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    2. 從手寫家書到高速鐵路,化工科技如何改變城市生活

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      1949年5月27日,上海解放。

      這是當時遠東地區最大的城市,僅僅600多平方公里的地面上,居住了超過500萬人口[1],具備現代城市應有的各種基礎設施。

      然而,當年的上海不過是一枝獨秀。70年之后,同樣這片土地上,超過500萬人口的特大城市已經達到了13座。如果對比百萬人口大城市,更是從解放之初的不到十座,增加到現在的近150座。可以說,建國以來,我們創造出了城市化的奇跡。

      城市化,是現代社會最顯著的特征之一,背后的推動力卻是工業化,化學工業,尤其功不可沒。


      純堿——讓城市建設起來

      就在上海解放的同一時期,遠在萬里之外的印度,一名中國人收到了一封不尋常的信件。

      他就是侯德榜,抗日戰爭期間,他發明的“侯氏制堿法”轟動了全世界。此刻,他正在猶豫,自己究竟是該回祖國還是在印度接受一份高薪崗位,而他收到的這份信件,打消了他所有的疑慮,立即坐上輪船,踏上回國的路程。

      侯德榜研制的“侯氏制堿法”,產品叫做碳酸鈉,因為有一定的堿性,也被稱為純堿,生活中常被叫做蘇打。它還有個近親叫小蘇打,學名碳酸氫鈉,經常被用在蘇打水里。

      蘇打和小蘇打之間的化學反應,就構成了制堿法里的關鍵工藝。在侯氏制堿法之前,最常用的制堿方法是由比利時人索爾維發明出來的索氏制堿法。這個制堿方法讓索爾維本人成為世界上最富有的幾個人之一,讓他有財力舉辦高端學術會議——他所創辦的“索爾維會議”總是能邀請到包括愛因斯坦、居里夫人在內的最頂尖科學家。

      但侯德榜并沒有這樣的機會。

      這并非是他的技術不先進,事實上,經過改進之后,侯氏制堿法對原料的利用效率遠超索氏制堿法,得到的純堿品質也有所提升。

      可是,身在積貧積弱的舊中國,他的目標,只是生產出滿足居民基本生活的純堿,比如用作肥皂的原料,賺錢對他來說并不輕松。

      新中國成立以后,百廢待興,殘破的小城鎮更是需要進行大規模的整修擴建。

      城市建設,最離不開的是硅酸鹽工業,更具體來說,就是磚瓦、砂石、玻璃和水泥這些產品。對于現代城市而言,尤以玻璃和水泥更為關鍵。

      如果沒有玻璃,窗戶就找不到合適的透光材料,紙糊的窗戶,不只是看不清窗外的景色,耐久性更成問題。

      如果沒有水泥,城市建設更是無從談起,高樓大廈、道路橋梁,如果不用水泥,現代城市就只能停留在規劃圖上。

      然而,玻璃和水泥雖然都屬于硅酸鹽材料,但制造它們的核心原料卻是屬于碳酸鹽的純堿。這主要是因為,硅酸鹽的熔融溫度高,直接加工非常困難,而碳酸鈉是最適合的助熔劑。早在兩千多年前,地中海地區的先民能夠率先發明出玻璃,就和當地水域盛產蘇打有很大關系。

      但是自然界的蘇打遠遠不足以支撐城市建設的需求,特別是一個擁有4億多人口的國家,正整裝待發,準備擼開袖子大舉建設,人工合成碳酸鈉是必由之路。

      侯德榜深諳化學工業之道,自然也就明白這個道理。于是,在獲知自己辛苦打造的純堿工廠能夠得到新政府的支持之后,他義無反顧地回到了國內。

      于是,這一年,城市建設,有了最基本的工具。


      化肥——讓餐桌鮮活起來

      建設中的城市,需要大量的人力;建成之后的城市,更需要大量的人口來維持各種系統的運轉。

      這個最基本的邏輯,限制了古代政體建設大城市的可能性。一座一百萬人口的巨大城市,也就意味著這么多人不事農業生產,吃飯問題完全靠城市以外的農民解決。人類又是一種嬌氣的生物,只靠干糧也活不下去。所以,城市里的餐桌還要鮮活起來。

      換句話說,要想讓城市運轉起來,就先要提高農村的生產力,讓每一畝農田都能產出更多的糧食和蔬菜。

      在兩百年前,這還只是癡人說夢,因為農業生產,單產有限,靠天吃飯,一年的辛苦勞作,一畝三分地還是只能收那么點糧食。

      植物生長需要很多種化學元素的共同配合,而且它們的作用不能互相替代。換句話說,如果一種元素太缺乏,那么其他元素再豐富,植物也還是沒有辦法生長。這個并不深奧的道理,是德國農業化學家李比希最早提出的,他還因此用木桶打了個比方,從此有了我們熟悉的木桶原理。

