【影響世界的專利】尼龍

尼龍

尼龍配圖

我們日常生活中已到處能見到尼龍的蹤影，早已習以為常了。著名的美國杜邦公司在世界上首先研制出了人造有機紡織纖維——長鏈聚?胺纖維，並命名其為“Nylon”，成為英文該類合成纖維的通用商品名稱，這就是“尼龍”的來歷。我曾有不同的譯名，“尼龍”、“尼隆”、“尼倫”、“耐倫”和“錦倫”，現已統一為“尼龍”。這是一種全新的人工合成材料纖維，完全不同於之前的來自動植物的自然材料纖維。

1928年，杜邦公司為加強有機化學的研究，在威爾明頓建立了實驗室，並由W.卡羅瑟斯（Carothers, Wallace Hume）主持一個小組研究用聚合方法獲取高分子量物質。當時與現在是大不一樣的，現在大家對合成纖維已具有系統化的知識，甚至能實現預期功能，如難燃性、耐熱性等來進行高分子纖維設計﹔而當時並不是要求W.卡羅瑟斯和他的研究小組開發一種特殊的產品，人們對拉伸、取向和結晶化一無所知，而只是進行一種探索，是處於先知識，再看看能開發什麼的階段。針對這一新的研究領域，W.卡羅瑟斯和他的團隊，從自然界中存在橡膠和生絲中分子的長纖維的結構入手，思考聚合物應該是怎麼樣的，如何利用易於從空氣、水、煤或石油作為原材料，用化學方法合成長絲。1929年，W.卡羅瑟斯發現並命名反應后產物中單體單元與反應前單體相比，組成上少一個小分子的縮聚反應﹔1930年實驗確認聚合物能具有比其他材料形成更長纖維的特性﹔1933年，已在實驗室合成了看起來像生絲一樣的聚合物纖維﹔以后又在實驗室通過反復試驗摸索、篩選、研究制作方法，從“冷拉”，用玻璃棒絞拌燒杯中的聚合物拉出像蜘蛛網一樣的長細絲，到成熟的“縮聚”等工序形成，終於完成了合成材料及其制作工藝。就此，W.卡羅瑟斯作為發明人，於1937年4月9日申請了美國專利，發明名稱為《合成纖維》，並於1938年9月20日被授予專利權，美國專利號為US2130948﹔所申請的英國專利也獲得授權，英國專利號為GB461236-7。

