合成橡胶

合成橡胶

合成橡胶是由人工合成的高弹性聚合物，也称合成弹性体。 是三大合成材料之一，其产量仅低于合成树脂（或塑料）、合成纤维。分类方法多样，发展历史悠久，有着广阔的研究前景。

中文名合成橡胶

属于人工合成的高弹性聚合物

又名合成弹性体

性质三大合成材料之一

发展历史

使用历史

人类使用天然橡胶的历史已经有好几个世纪了。哥伦布在发现新大陆的航行中发现，南美洲土著人玩的一种球是用硬化了的植物汁液做成的。哥伦布和后来的探险家们无不对这种有弹性的球惊讶不已。一些样品被视为珍品带回欧洲。后来人们发现这种弹性球能够擦掉铅笔的痕迹，因此给它起了一个普通的名字“擦子(rubber)”。这仍是此刻这种物质的英文名字。这种物质就是橡胶。

但是直到1839年，美国人古德伊尔(Charles Goodyear)成功地将天然橡胶进行了硫化后，橡胶才成为有使用价值的材料。通过与硫磺一起加热进行硫化，实现了橡胶分子链的交联，使橡胶具备了良好的弹性。为什么橡胶会有弹性呢？让我们分析一下橡胶的分子结构。天然橡胶分子的链节单体为异戊二烯。我们知道高分子中链与链之间的分子间力决定了其物理性质。在橡胶中，分子间的作用力很弱，这是因为链节异戊二烯不易于再与其他链节相互作用。好比两个朋友想握手，但每个人手上都拿着很多东西，因此握手就很困难了。橡胶分子之间的作用力状况决定了橡胶的柔软性。橡胶的分子比较易于转动，也拥有充裕的运动空间，分子的排列呈现出一种不规则的随意的自然状态。在受到弯曲、拉长等外界影响时，分子被迫显出一定的规则性。当外界强制作用消除时，橡胶分子就又回原来的不规则状态了。这就是橡胶有弹性的原因。由于分子间作用力弱，分子可以自由转动，分子链间缺乏足够的联结力，因此，分子之间会发生相互滑动，弹性也就表现不出来了。这种滑动会因分子间相互缠绕而减弱。可是，分子间的缠绕是不稳定的，随着温度的升高或时间的推移缠绕会逐渐松开，因此有必要使分子链间建立较强固的联接。这就是古德伊尔发明的硫化方法。硫化过程一般在摄氏140-150度的温度下进行。当时古德伊尔的小火炉正好起了加热的作用。硫化的主要作用，简单地说，就是在分子链与分子链之间形成交联，从而使分子链间作用力量增强。

在过去的几千年间，人们所坐的车使用的一直是木制轮子，或者再在轮子周围加上金属轮辋。在古德伊尔发明了实用的硫化橡胶之后的1845年，英国工程师R．W．汤姆森在车轮周围套上一个合适的充气橡胶管，并获得了这项设备的专利，到了1890年，轮胎被正式用在自行车上，到了1895年，被用在各种老式汽车上。尽管橡胶是一种柔软而易破损的物质，但却比木头或金属更加耐磨。橡胶的耐用、减震等性能，加上充气轮胎的巧妙设计，使乘车的人觉得比以往任何时候都更加舒适。随着汽车数量的大量增加，用于制造轮胎的橡胶的需求量也变成了天文数字。如此广泛的应用使天然橡胶供不应求。面对橡胶生产的严峻形势，各国竞相研制合成橡胶。

人们首先想到的是用天然橡胶的结构单元--异戊二烯来制造合成橡胶。早在1880年，化学家们就发现，异戊二烯放置过久就会变软发动，经酸化处理后则会变 成类似橡胶的物质。德皇威廉二世曾让人用这种物质制成皇家汽车的轮胎，借以炫耀德国化学方面的高超技艺。然而，用异戊二烯作为合成橡胶的原料，有两个困难：一是异戊二烯的主要来源正是天然橡胶本身；二是在天然橡胶长链中，所有的异戊二烯单元都朝向同一方向；在固塔坡胶长链中，它们则是严格地按照一正一反的方向排列的，而人工聚合时异戊二烯单元往往是毫无规律地聚合在一起，得到的是一种既不是橡胶也不是固塔坡胶的物质。这种物质缺少橡胶的弹性和柔性，用不了多久就会变粘，所以不能用来制造汽车轮胎（仅用于国事活动的皇家汽车当然是个例外）。