      在自然界,植物這個木桶的短板元素是氮、磷和鉀,其中氮元素最難解決,因為自然界至少有磷礦和鉀礦,氮的來源只能寄希望于氮氣,可是絕大多數植物都不能吸收氮氣。

      改變這一切的是合成氨技術。

      氨是氮氣和氫氣反應之后的產物,但是這個看似簡單的化學反應并不是很容易發生,為了尋找合適的辦法,人類嘗試了150年之久。有了氨氣,就可以很方便地生產各類氮肥,農作物缺氮的問題就解決了。

      發明合成氨技術的,是李比希的同胞哈伯,他也是一位響當當的化學家。哈伯又把技術交給了德國著名的化工廠巴斯夫(BASF),由巴斯夫的科學家博施研究合成氨技術的工業化。最后,這項技術獲得成功,哈伯和博施也先后因此斬獲諾貝爾化學獎。

      ↑↑ 由Carl Bosch開發的合成氨高壓反應器。現在這座屬于“合成氨”的紀念碑依然矗立在巴斯夫總部德國路德維希港。


      諾貝爾獎因為同一技術頒發兩次獎項是很罕見的,但是對于合成氨來說,這或許還不夠,因為它讓人類的饑荒問題變得可控。如果沒有合成氨以及后續的化肥,當今世界的人口或許會減少一半,巨型城市的運轉更是無從談起。

      同樣的問題,也擺在新中國的新城市面前。

      1957年,侯德榜主持了中國的化肥產業,合成氨工業在中國也遍地開花,并且積極地從國外引進設備。于是,史書上隔三差五的饑荒,終于慢慢地遠去,城市也得以供養更多的人口。

      值得多說一點的是,侯德榜主持化肥生產,可以說是最佳人選。不管是他的侯氏制堿法,還是此前的索氏制堿法,都需要用到氨氣,因此合成氨和純堿工業,一直都是姊妹產業。實際上,合成氨技術之所以會在巴斯夫生根發芽,也是因為純堿就是巴斯夫的主業之一。BASF這四個字母中,B代表的是工廠所在地巴登,F是工廠,中間的A和S,分別就是苯胺和純堿。


      化纖——讓市民靚麗起來

      說起苯胺,就不得不說起現代城市里的靚麗多彩,這體現在每個人的穿著之上。

      苯胺能夠和純堿相提并論,其中很重要的原因在于,它是用于合成染料的重要原料,這又是一類改變世界的化工產品。

      在合成染料發明前,昂貴的天然染料只有少數人才能負擔得起。從茜素、亞甲藍到靛藍,巴斯夫不斷創造新的合成染料使人們的生活更加豐富多彩。

      不過,染料要想裝點城市生活,還需要一個載體,那就是纖維。

      1971年,毛澤東主席在視察上海期間發生了一件事,幾名專列乘務員為了購買一種被稱為的確良的服裝面料,差點誤了火車出發的時間。

      這件事讓中央十分重視。

      的確良是一種化學纖維,它的學名叫聚對苯二甲酸乙二醇酯,簡稱聚酯纖維,通常也被稱為滌綸。因為商品名稱翻譯的原因,粵語稱它為的確靚,后來全國流行開來,就稱它為的確良。

      它不同于當時的棉麻粗布,做出來的衣服不容易皺,而且還可以很好地上色,也不容易褪色,穿在身上,又精神又好看。

      在上世紀六七十年代,的確良是城市時尚的風向標,只有大都市上海,才有可能在服裝店買到這種面料,這也就發生了主席專列上的一幕。

      毫無疑問,我們的城市還不夠美麗。

      次年,在周恩來總理的直接負責之下,一項旨在從國外引進大規模化纖生產裝置的計劃徐徐展開,除了滌綸以外,還有尼龍、腈綸、維尼綸等材料。和滌綸一樣,這些材料也都是現代生活中十分重要的服裝原料:尼龍,學名聚酰胺纖維,國內也叫錦綸,它做成的尼龍襪,至今還是城市中最靚麗的風景線之一;腈綸學名聚丙烯腈,還有人造羊毛的雅稱,它蓬松柔軟,最適合做成地毯;維尼綸學名聚乙烯醇縮甲醛,也叫人造棉,雖樸實,卻不是那么無華。

