聚乙烯是最大宗的塑料。现代人类的生活中,已经离不开聚乙烯了。那聚乙烯是怎么样一个故事呢? (一) 乙烯是无色无味的气体。乙烯存在于自然界,在植物果实成熟过程中,植物会释放微量的乙烯气体,作为果实的催熟剂。如果尚未成熟的果实暴露在有微量乙烯的环境里,也会加速成熟。碳氢气体(如天然气)在燃烧过程中,也会产生微量的乙烯。人们发现乙烯有N多年了,但发现了也就发现了,测定一些性质,发表几份报告,仅此而已,直到发现聚乙烯。 30年代时,经济大萧条,化工公司急需新的“拳头产品”,好冲出困境。同时,科技新发现像雨后春笋,此起彼伏,但很多发现都是“撞”上的,并没有理论指导,所以很多公司的实验室里,都是四处撒网,希望捕到大鱼,英国的帝国化学公司(卜内门的后裔)也不例外。1933年3月24日,那是一个星期五,帝化的两个化学家E.W. Fawcett和R.O. Gibson一气搭起了好几十个实验,把有希望的基本有机物质有放在一起,设定各种反应条件,尤其是高温高压,希望“撞上”一个重大发现。其中有一个容器里,装的是乙烯气体和苯甲醛(benzaldehyde),压力是1700个大气压,温度是170度。星期一了,预期的反应没有发生,但是容器底部有一些白色的蜡状粉末。测试表明,这是乙烯的聚合物,和苯甲醛没有关系,聚乙烯就这样意外地发现了。 第二次乙烯聚合要到1935年才实现,尽管实验器材在高温高压下发生泄漏,实验还是获取了少量聚乙烯。这期间,据科学家们发现聚乙烯具有极好的化学稳定性,防水,无异味,耐酸,耐碱,尤其出色的是绝缘性。 这时,第二次世界大战的阴云已经笼罩在欧洲头上。聚乙烯的出色的绝缘性能被寄予很大希望,尤其是用于潜艇通信设备或雷达的电缆绝缘,聚乙烯的性质和生产也成了机密。帝化根据实验室里合成的8克聚乙烯,断然决定建立一个年产100吨的聚乙烯厂,产量是根据潜艇部队的需要而定的。39年9月1日,帝化的聚乙烯厂投产了。同一天,德国入侵波兰。由于阴差阳错的原因,潜艇没有用上聚乙烯,但聚乙烯绝缘用于反潜飞机的机载雷达,在大西洋之战中,为猎获德国潜艇立下了汗马功劳。 都说汽车改变了世界,或计算机改变了世界,这都不错,但是电影Graduate里罗宾逊先生告诉Dustin Hoffman的“一字真言”是:plastics。聚乙烯开创了现代塑料工业。 顺便说一句,乙烯的催熟效应是偶然发现的。法国农民过去把收获的青柠檬储放在仓库里,用煤气灯保温催熟。后来改用电灯了,温度没变,但催熟过程明显变慢了,这才发现乙烯的催熟效应。呵呵,才开篇,就扯远了,赶紧拉回来。 (二) 前面提到了,帝化的反应是在高温高压下进行的。为什么要高温高压呢?碳有四个化合键,就好比四个手,这手一个也不能空闲着,否则就要乱抓,直到抓住别人的一个手才罢休。氢只有一个手。所以一个碳哥哥和四个氢妹妹在一起手拉手(这是不是那个什么什么教一夫四妻制的理论基础?),就构成了甲烷,天然气的主要成份;两个碳哥哥互相拉住两个手,另外两个手空出来,一人(呵,应该是“一碳”)抓住两个氢妹妹,这就是乙烯。聚乙烯反应就是要把乙烯分子的两个碳之间的一个键释放出来,去抓住另外一个也释放出来的碳键,这样可以一路左手拉右手(“聚合”)过去,头上和脚下的手还是拉着氢,端点的碳那个多出来的手也拉上一个氢,这就形成了聚乙烯。可是乙烯分子是化学稳定的,本来好好的,无缘无故的干嘛要自己把双键打断成单键呢?这就要高温高压“做媒”了,高温下分子活性大,高压把分子凑得近一点,这和把一对怨偶发配到小小的热带荒岛上的意思差不多,呵呵。 