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添加硫黄后加热生橡胶,这种简单的操作即可使原本对温度极为敏感的橡胶变成极其稳定的物质,其中的奥妙在于橡胶分子间产生交联反应。
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前文提到橡胶分子为一条长链,内部各处存在双重碳键,而硫黄分子则是少数能与碳碳双键起化学反应的物质之一。在加热条件下,硫黄分子在不同橡胶分子之间形成类似桥梁的构造,从而使橡胶分子互相连接。
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源自植物的橡胶分子之间原本的连接键力量极弱,随着温度的上升,分子热运动速度变快,橡胶出现融化现象。硫黄分子可以使橡胶分子连接,形成耐热性良好的分子结构,这也是橡胶硫化技术的化学原理。
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交联反应示意图
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在交联反应的作用下,各橡胶分子结合成一个整体,强度、弹性、耐磨性、耐腐蚀性均有大幅提高。加大硫黄的投入比例就可以让更多的橡胶分子交联,从而得到更坚硬的橡胶。
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在橡胶硫化技术的飞跃性改良之下,橡胶的用途也飞速扩展。1866年,法国开发的夏塞波步枪也利用改良橡胶做的密封环提高子弹击发时的气密性,这种新型步枪的射程是旧式步枪的两倍以上,在后来的普法战争(1870—1871)中发挥了重要作用。
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硫化橡胶诞生伊始就成了推动历史前行的动力,借助橡胶的诞生而突破了速率制约阶段的领域不仅限于球类竞技运动和步枪。
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奇妙的材料:改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 橡胶引发的交通革命
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车轮被认为是人类历史上的伟大发明之一,因为很多发明是受到自然界固有事物的启发,但车轮完全来自人类的主观意识。放眼整个自然界,虽然栖息着为数众多的动物,但是没有任何一种动物以转动的方式行走。有些细菌用鞭毛或者细长的尾部移动,但是其结构更接近于螺旋桨。
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以车轮代步的效率要远远高于步行,凡是骑过自行车的读者肯定深有体会。可是,为什么自然界的生物没能进化出车轮呢?日本生物学家本川达雄(1948—)在《大象的时间,老鼠的时间》一书中指出:车轮需要平坦而坚硬的路面才能发挥作用。确实,车轮难以应对起伏过大的路面。高度超过轮径四分之一的台阶就会成为车轮无法逾越的障碍。遇到泥泞或者松软的沙地时,车轮也将进退两难。
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从整体上看,在自然界中找不到允许车轮发挥优势的地方。如果没有经过铺装的道路,车轮不过是无用之物。19世纪时,沥青道路尚未问世,世界各地只有沙石道路。木质车轮或者坚硬的橡胶车轮每次遇到微小的凹凸就会产生震动。如果震动幅度过大,就会给货物甚至车体造成损伤,因此车辆的行进速度难以提高。
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解决这一难题的人是英国兽医约翰·博伊德·邓禄普(1840—1921)。当时,他10岁的儿子希望“使三轮车跑得更快、更稳”。邓禄普灵机一动,想到了用充气轮胎吸收地面的凹凸不平之处带来的冲击的点子。于是,他就尝试着用充气橡胶管包裹三轮车木轮的外缘部分,没想到效果非常理想。
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约翰·博伊德·邓禄普
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由于改良后的效果深受好评,邓禄普立即申请了充气轮胎的专利,并于1889年在都柏林开设生产工厂。充气轮胎能够缓冲外力,彻底消除小凹凸、小石子带来的震动,顿时受到市场的热捧。在不到10年的时间里,充气轮胎就彻底替代了以前占据市场霸主地位的实心橡胶轮胎。在其后的岁月中,邓禄普公司历经曲折,业务范围不断扩大。
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说句公道话,邓禄普并非最早发明充气轮胎的人,早在1845年,英国人罗伯特·威廉·汤姆森(1822—1873)就已经开发出了充气轮胎。可惜那个时代汽车尚未发明,连自行车也只不过是刚刚问世,这个新发明丝毫没有用武之地。无论多么伟大的发明,如果生不逢时只能令人扼腕叹息。
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1908年,美国的福特T型汽车面市,在短短19年里就销售了1 500万辆,成为当时的热销产品,也为世界开启了汽车时代的新纪元。而橡胶成功量产正是汽车时代的奠基石,美国借此完善了社会基础设施,物流行业顿时进入了飞速发展的时代,并以此催生了众多产业。美国这个地域辽阔的国家,通过这次交通革命将全国各地更紧密地连接在一起,为美国经济腾飞奠定了基础。即使在今天,物流运输也需要借助橡胶轮胎的力量。橡胶轮胎为汽车产业提供了坚实的支持,其重要性毋庸置疑。
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自从橡胶硫化技术问世以来,在短短100多年的时间里,整个世界的面貌发生了天翻地覆的变化。对于橡胶诞生前的人们来说,恐怕连做梦都想象不到这样的世界。我们可以设想一下,假如橡胶树原产于欧亚大陆,那么整个世界又会是什么样呢?
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例如,在中国古代,有一群道士,为了配制出长生不老的灵药,他们用各种各样的物质炼丹。距今1 000多年前,以硫黄为成分的黑火药就是他们发明的。假如他们能获得橡胶的话,橡胶硫化技术很有可能提前1 000多年问世。
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1910年版T型福特汽车
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