在第一次世界大战期间，迫于橡胶匾乏，德国人采用了二甲基丁二烯聚合而成甲基橡胶，这种橡胶可以 大量生产，而且价格低廉。在第一次世界大战期间，德国大约生产了2500吨甲基橡胶。尽管这种橡胶的耐压性能不理想，战后便被淘汰了，但它毕竟是第一种具有实用价值的合成橡胶。

大约在1930年，德国和苏联用丁二烯作为单体，金属钠作为催化剂，合成了一种叫做丁钠橡胶。作为一种合成橡胶，丁钠橡胶对于应付橡胶匾乏而言还算是令人满意的。与其它单体共聚可以改善了钠橡胶的性能。如与苯乙烯共聚得到丁苯橡胶(Buna-S)，它的性质与天然橡胶极其相似。事实上，在第二次世界大战期间，德国军队就是因为有丁苯橡胶，橡胶供应才没有出现严重短缺现象。苏联也用同样的方法向自己的军队提供橡胶。

美国在战后大力研究合成橡胶。首先合成了氯丁橡胶，氯原子使氯丁橡胶具有天然橡胶所不具备的一些抗腐蚀性能。例如，它对于汽油之类的有机溶剂具有较高的抗腐蚀性能，远不像天然橡胶那样容易软化和膨胀。因此，像导油软管这样的用场，氯丁橡胶实际上比天然橡胶更为适宜。氯丁橡胶首次清楚地表明，正如在许多其他领域一样，在合成橡胶领域，试管中的产物并不一定只能充当天然物质的代用品，它的性能能够比天然物质更好。

1955年美国人利用齐格勒在聚合乙烯时使用的催化剂(也称齐格勒——纳塔催化剂)聚合异戊二烯。首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。不久用乙烯、丙烯这两种最简单的单体制造的乙丙橡胶也获成功。此外还出现了各种具有特殊性能的橡胶。此刻合成橡胶的总产量已经大大超过了天然橡胶。

合成橡胶发展

到2009年合成橡胶已走过百年历史。1909年9月12日，第一个“人造橡胶生产流程”获得编号为250690的专利。其发明者弗里茨·霍夫曼当时正是朗盛公司的前身 - Elberfelder Farbenfabriken Friedr. Bayer & Co.公司的一员。

这一发明的重要性远比人们想象的要大。橡胶制品被广泛用于车辆、包装、医药、家用电器、运动产品及改性塑料制品领域，为人们打造更舒适的生活。霍夫 曼发明合成橡胶之前，各行各业不得不依靠天然橡胶。离开弗里茨·霍夫曼开拓性的成果，当今如此广泛和多样的橡胶应用将难以想象。

对霍夫曼的后继者而言，合成橡胶发明者的声誉即是激励，也是橡胶化学家努力达到的标杆。从一开始，化学家便广泛参与橡胶材料的进一步研发。朗盛也不断推动创新，确保橡胶成功应对市场对弹性体材料更高、更具挑战的技术应用要求。

当时，人们对橡胶所知甚少。例如，直到1905年，人们才发现该弹性物质的分子链由无数异戊二烯分子串组成，而分子串的交联方式在当时依旧是个秘。 尽管如此，霍夫曼仍决定尝试。由于很难获得“天然橡胶分子” 异戊二烯，霍夫曼很快决定使用与异戊二烯化学结构非常类似，更容易获得的甲基异戊二烯。他将材料置于锡器中加热，等待，有时甚至一连几个月。根据温度不 同，锡器中形成的物质有时更软，有时更硬，但弹性始终保持不变。最终，霍夫曼得以发明甲基橡胶。一百年前的1909年9月12日，霍夫曼获得世界第一项合 成橡胶专利。

1910年，当时一家著名的橡胶企业Continental开始利用新材料生产汽车轮胎。霍夫曼所在公司的董事长卡尔·杜伊斯堡（Carl Duisberg）驾车行驶了4000公里后表示，“轮胎没有穿孔”。甚至德国皇帝的座驾也采用了该轮胎，并对结果“甚为满意”。