书城科普读物扑朔迷离的化学宫殿(新编科技大博览·B卷)
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第28章 化学与工业(7)

现在,大部分的黑色布都是用硫化黑染的。人们使用最多的一种颜色是黑色,如:黑色的衣服、黑布伞、黑布鞋、黑线团、黑鞋带、女格呢、黑丝绒等等。硫化黑印染的布,过去容易发脆破损,那是由于硫原子在一定温度和湿度下氧化生成硫酸,使黑布发脆了。现在,人们在硫化黑染料中放进一种特殊物质,对硫原子产生抑制作用,这样黑布就不会发脆了。

人造染料中品种最多的要算偶氮染料了。近代石油、煤炭工业的兴起,带来了大量的苯、甲苯、二甲苯、萘蒽等。于是,以苯环为中心的化学研究蓬勃开展。偶氮染料时分子中含有2个、4个或6个以双键相连的氮原子,都为偶数,因此叫偶氮染料。偶氮染料具有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色,从浅到深,各色齐全。例如,红色的有刚果红、不褪红;黄色的有酒石黄、苯胺黄;蓝色的有锡利翠蓝、苯酚蓝黑;青色的有靛青染料;紫色的有泰尔紫、维多种亚紫等等。

染料大多是有机物,对于天然纤维和人造纤维有很大的亲着力。大部分染料都能溶于水,有一部分不溶于水,但经过一定的化学处理(如酸化、还原)后,也溶于水。

丝、毛的纤维是蛋白质高分子,它由几百个氨基酸分子组成。氨基酸有酸基,也有氨基。酸基显酸性,氨基显碱性,容易同酸性或碱性染料分子结合成盐。因此,丝、毛织品染色比较容易。

棉、麻纤维是中性的聚葡萄糖高分子。分子中没有易于和染料分子结合的基团,所以它需要用媒染剂做媒介,把染料牢牢地固着在纤维上,使棉、麻织物染色。此外,印染织物时间长了还会褪色,这与织物纤维内的气体有关。炎炎烈日下,当棉纤维还在棉铃中成长时,就已与空气中的气体原子(多数是氧原子)结合了。这种结合力极大,比现代任何一种染料的粘合力都大得多。因此,要想给加工成布的棉花染色,用染料原子来“驱逐”气体原子,是很困难的。如果把织物放在不断往外抽气的真空箱内,织物内的气体就会被清除得干干净净;再让织物从染料液通过,织物纤维就能十分有效地“抓住”染料。这样,原来需要好多小时印染的织物,在真空箱里只要零点几秒印染过程就可完成,而且染料可以浸透每个“死角”。这就叫“真空印染技术”。

这种真空印染机用两块光滑的不锈钢板把四个互相紧靠的胶辊两端闷死,真空泵不断从胶辊间的腔室中把空气抽出,清除在胶辊间移动的织物中的气体,织物通过密封装置进入染缸,绕过几只滚轴后就被充分染色了,这种方法每分钟可染200米布。

采用真空印染,不仅能提高运转速度,而且可以简化甚至取消纺织品印染前的准备工序,直接将织物从织机上取下来即可印染。

20世纪50年代后,新的绚丽鲜艳的染料不断涌现出来。

1956年,英国制成了一种活性染料,它染出的颜色格外鲜艳,又特别坚牢,不怕水洗、皂煮、热熨、摩擦等。原来,它的分子上有活泼的反应基团,能同棉、麻纤维中的羟基、丝、毛等蛋白质纤维中的氨基、合成纤维中的酰胺通过化学反应,产生新的有色化合物,使纤维染上色泽;它的号称“永不褪色”的阴丹士林染料还坚牢,在染料家族中独树一帜。

我国经过不断研究和试验,终于也研制成功这种活性染料,而且质量很好,品种也很全。目前已经大量使用活性染料来印染了。

成百种活性染料的出现,引起了染料工业的一场革命,前程未可限量。它染色范围广,价格不很贵,府绸、绸缎、呢绒、哔叽、灯芯绒等都能印染,色彩特别鲜艳。

人造纤维和天然纤维本质上差不多,也很容易染上颜色,因此,人造丝、人造棉像棉、麻、丝、毛一样都披上了绚丽的色彩。

可是,合成纤维的染色情况却大不相同。只有锦纶的分子同蛋白质有点相似,容易染上颜色。

丙纶、涤纶、氯纶等染色就困难了,因为染料、媒染剂都粘附不上它们,所以人们只好在喷丝前将染料混在原料里,喷出带色的丝,使织物有颜色。

丙纶(聚丙烯纤维)没有能同染料相结合的基团,而分子排列又非常整齐,用各种染色方法难使它的纤维着色。人们在制造丙纶前,将聚丙烯粉末混合镍的化合物,制成金属改性的聚丙烯纤维,再用一种新的丙纶染料,进行分散性染色。

