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技术历史、技术、我们身边的事物
塑料。 发明和生产的历史
塑料（塑料块）或塑料是基于合成或天然高分子化合物（聚合物）的有机材料。 基于合成聚合物的塑料应用极其广泛。 “塑料”一词意味着这些材料能够在热和压力的影响下成型，并在冷却或硬化后保持给定的形状。 成型过程伴随着塑性变形（粘流）状态到玻璃态（固体）的转变。
塑料的广泛使用是我们这个时代的标志之一。 几乎所有天然纤维、树脂和材料现在都有人工替代品。 许多其他物质已被创造出来，具有自然界中没有的特性。 显然，这只是一场宏大剧变的开始，其意义与过去的伟大物质革命——青铜和铁的发展相当。 通常，塑料是一种复杂的有机化合物，包含多种成分。 其中最重要的就是人造树脂，它决定了材料的基本性能。 任何塑料的生产都始于这种树脂的制备。 通常，树脂占据固体和液体物质之间的中间位置。 一方面，它们具有固体的许多特性，但它们也具有很大的流动性，即能够轻松改变它们的形状。 就其内部结构而言，树脂也占据了一个独立的位置：它们不像大多数固体那样具有刚性晶格； 它们没有确定的熔点，加热时会逐渐软化，变成粘稠的液体。 像橡胶一样，它们的性质非常接近，树脂是聚合物，也就是说，它们的分子由大量相同（通常结构非常简单）的单元组成。 人造（合成）树脂可以通过两种化学反应获得：缩合反应和聚合反应。 在缩合反应过程中，当两种或多种物质相互作用时，会形成一种新物质，但仍会释放出副产物（水、氨等）。 例如，酚醛树脂是从苯酚和甲醛中获得的：两个苯酚分子通过与甲醛中含有的亚甲基的桥连接在一起，并释放出水。 然后这些已经加倍的分子相互结合。 最后得到线性或三维结构的大分子。 在聚合反应中，相同物质的分子发生相互作用。 它们相互结合，形成一种新物质——一种不分离副产物的聚合物。 正如在橡胶一章中已经提到的，所有分子中含有双键或三键碳原子的有机物质都能够进行聚合反应。 树脂将塑料的所有组成部分粘合起来，或者，有时说，水泥，赋予它可塑性和其他有价值的品质——硬度、防水性、机械和电绝缘性能。 除了树脂在许多类型的塑料中，一个重要的位置（质量的 50-70%）被所谓的填料占据，它既可以是有机物质，也可以是矿物质。 在有机填料中，纤维素被认为是最重要的（以纸、织物或棉绒的形式使用 - 棉梳；它们用树脂溶液浸渍，然后干燥并压制）。 无机填料包括云母、板岩、滑石、石棉、玻璃布和石墨。 通常，填料比树脂便宜得多，并且如果选择正确，它们的引入几乎不会损害塑料的性能。 有时，精心挑选的填料的引入甚至可以提高塑料的质量。 它也可以在特殊添加剂和增塑剂的帮助下得到改善。 前者，即使是少量使用，也会赋予塑料新的特性（例如，添加金属可以从电介质中制造出导电塑料）。 增塑剂与树脂形成溶液，使其软化并赋予其额外的可塑性。 以人造材料为基础生产塑料的开始可以追溯到 1830 世纪上半叶。 1863 年，最早的塑料之一，camptulikon，在英国生产。 这种分层材料的基础是黄麻织物，在其上滚动了橡胶、碎软木和其他一些成分的混合物。 然而，由于橡胶价格高昂，这种塑料的生产并不普遍。 XNUMX年，英国人沃尔顿用亚麻辛代替橡胶，开始生产油毡。 到目前为止，它已被广泛用作地板覆盖物，因为它的擦除速度比木材甚至大理石要慢得多。 塑料的广泛使用始于基于纤维素的赛璐珞的发明。 纤维素或纤维是木材和其他植物材料的基础； 其分子由大量结构简单的单元组成； 纯化后，它是一种无色、不熔、不溶的物质。 1845 年，人们发现当纤维素（棉绒）用硝酸和硫酸处理时，会形成硝酸酯，称为 pyroxylin。 这种材料非常危险，干燥时爆炸力很大。 不过后来发现，湿的时候一点都不危险。 问题出现了：如果水剥夺了pyroxylin的爆炸力，那么也许还有另一种方式来影响它的特性。 事实证明，如果将湿硝酸纤维素与樟脑混合，您会得到一种可以在滚轮上加工、压制和成型的塑料。 1869年，海斯兄弟通过这种方式获得了赛璐珞，从1872年开始商业化生产。 赛璐珞强度大，美观大方，可染成任何颜色或用作透明薄膜。 