从手写家书到高速铁路,化工科技如何改变城市生活

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1949年5月27日,上海解放。

这是当时远东地区最大的城市,仅仅600多平方公里的地面上,居住了超过500万人口[1],具备现代城市应有的各种基础设施。

然而,当年的上海不过是一枝独秀。70年之后,同样这片土地上,超过500万人口的特大城市已经达到了13座。如果对比百万人口大城市,更是从解放之初的不到十座,增加到现在的近150座。可以说,建国以来,我们创造出了城市化的奇迹。

城市化,是现代社会最显著的特征之一,背后的推动力却是工业化,化学工业,尤其功不可没。


纯碱——让城市建设起来

就在上海解放的同一时期,远在万里之外的印度,一名中国人收到了一封不寻常的信件。

他就是侯德榜,抗日战争期间,他发明的“侯氏制碱法”轰动了全世界。此刻,他正在犹豫,自己究竟是该回祖国还是在印度接受一份高薪岗位,而他收到的这份信件,打消了他所有的疑虑,立即坐上轮船,踏上回国的路程。

侯德榜研制的“侯氏制碱法”,产品叫做碳酸钠,因为有一定的碱性,也被称为纯碱,生活中常被叫做苏打。它还有个近亲叫小苏打,学名碳酸氢钠,经常被用在苏打水里。

苏打和小苏打之间的化学反应,就构成了制碱法里的关键工艺。在侯氏制碱法之前,最常用的制碱方法是由比利时人索尔维发明出来的索氏制碱法。这个制碱方法让索尔维本人成为世界上最富有的几个人之一,让他有财力举办高端学术会议——他所创办的“索尔维会议”总是能邀请到包括爱因斯坦、居里夫人在内的最顶尖科学家。

但侯德榜并没有这样的机会。

这并非是他的技术不先进,事实上,经过改进之后,侯氏制碱法对原料的利用效率远超索氏制碱法,得到的纯碱品质也有所提升。

可是,身在积贫积弱的旧中国,他的目标,只是生产出满足居民基本生活的纯碱,比如用作肥皂的原料,赚钱对他来说并不轻松。

新中国成立以后,百废待兴,残破的小城镇更是需要进行大规模的整修扩建。

城市建设,最离不开的是硅酸盐工业,更具体来说,就是砖瓦、砂石、玻璃和水泥这些产品。对于现代城市而言,尤以玻璃和水泥更为关键。

如果没有玻璃,窗户就找不到合适的透光材料,纸糊的窗户,不只是看不清窗外的景色,耐久性更成问题。

如果没有水泥,城市建设更是无从谈起,高楼大厦、道路桥梁,如果不用水泥,现代城市就只能停留在规划图上。

然而,玻璃和水泥虽然都属于硅酸盐材料,但制造它们的核心原料却是属于碳酸盐的纯碱。这主要是因为,硅酸盐的熔融温度高,直接加工非常困难,而碳酸钠是最适合的助熔剂。早在两千多年前,地中海地区的先民能够率先发明出玻璃,就和当地水域盛产苏打有很大关系。

但是自然界的苏打远远不足以支撑城市建设的需求,特别是一个拥有4亿多人口的国家,正整装待发,准备撸开袖子大举建设,人工合成碳酸钠是必由之路。

侯德榜深谙化学工业之道,自然也就明白这个道理。于是,在获知自己辛苦打造的纯碱工厂能够得到新政府的支持之后,他义无反顾地回到了国内。

于是,这一年,城市建设,有了最基本的工具。


化肥——让餐桌鲜活起来

建设中的城市,需要大量的人力;建成之后的城市,更需要大量的人口来维持各种系统的运转。

这个最基本的逻辑,限制了古代政体建设大城市的可能性。一座一百万人口的巨大城市,也就意味着这么多人不事农业生产,吃饭问题完全靠城市以外的农民解决。人类又是一种娇气的生物,只靠干粮也活不下去。所以,城市里的餐桌还要鲜活起来。