高温高压在实验室里已经不容易了,工业化的麻烦更多。帝化的“老爷爷”工厂到底用的是什么工艺,手头没有资料,只能自己猜。由于这是直接从实验室的过程放大,估计用的是间隙反应的高压反应釜。这是好听的说法,其实就是工业规模的高压锅。在锅内重复实验室条件,一锅一锅地“煮”,工艺复杂,质量没有保证,产量也低。 战后,战时的很多机密都得见天日,聚乙烯也是其中的一个。聚乙烯生产工艺也进步了,最大的进步是连续生产。50年代开始,高压管式反应器(tubular reactor)开始用于聚乙烯。管式反应器就是一根长管子,一头进原料气体,一头出固体产品(加没有反应掉的气体和惰性气体)。理想的管式反应器里的气体在管子里面“齐头并进”,长幼有序,没有返混,像一串活塞往前行进一样,所以也称活塞流反应器(plug flow reactor,PFR)。气体不能在管子里太悠闲地度方步,否则混合、返流都成问题,所以要有相当的流速;聚乙烯反应又需要一定的时间,这样管子就变得巨长,只好来回绕起来,缩小占地。工业规模的管式聚乙烯反应器可以有几公里长,压力高达1000大气压以上。高压管式反应器比高压釜式反应器要进步了,压力降下来了一点,连续生产的效率要高很多,产量大,质量控制要容易一些,但压力还是太高,要是出事故,爆炸起来不得了,所以都是埋在实心的巨型混凝土结构里,设备、施工的成本都很高。 (三) 前面提到过,碳有四个键,所以可以在四个方向上拉手,聚乙烯的链不一定要从左到右地长,不加“诱导”的话,头上或脚下的手也可以拉住另外一个碳,这就长出一根侧枝,侧枝还可以长出侧枝,所以最后可以长成一棵树。树和树码在一起,都是七枝八杈的,树垛的密度当然就低,所以刚度低,也不耐温,用这种低密度聚乙烯做茶杯,热水还没有倒进去,杯子自己就瘫下来了。 1953年,德国化学家Karl Ziegler发现了一种新的催化机制,可以“诱导”乙烯分子一直线地长,而没有旁边长出来的侧枝。这样聚合出来的聚乙烯的链就不再像一棵树,而像一根笔直的棍子,码起来整齐多了,密度自然就高多了。这种新型的线性聚乙烯自然就被称作高密度聚乙烯(HDPE),其刚度和融点比先前的低密度聚乙烯(LDPE)大大提高。Ziegler还免除了聚乙烯的高温高压要求。有了催化剂,就好比怨偶之间发一点伟哥,不发配到热带荒岛上也可以成“正果”,呵呵。意大利化学家Giulio Natta在1957年将Ziegler的成果扩充到聚丙烯,在聚乙烯以外开创了塑料的新天地。Ziegler和Natta在1963年共获诺贝尔化学奖,至今Ziegler-Natta仍然是一类重要的催化剂。Philip化学公司的R.L. Banks和J.P. Hogan也并行开发了另一种催化剂,压力要高一些,但催化剂的制备要简单一些,和Ziegler-Natta催化剂相比,得失大抵相当。 与此同时,聚乙烯工艺也在进化。搞化工的人喜欢液相反应,这液体,让它流动,它就流动;让它乖乖呆着,它就乖乖呆着。泵啊,阀门啊,管道啊,容器啊,都可以用上。要控制温度、压力、流量、液位,几个龙头左一拧右一拧,反应产物就哗哗地往外跑,多爽?气体要怕泄漏,固体要靠传送带和装卸机,都不如液体爽。就是它了:液相。所以,聚乙烯工艺从高压管式气相反应器转向液相连续搅拌釜反应器(continous stirred tank reactor,CSTR)。
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