这种塑料很快变得普遍。 他们开始用它拍照——还有胶卷、梳子、盒子、儿童玩具、纽扣、腰带。 然而，赛璐珞有一个重要的缺点——它被证明是可燃的并且很容易被点燃。 1872年，德国化学家拜耳在盐酸存在下，将苯酚与甲醛结合，合成了一种新的树脂物质。 由于当时缺乏廉价的甲醛，这一发现并未得到工业应用。 直到 1908 世纪初才开始建立酚醛树脂的工厂化生产，尤其是在 500 年英国研究员贝克兰发现了一种用相同原料生产酚醛塑料的方法后，加热时变得不熔和不溶的能力。 他们获得了巨大的技术重要性。 基于这些树脂的塑料以其发明者 Bakelites 的名字命名。 酚醛树脂的原料是苯酚（石炭酸）和福尔马林（福尔马林是甲醛气体在水中的溶液；甲醛是用大气中的氧气在600-XNUMX度的温度下人工氧化甲醇得到的）。 首先，这些树脂开始被用作天然树脂的替代品——用于电绝缘的虫胶。 但很快发现，它们具有许多虫胶和其他天然树脂都没有的特性。 酚醛塑料开始迅速为自己征服广阔的应用领域，并长期在塑料中占据领先地位。 由它们制成的产品具有耐热性、耐水性、非常高的机械强度和良好的绝缘性能。 它们被广泛用于制造插头、插座、墨盒和其他电气设备，以及在化学工业中作为用于腐蚀性环境的大桶、罐和管道的材料。 这些塑料中的填料通常是木粉。 后来，在酚醛树脂的基础上，开始得到像getinaks、textolite等在机械工程中应用广泛的塑料。 它们的产品是通过热压浸渍树脂的织物、纸或胶合板获得的。 通过这种方式，可以生产非常坚固和轻质的零件（例如齿轮或轴承），从而成功地替代金属零件。 此外，与后者不同的是，这些部件运行安静，不易受到润滑油的破坏性影响。 是的，制造它们比金属部件更容易、更便宜。 如果使用玻璃线作为填充物，则会形成强度更高的塑料。 另一种广泛使用的塑料已成为尿素塑料。 生产尿素树脂的主要原料是尿素。 尿素是历史上第一种人工合成的有机物； 德国化学家 Wöhler 于 1828 年从氰化钾、硫酸盐和铵中获得了它，但直到一百年后才得到实际应用。 1918 年，捷克化学家约翰申请了一项由尿素和甲醛制造新树脂的方法的专利。 这种树脂有许多显着的特性：它无色、耐用、不易燃、耐热，不仅能完美地透过光线，还能透过紫外线（普通玻璃无法透过），而且很容易染成任何颜色。 然而，与此同时，它有一个显着的缺点——它会吸收水分。 很快开始生产尿素塑料。 它们已成为一种出色的饰面和装饰材料。 Mipor 具有出色的隔热和隔音性能，也属于这些塑料家族。 在随后的几年中，合成了许多新塑料。 坚固的透明塑料已在技术上得到广泛应用，成功取代了易碎玻璃。 最适合这些目的的是从丙酮、氢氰酸和甲醇中获得的聚甲基丙烯酸甲酯。 它用于生产耐用且重量轻的有机玻璃。 聚苯乙烯（它由乙烯和苯得到）已成为高频绝缘不可缺少的材料。 1940 年，德国化学家 Müller 以及独立于他的苏联科学家 Andrianov 获得了第一个有机硅塑料。 这些塑料的分子以及碳，包括硅。 这赋予了一种新型塑料非常宝贵的特性：它们具有很高的耐热性（可耐受高达 400-500 度的温度），耐水、耐酸和有机溶剂。 这一切都为他们提供了广泛的应用。 长期以来，化学家们未能聚合乙烯。 （乙烯是一种轻质气体，分子式为 CH2=CH2。）直到 1937 年这个问题才部分解决：在 1200 大气压的巨大压力下，乙烯液化，同时其分子中的双键断裂，发生聚合反应开始了。 （结果是分子[-CH2-CH2-]n。）合成10-30%的聚乙烯后，将乙烯溶解在其中，停止反应。 当压力降低时，乙烯蒸发，然后用于新的反应循环。 这种方法非常昂贵，因此聚乙烯无法得到大量使用。 1953 年，Zingler 开发了一种更简单的聚乙烯生产方法：在低得多的压力下，将乙烯溶解在汽油中，然后在 10 个大气压的压力下并在催化剂（烷基化三氯化钛）的存在下开始聚合反应. 随着这种生产方法的批准，聚乙烯（一种优良的绝缘体，耐酸）已成为使用最广泛的塑料之一。 作者：Ryzhov K.V.
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