换句话说,要想让城市运转起来,就先要提高农村的生产力,让每一亩农田都能产出更多的粮食和蔬菜。

在两百年前,这还只是痴人说梦,因为农业生产,单产有限,靠天吃饭,一年的辛苦劳作,一亩三分地还是只能收那么点粮食。

植物生长需要很多种化学元素的共同配合,而且它们的作用不能互相替代。换句话说,如果一种元素太缺乏,那么其他元素再丰富,植物也还是没有办法生长。这个并不深奥的道理,是德国农业化学家李比希最早提出的,他还因此用木桶打了个比方,从此有了我们熟悉的木桶原理。

在自然界,植物这个木桶的短板元素是氮、磷和钾,其中氮元素最难解决,因为自然界至少有磷矿和钾矿,氮的来源只能寄希望于氮气,可是绝大多数植物都不能吸收氮气。

改变这一切的是合成氨技术。

氨是氮气和氢气反应之后的产物,但是这个看似简单的化学反应并不是很容易发生,为了寻找合适的办法,人类尝试了150年之久。有了氨气,就可以很方便地生产各类氮肥,农作物缺氮的问题就解决了。

发明合成氨技术的,是李比希的同胞哈伯,他也是一位响当当的化学家。哈伯又把技术交给了德国著名的化工厂巴斯夫(BASF),由巴斯夫的科学家博施研究合成氨技术的工业化。最后,这项技术获得成功,哈伯和博施也先后因此斩获诺贝尔化学奖。

↑↑ 由Carl Bosch开发的合成氨高压反应器。现在这座属于“合成氨”的纪念碑依然矗立在巴斯夫总部德国路德维希港。


诺贝尔奖因为同一技术颁发两次奖项是很罕见的,但是对于合成氨来说,这或许还不够,因为它让人类的饥荒问题变得可控。如果没有合成氨以及后续的化肥,当今世界的人口或许会减少一半,巨型城市的运转更是无从谈起。

同样的问题,也摆在新中国的新城市面前。

1957年,侯德榜主持了中国的化肥产业,合成氨工业在中国也遍地开花,并且积极地从国外引进设备。于是,史书上隔三差五的饥荒,终于慢慢地远去,城市也得以供养更多的人口。

值得多说一点的是,侯德榜主持化肥生产,可以说是最佳人选。不管是他的侯氏制碱法,还是此前的索氏制碱法,都需要用到氨气,因此合成氨和纯碱工业,一直都是姊妹产业。实际上,合成氨技术之所以会在巴斯夫生根发芽,也是因为纯碱就是巴斯夫的主业之一。BASF这四个字母中,B代表的是工厂所在地巴登,F是工厂,中间的A和S,分别就是苯胺和纯碱。


化纤——让市民靓丽起来

说起苯胺,就不得不说起现代城市里的靓丽多彩,这体现在每个人的穿着之上。

苯胺能够和纯碱相提并论,其中很重要的原因在于,它是用于合成染料的重要原料,这又是一类改变世界的化工产品。

在合成染料发明前,昂贵的天然染料只有少数人才能负担得起。从茜素、亚甲蓝到靛蓝,巴斯夫不断创造新的合成染料使人们的生活更加丰富多彩。

不过,染料要想装点城市生活,还需要一个载体,那就是纤维。

1971年,毛泽东主席在视察上海期间发生了一件事,几名专列乘务员为了购买一种被称为的确良的服装面料,差点误了火车出发的时间。

这件事让中央十分重视。

的确良是一种化学纤维,它的学名叫聚对苯二甲酸乙二醇酯,简称聚酯纤维,通常也被称为涤纶。因为商品名称翻译的原因,粤语称它为的确靓,后来全国流行开来,就称它为的确良。

它不同于当时的棉麻粗布,做出来的衣服不容易皱,而且还可以很好地上色,也不容易褪色,穿在身上,又精神又好看。

在上世纪六七十年代,的确良是城市时尚的风向标,只有大都市上海,才有可能在服装店买到这种面料,这也就发生了主席专列上的一幕。

毫无疑问,我们的城市还不够美丽。

次年,在周恩来总理的直接负责之下,一项旨在从国外引进大规模化纤生产装置的计划徐徐展开,除了涤纶以外,还有尼龙、腈纶、维尼纶等材料。和涤纶一样,这些材料也都是现代生活中十分重要的服装原料:尼龙,学名聚酰胺纤维,国内也叫锦纶,它做成的尼龙袜,至今还是城市中最靓丽的风景线之一;腈纶学名聚丙烯腈,还有人造羊毛的雅称,它蓬松柔软,最适合做成地毯;维尼纶学名聚乙烯醇缩甲醛,也叫人造棉,虽朴实,却不是那么无华。