根據專利說明書記載，該專利涉及新的合成材料，具體揭示了合成線型縮聚聚?胺和它的長絲，纖維、線、織物等及其制備。也就是，一是制備一種新的有價值的能形成纖維的合成材料﹔二是將這種材料制備成長絲纖維和帶﹔三是將所說的長絲、纖維等制成線和織物。說明書明確了一些定義，“合成”是指形成長絲的聚?胺完全是通過人工方法從單體或分子量相對比較小的初始反應物制備形成的，而非任何自然形成的﹔“線型”是指這些聚?胺僅從二官能團反應物獲得的，是端、端相連形成鏈狀的，而非三維聚合結構。“聚?胺”是指包含多個?胺鏈的聚合物。說明書揭示的技術解決方案是，將每個氨基和一個脂族碳原子相連的二伯二胺與基團等分子量基本平衡的每個羧基和一個脂族碳原子相連的二羧酸在形成聚?胺溫度下接觸形成銨鹽，並且繼續這樣的加熱，脫去諸如水等反應副產品直到形成聚合物，該聚合物能制成連續的，由特定X射線照片顯示沿纖維軸向排列規整的長絲。說明書就不同原材料制備各種尼龍例舉了8個實施例，其中的一例是，將戊撐二胺、癸二酸、二甲苯酚（沸點為218-222℃），按14.8：29.3：44的比例混合配料，置於配備有電導管，通過蒸餾回輸溶劑的裝置、導入氮的裝置、溫度計和粘度計的容器中，借助於沸?（218℃）蒸氣將上述混合料加熱13小時，在該過程中以適當的時間間隔測量電導率和粘度。電導率快速下降，粘度穩步提升，在13小時末，特征粘度為0.62，導電率從初始的0.0028歐姆（mhos）降到最終的0.000053歐姆。此時能觀察到小部分產品在酒精中沉澱而分離出來，該產品在隨后熔融表明它能拉成強度很好的纖維。然后，邊攪拌邊將全部反應物倒入到大量酒精中。聚?胺以白色粒狀粉末沉澱，通過過濾，用酒精清洗，再干燥。其后用金屬塊加熱的加熱器將其在空氣中在195-196℃溫度下熔化。分析可知上述產品化學式為[-NH-(CH2)5NH-CO-(CH2)8-CO-]x。接著該產品以如下方法制備成長絲，在周圍設有電加熱器的圓柱容器中以234℃加熱，在該容器底部設有0.47mm直徑的孔﹔容器頂部與一管子相連，通過該管子以3磅（lbs）標准下通入氮。底孔擠出的長絲收集在圓周線速度為每分鐘82英尺馬達驅動的滾筒上,並繼續傳遞和收集在圓周線速度為每分鐘164英尺的滾筒上，這樣實現了冷拉100%。形成的纖維在外表上像絲一樣有光澤。通過尼科耳棱晶，它顯示很強的具有平行消光的雙折射，用X射線檢測表現為明亮的纖維衍射式樣，而在紡絲前同樣的材料隻表現為晶狀粉衍射式樣。進一步對該纖維試驗，施加應力，冷拉長度增到452%時斷裂，此時，纖維度為0.63但尼爾（測量絲的纖維度單位，長9千米重1克為1但尼爾）﹔張力為50.5公斤/平方毫米。而在斷裂前中等拉長的情況下，這些纖維的彈性的恢復是非常顯著的。在其他物理性能方面，這纖維幾乎不受溫度影響，抗普通有機溶劑（除熱醋酸，甲酸或苯酚外），能浸泡在沸騰的甲苯中一個星期而無明顯變化，還非常抗大氣腐蝕和不受高溫影響，在110℃大氣中存儲一個月沒有什麼變化。總之，該拉制的纖維光澤度好，耐腐蝕、強度高並超過其他種類纖維。

杜邦公司積極推動該專利實施。鑒於當時長筒絲襪普遍存在抽絲缺陷，杜邦公司決定首先將尼龍纖維投入襪類市場，耐磨、耐熱、耐化學性的尼龍絲襪立即被消費者熱追，被視為珍奇之物爭相搶購﹔尼龍也很快被用於制造降落傘，飛機輪胎帘子布等軍、民用品﹔使其成為第二次世界大戰中極具價值的商品。

尼龍的誕生促進了聚合物研究工作的開展，為合成纖維工業奠定了基礎，也使紡織品的面貌煥然一新。但是，W.卡羅瑟斯自己卻陷入了嚴重的抑郁症，長期的工作壓力，惟恐研究不能給公司帶來效益，再加上他愛戴的姐姐突然去世，於1937年4月29日在費城的旅館房間裡服用氰化物自殺，此時僅在上述專利申請三周后，年僅41歲。他是一位卓越的美國化學家。他研究了高分子量物質的結構和生成它們的聚合反應，不僅導致了尼龍和氯丁橡膠的發明，也促進了合成纖維和合成橡膠工業的興起和發展。

發明人： 卡羅瑟斯， W.H

Carothers，Wallace Hume（1896∼1937），美國有機化學家。1896年4月27日生於愛荷華州伯靈頓，1937年4月29日卒於費城。1920年在密蘇裡的塔基歐學院畢業。1921年在伊利諾伊大學獲碩士學位，1924年獲有機化學博士學位。在該校任教兩年后到哈佛大學任教。1928年起，在美國杜邦公司任職9年,領導基礎有機化學的研究工作。1936年當選為美國科學院院士，他是第一個從產業部門選為該院院士的有機化學家。