尼龍那些事兒

劉超

很久以前，人類先是具備了改造自然的能力，然后通過(guò)勞動(dòng)進(jìn)而進(jìn)行復(fù)雜的思維，再為改造自然所用。然而，不管兩者誰(shuí)在前，人類都無(wú)法避免要進(jìn)入到社會(huì)，彼此間的交流，總免不了要見(jiàn)見(jiàn)面、拉拉呱。見(jiàn)面也好，拉呱也罷，總不能一絲不掛，“羞羞”不？總是“裸奔”實(shí)在有傷大雅，也怪不好意思的。之后的千萬(wàn)年中，人類開(kāi)始利用自然界中的植物纖維或動(dòng)物皮毛“遮羞”，結(jié)束了只靠爛樹(shù)葉遮住“三角區(qū)”的尷尬時(shí)代，“四條腿”不再被風(fēng)吹日曬，終于可以“捂白白”了。

不得不承認(rèn)，在化學(xué)學(xué)科成立以前，人類窮盡了自己的終極思維，為自己的“時(shí)尚之路”“美麗事業(yè)”想盡所想。直至近一百年，一種名為“尼龍”材料的誕生，徹底敲開(kāi)了現(xiàn)代紡織業(yè)的大門，也讓服裝種類變得更加豐富多彩。

尼龍的誕生，我們必然要感謝一個(gè)人，他就是美國(guó)化學(xué)家——華萊士·休姆·卡羅瑟斯（1896—1937），尼龍的發(fā)明人（圖1）。

密西西比走來(lái)的卡羅瑟斯

1896年4月27日，卡羅瑟斯生于美國(guó)中部艾奧瓦州的小城伯靈頓，小城坐落在美國(guó)中部大平原的密西西比河畔。卡羅瑟斯五歲以前的時(shí)光，都是在這里度過(guò)。當(dāng)他5歲時(shí)，隨著父親工作變動(dòng)，卡羅瑟斯一家舉家遷往艾奧瓦州州府所在地——得梅因。不久，他的父親成為得梅因商學(xué)院的副院長(zhǎng)，卡羅瑟斯和3個(gè)弟弟、妹妹在這里很順利地完成了中小學(xué)階段的教育。這期間，卡羅瑟斯對(duì)自然科學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。

卡羅瑟斯在1915年考入密蘇里州塔基奧學(xué)院，一開(kāi)始，從小立志成為“理工男”的他在“父母之命”的強(qiáng)迫下不得不選擇會(huì)計(jì)專業(yè)（啥？看賬本？我要學(xué)化學(xué)?。?。沒(méi)過(guò)多久，再也忍受不了內(nèi)心煎熬的卡羅瑟斯毅然決定放棄會(huì)計(jì)專業(yè)，選擇了化學(xué)專業(yè)。5年后，卡羅瑟斯順利獲得學(xué)士學(xué)位，但他不想就此步入社會(huì)，自認(rèn)為自己才剛剛踏進(jìn)化學(xué)的大門，還有更多的知識(shí)需要他去吸收。因此，他進(jìn)入伊利諾伊大學(xué)繼續(xù)攻讀碩士和博士學(xué)位?？_瑟斯攻讀博士學(xué)位期間，他的導(dǎo)師可是一位化學(xué)屆的“大?！薄挠袡C(jī)化學(xué)家羅杰·亞當(dāng)斯（Roger Adams，見(jiàn)圖2）。亞當(dāng)斯不僅個(gè)人成就斐然（一生發(fā)表了405篇論文，在其退休以前平均每個(gè)月1篇），同時(shí)也是一位治學(xué)嚴(yán)格的導(dǎo)師，在嚴(yán)格的學(xué)術(shù)訓(xùn)練下，卡羅瑟斯展現(xiàn)出了相當(dāng)優(yōu)秀的科學(xué)天賦。亞當(dāng)斯對(duì)卡羅瑟斯這位最得意的門生的評(píng)價(jià)是“全美國(guó)最杰出的有機(jī)化學(xué)家”。

