 1927年夏天在克里米亚和高加索度假期间，他不断收集和研究粘土样品。 最后，他在 Koktebel 找到了合适的粘土。 在她面前的反应产生了极好的结果。 因此，在 1927 年中期，取得了第一个成功——反应朝着正确的方向发展，从酒精中获得了二乙烯基。 下一个过程——二乙烯基的聚合——列别捷夫决定按照马修斯和斯特兰奇的方法进行。 为此，将特殊装置中的钠均匀分布在二乙烯基上，然后反应持续 3-5 天。 然而，它的最终产品还不是商业橡胶。 它被气体饱和，钠在其中分布不均匀，混合物不稳定，在空气中迅速氧化，失去弹性。 因此，所得橡胶在混炼机中进行加工，与其中所含的钠一起捏合。 然后将其与增强剂、炭黑、高岭土、氧化镁和其他本应保护橡胶免于腐烂的成分混合。 准备好的橡胶以微不足道的部分收到 - 每天只有几克。 因此，工作一直持续到最后一分钟。 2月底，距离最后期限只剩下几天的时间，1928公斤橡胶的合成完成，被紧急送往莫斯科。 XNUMX 年 XNUMX 月，陪审团在考虑了所有送来的样品（顺便说一下，样品很少）后，认为列别杰夫实验室种植的橡胶是最好的。 然而，这仅仅是个开始。 实验室方法在工厂环境中通常是不可接受的。 列别杰夫被指示继续研究和开发他的橡胶生产方法的工业技术。 艰苦的工作又开始了。 诚然，现在列别捷夫拥有更多的资金和机会。 政府深知他工作的重要性，为他提供了他所需要的一切。 不久，列宁格勒大学成立了合成橡胶专门实验室。 一年之内，该实验室设计并建造了一个试验工厂，每天生产 2-3 公斤橡胶。 到 1929 年底，工厂过程的整个技术得到了发展。 1930 年 XNUMX 月，在列宁格勒的古图耶夫斯基岛开始建造一个试验工厂。 夏天，工厂实验室开放。 根据列别杰夫的个人指示配备，它是当时最好的化学实验室之一，并变成了一个真正的合成橡胶科学中心。 除了实验室，列别杰夫还拥有他们能找到的最优秀的专家。 如有任何问题，他可以亲自联系列宁格勒地区党委书记基洛夫。 最大的困难在于制造必要的设备。 化学工程刚刚起步。 订单已分发到列宁格勒的所有工厂，但由于缺乏必要的经验，订单的实施进展缓慢。 甚至列别杰夫本人有时也发现很难给出准确的技术建议。 尽管如此，试验工厂的建设还是在 1931 年 250 月完成。 XNUMX 月，在其上获得了第一批 XNUMX 公斤的橡胶。 它是世界上第一种廉价的工厂制造的合成橡胶。 同年，在雅罗斯拉夫尔、沃罗涅日和埃夫列莫夫铺设了三座巨型橡胶厂。 所有这些都被宣布为震惊共青团建设项目，并以惊人的速度建成。 1932 年，雅罗斯拉夫尔工厂已经生产出第一块橡胶。 起初，二乙烯基的合成在工厂里进行得很艰难。 得到的不是由二乙烯基、水和氢气组成的醇分解产物的简单混合物，而是由 30 种成分组成的复杂“香醋”，并且这种质量中二乙烯基的收率不超过 20-25%。 列别杰夫不得不带着他的一群员工紧急前往雅罗斯拉夫尔帮助建立生产。 然后在沃罗涅日和叶夫列莫夫也出现了同样的困难。 1934 年春天，列别杰夫在前往埃夫列莫夫的一家工厂时感染了斑疹伤寒，并在返回列宁格勒后不久去世。 但是，他奠定了如此重要基础的事业变得更加强大和发展。 继前三个合成橡胶厂之后，又新建了几座。 1934年生产合成橡胶11万吨，1935年为25万吨，1936年为40万吨。 1937年，合成橡胶在橡胶总产量中的份额已经达到73%。 成功解决了最复杂的科学技术问题。 然而，列别捷夫开发的合成橡胶生产方法并不是唯一可行的方法。 他自己也很清楚这一点，近年来他想了很多关于如何用其他更便宜的原料代替食品原料（酒精是从食品中生产出来的，1吨马铃薯生产12吨酒精）。例如，石油。 二乙烯基橡胶的另一个缺点是其低粘合性。 在用它制造橡胶制品时，有必要增加额外的成本。 随后，又开发了几种合成橡胶的生产方法，1965 年苏联首次在工业条件下从异戊二烯中获得合成橡胶。 作者：Ryzhov K.V.
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