      尼克松訪華的巨大效應,促使了中國和西方國家之間的商業活動更容易開展,德國、法國、荷蘭等國的化工企業紛紛展開交流,先進技術變得不再遙遠。因此,引進技術裝置,無論是規模還是速度,都比想象中更超前,上海金山、重慶長壽、天津大港……一大批工廠破土新建,多年后,化纖已不再是需要排隊才能購買。

      于是,城市的色彩不再單調。

      以聚氨酯為代表的高性能材料——讓城市智慧起來

      在引進化工技術裝置的熱潮期間,1982年,位于大西北地區的甘肅省白銀市,發生了一件看似并不起眼的事情。還是前面說到的巴斯夫,和中國兵器集團達成了一份合作協議,計劃輸出一套TDI生產裝置,在白銀投產。

      TDI的學名叫甲苯二異氰酸酯,它的主要應用領域,就是合成聚氨酯材料。聚氨酯和纖維一樣,也是一種聚合物材料,但是它特別的性能,讓它成為一種具有重要象征的現代智能材料。

      白銀的這套TDI設備,開啟了中國的聚氨酯產業,因而這里也被稱為中國聚氨酯的搖籃。

      聚氨酯聽起來有些陌生,但它作為一種高性能新材料,早就已經應用在我們生活的方方面面了,從室內的墻面漆、地板漆,到室外的保溫材料、防水材料,再到鞋底、泳衣等等,它都可以勝任,足可以稱得上是一種智能材料。

      之所以會有這樣的特點,就要從結構方面說起了。

      聚氨酯的合成原料主要是兩類:一類是TDI以及它的很多親戚MDI、IPDI等等,它們都屬于二異氰酸酯,它們提供反應活性很高的異氰酸酯官能團;另一類則是帶有多個羥基的各類多元醇物質,從最簡單的乙二醇,到長鏈的聚醚多元醇、聚酯多元醇,都可以作為反應原料。對于工程師來說,這兩類原料的結構都是可以調節的,它們的比例也是可以調節的,于是,合成材料的自由度極大程度地增加了——親水還是親油,剛性還是柔性,一切都盡在掌握之中。

      于是,我們再來看聚氨酯材料的時候,盡管不同類型,無論是外觀或者性能都有很大區別,但是它們的確是同一類材料。這種多變的性格,讓它成為智慧城市時代的寵兒,也在重塑著現代城市。

      例如高鐵,其實也離不開聚氨酯的保駕護航, 200~350km/h 的運行速度,從運行的安全性和乘坐舒適性上都對高鐵的基礎建設和車廂設備提出了更嚴苛的要求: 耐磨、抗腐蝕、抗風化的聚氨酯Elastocoat?防水膜,可保護軌道不受振動和強降雨影響,從而提高列車的運行安全,同時降低后期的維護成本。雙組份的聚氨酯系統ElastoTrack?,可用于穩定鐵軌路基上松散的道砟碎石,緩沖列車的壓力,從而減少乘客的顛簸感。

      再比如,海綿城市也是城市更“智慧”的象征。雖然這個理念聽起來很簡單,就是讓城市可以像海綿一樣吸水,但是真要做起來,可沒有那么輕松。

      城市內澇問題是現代城市的通病,最核心的原因在于,水滲透到地下的速度太慢。要想營造海綿城市,那就得找到一種具有吸水并且還能快速滲透的材料。

      聚氨酯Elastopave?就可以滿足要求。它通過粘合礦物材料,形成多孔的透氣材料,鋪成的路面,每平方米每小時就可以吸收4000升雨水。夏季相比于傳統瀝青路面可降低地表溫度達10°C。如今,它已經在很多城市得到了應用。

      ↑↑ 杭州西湖景區的莫干山路鋪設了采用巴斯夫 Elastopave? 聚氨酯粘合劑系統的透氣透水路面


      70年,中國的城市化突飛猛進,城市的規模越來越大,城市的魅力也越來越強。從建設到運轉,從外在的美麗到內在的智慧,化學工業為城市化做出了不可磨滅的貢獻。

      我們每個人,未必是城市建設的參與者,但一定會是智慧城市的見證者。可以肯定的說,未來的城市,依然離不開的化學工業的支持,當你走在街道上,看到一盞盞太陽能電燈時,或許會注意到那些藍紫色的硅晶片;當你發現年年翻修的道路,路面居然已經不再龜裂的時候,可能也會想到這是自愈性材料的功勞;當你再也聽不到汽車的轟鳴,不必忍受無盡的尾氣時,大概也能感受到,這是因為有了更多鋰電池作為動力的汽車。毫無疑問,無論是在過去、今天還是未來,化學創新推動著城市發展、讓城市生活更美好。


      [1] 徐群, 上海城市化進程對農業發展的影響研究(1949年至今) 南京農業大學博士論文

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