博士畢業(yè)后，卡羅瑟斯先后在伊利諾伊大學(xué)和哈佛大學(xué)擔(dān)任有機(jī)化學(xué)專業(yè)的講師，枯燥的教學(xué)工作很難讓他提起興趣，他與一直盼望的實(shí)驗(yàn)和研究始終隔著一層看不見(jiàn)的阻礙。恰在這時(shí)，杜邦公司找到哈佛大學(xué)，指名點(diǎn)姓要求見(jiàn)到卡羅瑟斯。為什么？

當(dāng)時(shí)，杜邦公司研發(fā)部的負(fù)責(zé)人查爾斯·斯泰恩（Charles Stine）認(rèn)為，公司應(yīng)該加大對(duì)基礎(chǔ)技術(shù)的研究力度，有機(jī)合成和高分子化學(xué)將會(huì)是未來(lái)公司仰仗的核心技術(shù)。所以，當(dāng)斯泰恩開(kāi)始在全美范圍物色在有機(jī)化學(xué)方面較為出色的科研人員時(shí)，因卡羅瑟斯在攻讀碩士和博士學(xué)位期間發(fā)表了非常有影響力的論文，而進(jìn)入到斯泰恩的視野。起初，卡羅瑟斯比較猶豫，在企業(yè)雖然可以做自己夢(mèng)寐以求的科研實(shí)驗(yàn)，但視野容易被束縛。在他依然徘徊不定的時(shí)候，杜邦的高管聽(tīng)說(shuō)了卡羅瑟斯的顧慮后親自來(lái)到哈佛大學(xué)，當(dāng)面向卡羅瑟斯保證：只要卡羅瑟斯能來(lái)杜邦，他就可以做自己感興趣的研究，并提供充足的科研經(jīng)費(fèi)和資源，同時(shí)向卡羅瑟斯支付高級(jí)科研人員2倍的薪水。杜邦公司的誠(chéng)意不可謂不堅(jiān)。1928年，卡羅瑟斯加入杜邦，在他加入后，杜邦專門為他招聘了數(shù)位化學(xué)博士并由他牽頭成立基礎(chǔ)化學(xué)研究所，由卡羅瑟斯擔(dān)任所長(zhǎng)。

卡羅瑟斯在杜邦公司正式“開(kāi)掛”。

高分子世界論短長(zhǎng)

合成纖維、合成橡膠和塑料，被稱為“3大有機(jī)合成材料”，是通過(guò)人工制得，都是由小分子聚合物聚合形成的高分子聚合物，其分子量往往要達(dá)到上萬(wàn)或數(shù)萬(wàn)。比如常見(jiàn)的聚乙烯就是若干個(gè)乙烯分子相連成一個(gè)很長(zhǎng)很長(zhǎng)的分子鏈，進(jìn)而形成的高分子聚合物。人體中如蛋白質(zhì)和雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）等就是天然的高分子聚合物，是構(gòu)成有機(jī)生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。言歸正傳，人類在很早的時(shí)候就已經(jīng)對(duì)天然纖維進(jìn)行了利用，如棉、麻、蠶絲等。隨著科技的進(jìn)步，在19世紀(jì)，人們對(duì)高分子聚合物有了初步的認(rèn)識(shí)，便開(kāi)始嘗試用人工合成的方法制造出人們想要的材料。到了卡羅瑟斯進(jìn)入杜邦公司的時(shí)候，許多人對(duì)高分子聚合物的微觀機(jī)理不甚了解，在他們看來(lái)，高分子聚合物與小分子的性質(zhì)則是完全不同，甚至還有人認(rèn)為高分子聚合物存在的真實(shí)性，因?yàn)楦叻肿泳酆衔镏械姆肿渔溄硬⒉皇且揽啃》肿娱g的作用力。然而，也有人提出了不同的觀點(diǎn)，德國(guó)著名的化學(xué)家赫爾曼·施陶丁格（Hermann Staudinger，見(jiàn)圖3）就堅(jiān)定地認(rèn)為：高分子聚合物中的分子鏈更像是女士佩戴的項(xiàng)鏈，將小分子相互聯(lián)系起來(lái)的應(yīng)該是化學(xué)鍵。而這是這一思想，施陶丁格因?yàn)樘岢隽恕按蠓肿印钡母拍睿@得了1953年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