新的合成纤维不断出现,对染料不断提出新的要求。未来染料的性能将更加多样化,色彩将更加艳丽。

染料工业发展到现在,不仅有给纺织品染色的染料,还有专门用于生物学和医学研究用的染料。有液晶染料、激光染料、变色染料、感光染料半导体染料等,在尖端科学和工业、农业生产中都有广泛的应用。染料除了染色以外,还有着许多奇妙的用途。

在日常生活中,红蓝墨水、彩色纸、复写纸、圆珠笔等,都要用到染料。

人造的染料像刚果红、甲基红、甲基紫、百里香酚等,都有变色的本领,人们利用它们的这种特性来充当指示剂。许多染料在不同的酸、碱溶液中会呈现出不同的颜色,可用来指示化学的反应。有些人造染料在不同温度下也有变色的本领,人们利用这种特性,把染料涂在机器上,从颜色的变化可察知机器温度的高低,及时处理,以免机器损坏。例如,有一种染料玫瑰红,在30℃以上呈红色,30℃以下变成蓝色;有的染料在常温下是紫色的,升高到44℃时,就变成白色了。可利用这些性质制造示温涂料。

有些染料经过紫外线照射后,晚上就会闪闪发光。如果用这种染料来书写指路牌、电影院座位的号码,不用灯光也可以使人一目了然,省了许多麻烦。用这种染料画舞台背景,在灯光和紫外线灯照射下,能够使舞台上的景物千变万化,时而金光灿灿,时而荧光闪闪,使剧情和场景融成一体。

在飞机场、码头、大型工地上,发号人员的衣服和旗子,用发光染料来染色,在晚上指挥工作就很顺利。

彩色电影的胶片上,分别涂有对红光、绿光、蓝光敏感的感光层三层,在每一层感光层上,都涂有不同的染料。由于红、绿、蓝是光的三种原色,把这三种原色按不同的比例调配,就可以变化出各种各样的色彩来。

染印法是洗印电影拷贝的新技术。它根据彩色套印的原理,把彩色底片用分色的方法制成三条浮雕片,再用红、绿、黄三种补色染料染色,然后叠印到空白片上形成彩色图像。

人造染料还能给人治病,不少染料是良药。例如,红汞、紫药水,既是消毒药物,也是染料。外科医生常用的消毒剂雷佛奴尔,也是一种黄色染料;另一种黄色染料苦味酸,可以用来治烧伤。人造染料刚果红,用做止血剂,可以加速伤口的凝结。人造染料酚酞,常常用来做泻药。阿的平、百浪多息等既是染料,也是药物。人造染料还用来诊断肾脏的功能:将一种染料从静脉注入,然后观察病人2小时内小便的颜色、多少,就可知道肾脏功能是否正常:人造染料在工农业生产的其他领域还有许多其他的用途,它丰富和改善了我们的生活。

人造纤维的发明

1644年,英国科学家罗伯特。胡克撰文说人类应该能够仿效蚕蛾产丝的工序。但是,胡克并没有沿着这一思路继续深入下去。

走近这一问题的发明家是英国科学家约瑟夫。斯旺。1883年,他正在进行那项令人们日后回想起他的发明—电灯泡。他尝试种种供灯泡发电用的灯丝材料。他得出结论,如果把硝酸纤维1935年2月,卡罗瑟斯和希尔发明了尼龙,从此尼龙制品备受女性钟爱。素和醋酸混合,然后将混合物从一系列微小孔眼中“挤压出来”,或者说强迫其流出,就能制造出纤维。

斯旺本人并没有认识到他的新纤维的重要性,仍继续自己在灯泡发明方面的研究。但与此,法国的坎特·希拉勒·德·查东内特也在通过孔眼挤出硝酸纤维素,来制造一种连续的细丝。查东内特称他的纤维是“人造丝”。后来它以“人造纤维”而闻名于世。

从20世纪40年代起。“人造纤维”逐渐被多方面适用的合成纤维尼龙所取代。它是华莱士·Η·卡罗瑟斯领导的杜邦公司的一个小组发明的。尼龙得到了广泛的应用:从绳索到船帆,从长统袜到捕鱼网。

现在也将尼龙制造成固体类型,以形成薄层材料和模塑品。在这种类型中,尼龙被用来制造许多不同的物品,诸如齿轮和电线绝缘材料等。

塑料的发明

一个摄影师在暗房里的实验导致了最初的塑料的产生。亚历山大,帕克斯有许多爱好,摄影是其中之一。19世纪时,人们还不能够像今天这样购买现成的照相胶片和化学药品,必须经常自己制作需要的东西。所以每个摄影师同时也必须是一个化学家。

摄影中使用的材料之一是“胶棉”,它是一种“硝棉”溶液,亦即在酒精和醚中的硝酸盐纤维素溶液。当时它被用于把光敏的塑料制品化学药品粘在玻璃上,来制作类似于今天照相胶片的同等物。