施陶丁格的理論，無(wú)疑與卡羅瑟斯的設(shè)想不謀而合。他認(rèn)為，如果分子間的鏈接是靠化學(xué)鍵，那么就有可能通過(guò)人工合成的方法，將小分子變成高分子。但是，想法很容易，怎么做呢？設(shè)想有2個(gè)不同的分子，其中一個(gè)帶有A結(jié)構(gòu)，另外一個(gè)帶有B結(jié)構(gòu)，同時(shí)A和B可以在一定的條件下變成A—B結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)這2個(gè)分子在一定條件下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)變成一個(gè)分子。舉例說(shuō)明，一個(gè)乙酸（醋酸）分子和一個(gè)乙醇（酒精）分子在特定條件下發(fā)生反應(yīng)會(huì)生成一個(gè)大分子結(jié)構(gòu)——乙酸乙酯見(jiàn)（圖4），但這個(gè)大分子仍然不是聚合物。再如果，一個(gè)分子中帶有兩個(gè)A結(jié)構(gòu)，就是“AA”結(jié)構(gòu)，再與兩個(gè)B結(jié)構(gòu)分子的“BB”結(jié)構(gòu)相連，會(huì)是什么結(jié)果？假設(shè)2種物質(zhì)在數(shù)量相同的情況下，只要保證足夠量，那么2種物質(zhì)會(huì)一致反應(yīng)下去。舉例：用乙二酸與乙二醇反應(yīng)，生成的就是聚酯。聚酯就是高分子聚合物。然而，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，酸和醇的酯化反應(yīng)是可逆的，性能極其不穩(wěn)定。如何解決這個(gè)問(wèn)題，卡羅瑟斯在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然是百思不得其解。其實(shí)，卡羅瑟斯太關(guān)注分子間的鏈接機(jī)理，忽略了一個(gè)最簡(jiǎn)單的問(wèn)題，那就是酯化反應(yīng)的副產(chǎn)物。這個(gè)副產(chǎn)物就是——水。如果在反應(yīng)的同時(shí)，不斷地清理掉水，那么酯化反應(yīng)就不再是可逆反應(yīng)，會(huì)一直朝著預(yù)定方向反應(yīng)下去。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和改進(jìn)反應(yīng)設(shè)備，水的問(wèn)題終于得到解決。隨著分子量不斷地升高，材料的物理性能和機(jī)械性能也在不斷提高。讓卡羅瑟斯更加欣喜的是，通過(guò)除水的方法制得的聚酯可以拉成纖維，其強(qiáng)度和力學(xué)性能要遠(yuǎn)高于天然纖維中的棉纖維和蠶絲。這一發(fā)現(xiàn)，讓卡羅瑟斯感覺(jué)，人工合成纖維時(shí)代即將到來(lái)。

就像吳承恩《西游記》里的橋段一樣：九九八十一難，差一難都難得真經(jīng)。用上述方法制成的聚酯纖維熔點(diǎn)極低，甚至遇到熱水就會(huì)成團(tuán)，根本不能實(shí)用?？_瑟斯與團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)制備方法，甚至是更換原料，但依然解決不了這個(gè)問(wèn)題。終于，在卡羅瑟斯加入杜邦5年后的1933年，受杜邦公司的市場(chǎng)戰(zhàn)略決策影響，由卡羅瑟斯主持的人工合成纖維項(xiàng)目宣告失敗。這次失敗，讓卡羅瑟斯在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)都難以釋?xiě)?。筆者相信，如果再給卡羅瑟斯多一些時(shí)間，他就有可能通過(guò)試錯(cuò)的方法試到對(duì)苯二甲酸。多年后，英國(guó)化學(xué)家約翰·溫菲爾德（John Whinfield）和詹姆斯·迪克遜（James Dickson）正是用對(duì)苯二甲酸成功制得聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET），就是現(xiàn)在俗稱的“滌綸”。

正如歷史記載的那樣，卡羅瑟斯度過(guò)“八十一難”之后，終于沒(méi)有讓成功與自己失之交臂。怎么回事兒呢？就在卡羅瑟斯努力攻克其他高分子聚合物基礎(chǔ)技術(shù)的時(shí)候，他進(jìn)入杜邦公司的“伯樂(lè)”斯泰恩升職，接替斯泰恩職務(wù)的埃爾默·博爾頓（Elmer Bolton）成為杜邦公司研發(fā)部新的負(fù)責(zé)人。博爾頓認(rèn)為，合成纖維在未來(lái)仍舊會(huì)是最有潛力的市場(chǎng)之一。在他的堅(jiān)持下，卡羅瑟斯又回到了對(duì)合成纖維的研究工作中。

有了之前的經(jīng)驗(yàn)，卡羅瑟斯跳過(guò)了合成聚酯的酯化反應(yīng)，改用二元酸與胺，生成酰胺。酰胺，早在1806年就已經(jīng)被法國(guó)化學(xué)家沃克蘭與羅比奎特發(fā)現(xiàn)并成功合成，他們從蘆筍中提取分離出的一種氨基酸被稱為“天冬酰胺”。氨基酸分子反應(yīng)后相互彼此連接生成的物質(zhì)就是酰胺，正式蛋白質(zhì)形成的基礎(chǔ)?？_瑟斯距離“nylon”更近了。

選定了反應(yīng)初始材料，卡羅瑟斯依然按照之前的思路，讓2個(gè)胺結(jié)構(gòu)的二元胺分子與2個(gè)酸結(jié)構(gòu)的二元酸分子進(jìn)行反應(yīng)，或者直接讓2個(gè)氨基酸分子直接反應(yīng)（圖5）。實(shí)驗(yàn)證明，卡羅瑟斯的思路完全正確，最終得到了高分子聚合物的——聚酰胺，就是我們現(xiàn)在俗稱的“尼龍”。材料已然制出，接下來(lái)就要對(duì)材料的性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：聚酰胺的熔點(diǎn)明顯高于聚酯很多，且不溶于有機(jī)溶劑。之后，卡羅瑟斯又利用不同的氨基酸進(jìn)行聚合反應(yīng)，生成了多種聚酰胺。其中，用己二酸和己二胺制成的聚酰胺性能最高，且原材料易獲得，最終被杜邦公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，這就是以后著名的——尼龍66（圖6）。

最初，卡羅瑟斯并不知道被他合成出來(lái)的聚酰胺會(huì)被稱為“尼龍66”，當(dāng)時(shí)他為這種化合物取名為“纖維66（己二酸和己二胺都是有6個(gè)碳原子組成的碳環(huán)，“66”因此得名）”，但是這個(gè)名字連卡羅瑟斯自己都覺(jué)得“土得掉渣兒”。杜邦公司向化學(xué)界征集這種聚酰胺的名字。最終，“nylon”勝出，因?yàn)檫@個(gè)詞的發(fā)音與“no run（譯為：不跑線）”相似。

作為一代化學(xué)天才，卡羅瑟斯不僅成功合成了高分子纖維——尼龍，并將其實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；他還促成了第一種合成橡膠——氯丁橡膠的發(fā)明；1936年，卡羅瑟斯當(dāng)選美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士，成為美國(guó)化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域第一位獲此殊榮的科學(xué)家；卡羅瑟斯提出了富有真知灼見(jiàn)性的預(yù)測(cè)——卡羅瑟斯方程，即預(yù)測(cè)高分子聚合物分子量的方程，成為至今高分子科學(xué)專業(yè)學(xué)生的必修內(nèi)容。遺憾的是，由于長(zhǎng)期受到抑郁癥的困擾，1937年4月28日，過(guò)完41歲生日的卡羅瑟斯將自己關(guān)在費(fèi)城的一家旅館，默默喝下了放有氰化物的果汁，結(jié)束了自己的生命。

一位化學(xué)巨星就此隕落。

路易十四會(huì)不會(huì)復(fù)活？

卡羅瑟斯去世后的第2年，也就是1938年的10月，杜邦公司將尼龍66制成的絲襪向公眾面世，2年后在全美銷售 （圖7）。據(jù)說(shuō)，在一個(gè)小城，曾經(jīng)創(chuàng)下過(guò)3小時(shí)賣掉4 000雙尼龍絲襪的記錄，而全美更是在4天銷售400萬(wàn)雙這一“前無(wú)古人，后不知道有沒(méi)有來(lái)者”的驚人成績(jī)。