在19世纪50年代,帕克斯查看了处理胶棉的不同方法。一天,他试着把胶棉与樟脑混合。使他惊奇的是,混合后产生了一种可弯曲的硬材料。帕克斯称该物质为“帕克辛”,那便是最早的塑料。

帕克斯用“帕克辛”制作出了各类物品:梳子、笔、钮扣和珠宝印饰品。然而,帕克斯没有太多商业意识,并且还在自己的商业冒险上赔了钱。

继续发展帕克斯的成果并从中获利就留给其他发明家去做了。约翰·韦斯利·海亚特这个来自纽约的印刷工在1868年看到了这个机会,当时一家制造台球的公司抱怨象牙短缺。海亚特改进了制造工序,并且给了“帕克辛”一个新名称—“赛璐珞”(假象牙)。他从台球制造商那里得到了一个现成的市场,并且不久后就用塑料制作出各种各样的产品。

早期的塑料容易着火,这就限制了用它制造产品的范围。第一个能成功地耐高温的塑料是“贝克莱特”(即酚酣塑料)。利奥·贝克兰德在1909年获得了该项专利。

化学杀虫剂的发明

凡是种植农作物的人都知道害虫所带来的一系列问题,尤其是那些吃掉叶子和果实的害虫。

从古罗马时代以来,农民们就尝试着用杀虫剂与虫害作斗争。在20世纪,科学家们寻找着一种能用于大规模农业生产的真正强有力的杀虫剂。

1939年,发生了一个突破。当时瑞士科学家保罗·料勒发现,一种叫做“DDT”(二氯二苯三氯乙烷)的化学药品是强有力的杀虫剂。在瑞士,人们用DDT来防治科罗拉多土豆甲虫,也用它来消灭传播疟疾的蚊子。在第二次世界大战期间,经证明DDT在保护军队、防备害虫所带来的疾病方面也是有效的。

DDT是一种浓烈的、持续长久的毒药,但害虫逐渐产生了一种对它的耐药性。到了20世纪50年代,药的用量必须要双倍才行。这个情况意味着化学药品对人类也形成了一种威胁。

许多西方国家现在禁止使用DDT,但它仍在其他地区使用,例如用于防治传播疟疾的害虫。在那些地区,对它给人类健康所带来的好处的考虑超过了对其弊端的考虑。

使用DDT的实践表明,化学杀虫剂尽管强有力,但当它们进入食物链时就会是危险的。20世纪50年代和60年代常对农田进行大面积的喷射,但现在农民们对使用化学药品已谨慎得多了。

今天,许多园林工人正在重新用天然的、植物衍生的化学药品去杀死害虫,例如“除虫菊杀虫剂”这类取自菊花的杀虫剂。

燃料电池

燃料电池主要由燃料、氧化剂、电极、电解液组成。使用的燃料非常广泛,如氢、甲醇、液氨、烃等。燃料电池和一般电池类似,都是通过电极上的氧化—还原反应使化学能转换成电能。但一般电池内部的反应物质消耗完后就不能继续供电,而燃料电池因为反应物质贮存在电池外,只要燃料和氧化剂不断输入电池,就能源源不断地发电。随着这项技术的改进,燃料电池有可能代替火力发电,形成强大的燃料电池发电网。

燃料电池是直接将化学能转变成电能的一种新型发电装置,它热损耗小,发电效率可达40—60%,比火力发电高出5—20%。此外,燃料电池除利用排热再发电外,还可以生产蒸汽或热水,因此它的综合效率可达80%左右,并可实现城市热电联供。

美国是世界上发展燃料电池最快的国家,目前至少有23台燃料电池机组在发电,总装机容量已达11兆瓦。美国开发燃料电池的重点是提高燃料利用率和降低燃料电池的生产费用及发电成本。最近,美能源部又研制成功一种陶瓷燃料电池,这种电池将液体或气体燃料放在两块波纹状陶瓷片里面,使燃料同氧化剂直接进行化学反应产生电流,因而可免除一般燃料电池所需的燃料箱。它同内燃机或其他燃料电池比较,释放的功率高2倍,发电效率达55—60%。

最近,美国贝尔通讯研究公司开发出一种用燃料——煤气作电源的电池。这种电池又轻又薄,却能比普通电池产生更大的电力。该电池的设计是在2个作为电极的白金薄片中间,夹上一层厚度小于五千亿分之一米、由氧化铝薄片做的煤气渗透薄膜。能量产生的过程是电化学反应的过程,当电池将氢和氧转化为水时,就释放出电力。初步测试显示,它能用1公斤的煤气产生1000瓦的电力。这种电池轻薄方便,充电也方便——只需更换煤气胶囊,它是电池开发研究的一个新产品。但是,这种电池目前的成本太高,还不能推广至商业用途。