美國(guó)因?yàn)槟猃埖陌l(fā)明和國(guó)產(chǎn)化在戰(zhàn)略物資上不再受到日本的制約，這一點(diǎn)在第二次世界大戰(zhàn)期間極端重要。二戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)，恰逢杜邦公開(kāi)尼龍研制獲得成功，美國(guó)開(kāi)始著手進(jìn)行戰(zhàn)爭(zhēng)物資外銷，準(zhǔn)備狠狠地向參戰(zhàn)國(guó)橫敲一筆。這時(shí)，“不開(kāi)眼”的日本帝國(guó)海軍偷襲了珍珠港，美國(guó)被迫應(yīng)戰(zhàn)。尼龍就是從這個(gè)時(shí)候開(kāi)始，為美國(guó)贏得二戰(zhàn)勝利發(fā)揮了重要的作用。如軍裝、戰(zhàn)士軍襪、降落傘、飛機(jī)輪胎簾子布等戰(zhàn)爭(zhēng)物資都是由尼龍制成?？梢哉f(shuō)尼龍為盟軍二戰(zhàn)的最終勝利作出了巨大的貢獻(xiàn)。

前文提到，尼龍最早被民眾熟知是因?yàn)槟猃埥z襪的普及，那么如果這個(gè)消息被“太陽(yáng)王”路易十四知道的話，會(huì)不會(huì)從圣德尼大教堂里面的墓室中跳出來(lái)？這當(dāng)然是玩笑話。從現(xiàn)在法國(guó)許多博物館里面珍藏的有路易十四各時(shí)期的肖像油畫(huà)就可以看出，路易十四從小就是穿絲襪長(zhǎng)大的（圖8）。當(dāng)然，這不能說(shuō)路易十四就是“戀物癖”或變態(tài)。其實(shí)主要原因是因?yàn)?，路易十四身高不高，作為?dāng)時(shí)歐洲的“總瓢把子”，其國(guó)君是個(gè)“武大郎”確實(shí)“有傷風(fēng)化”。怎么辦？路易十四就穿短褲（穿短褲不是顯得腿長(zhǎng)嘛），但是一眾腿毛黑黢黢的多難看?。坑修k法，路易十四就讓御用服裝設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出了真絲長(zhǎng)筒襪，穿上之后既顯得美觀又能體現(xiàn)“大長(zhǎng)腿”。就這樣，當(dāng)路易十四穿著長(zhǎng)筒襪，踩著高跟鞋（據(jù)說(shuō)也是路易十四發(fā)明，身高爆發(fā)出的想象力）出現(xiàn)在所有王公大臣面前，還別說(shuō)，真不難看。之后，在歐洲的貴族圈子就刮起了“男人穿長(zhǎng)筒襪”的“時(shí)尚風(fēng)”。當(dāng)然，路易十四的趣聞只是關(guān)于絲襪的一段故事。但是，不能否認(rèn)，尼龍的發(fā)明確實(shí)給服裝產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的發(fā)展。

在尼龍66被卡羅瑟斯發(fā)明出來(lái)之后的幾十年，先后又出現(xiàn)了尼龍6、尼龍610、尼龍1010等用不同種類酸與胺等原材料生產(chǎn)的多種衍生品。

在我國(guó)，新中國(guó)建國(guó)后的第一批國(guó)產(chǎn)己內(nèi)酰胺（尼龍6）實(shí)驗(yàn)樣品是由遼寧省錦西（現(xiàn)在的遼寧省葫蘆島市）化工廠在1958年4月試制完成。再由當(dāng)時(shí)的北京纖維廠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。尼龍纖維的國(guó)產(chǎn)化，拉開(kāi)了新中國(guó)合成纖維工業(yè)的序幕。國(guó)產(chǎn)尼龍6的樣品是在錦西化工廠誕生，所以國(guó)產(chǎn)尼龍6又被稱為“錦綸”。錦綸對(duì)當(dāng)時(shí)新中國(guó)的國(guó)防建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

回顧尼龍纖維的誕生史，我們除了有感于路易十四的詼諧、尼龍之于我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的巨大貢獻(xiàn)外，更要記住和緬懷其發(fā)明人——卡羅瑟斯。

卡羅瑟斯的一生雖然短暫，但在這短暫的人生中所爆發(fā)出的光芒會(huì)永遠(yuǎn)照耀著全人類不斷地對(duì)科學(xué)進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)。