尼克松访华的巨大效应,促使了中国和西方国家之间的商业活动更容易开展,德国、法国、荷兰等国的化工企业纷纷展开交流,先进技术变得不再遥远。因此,引进技术装置,无论是规模还是速度,都比想象中更超前,上海金山、重庆长寿、天津大港……一大批工厂破土新建,多年后,化纤已不再是需要排队才能购买。

于是,城市的色彩不再单调。

以聚氨酯为代表的高性能材料——让城市智慧起来

在引进化工技术装置的热潮期间,1982年,位于大西北地区的甘肃省白银市,发生了一件看似并不起眼的事情。还是前面说到的巴斯夫,和中国兵器集团达成了一份合作协议,计划输出一套TDI生产装置,在白银投产。

TDI的学名叫甲苯二异氰酸酯,它的主要应用领域,就是合成聚氨酯材料。聚氨酯和纤维一样,也是一种聚合物材料,但是它特别的性能,让它成为一种具有重要象征的现代智能材料。

白银的这套TDI设备,开启了中国的聚氨酯产业,因而这里也被称为中国聚氨酯的摇篮。

聚氨酯听起来有些陌生,但它作为一种高性能新材料,早就已经应用在我们生活的方方面面了,从室内的墙面漆、地板漆,到室外的保温材料、防水材料,再到鞋底、泳衣等等,它都可以胜任,足可以称得上是一种智能材料。

之所以会有这样的特点,就要从结构方面说起了。

聚氨酯的合成原料主要是两类:一类是TDI以及它的很多亲戚MDI、IPDI等等,它们都属于二异氰酸酯,它们提供反应活性很高的异氰酸酯官能团;另一类则是带有多个羟基的各类多元醇物质,从最简单的乙二醇,到长链的聚醚多元醇、聚酯多元醇,都可以作为反应原料。对于工程师来说,这两类原料的结构都是可以调节的,它们的比例也是可以调节的,于是,合成材料的自由度极大程度地增加了——亲水还是亲油,刚性还是柔性,一切都尽在掌握之中。

于是,我们再来看聚氨酯材料的时候,尽管不同类型,无论是外观或者性能都有很大区别,但是它们的确是同一类材料。这种多变的性格,让它成为智慧城市时代的宠儿,也在重塑着现代城市。

例如高铁,其实也离不开聚氨酯的保驾护航, 200~350km/h 的运行速度,从运行的安全性和乘坐舒适性上都对高铁的基础建设和车厢设备提出了更严苛的要求: 耐磨、抗腐蚀、抗风化的聚氨酯Elastocoat®防水膜,可保护轨道不受振动和强降雨影响,从而提高列车的运行安全,同时降低后期的维护成本。双组份的聚氨酯系统ElastoTrack®,可用于稳定铁轨路基上松散的道砟碎石,缓冲列车的压力,从而减少乘客的颠簸感。

再比如,海绵城市也是城市更“智慧”的象征。虽然这个理念听起来很简单,就是让城市可以像海绵一样吸水,但是真要做起来,可没有那么轻松。

城市内涝问题是现代城市的通病,最核心的原因在于,水渗透到地下的速度太慢。要想营造海绵城市,那就得找到一种具有吸水并且还能快速渗透的材料。

聚氨酯Elastopave®就可以满足要求。它通过粘合矿物材料,形成多孔的透气材料,铺成的路面,每平方米每小时就可以吸收4000升雨水。夏季相比于传统沥青路面可降低地表温度达10°C。如今,它已经在很多城市得到了应用。

↑↑ 杭州西湖景区的莫干山路铺设了采用巴斯夫 Elastopave® 聚氨酯粘合剂系统的透气透水路面


70年,中国的城市化突飞猛进,城市的规模越来越大,城市的魅力也越来越强。从建设到运转,从外在的美丽到内在的智慧,化学工业为城市化做出了不可磨灭的贡献。

我们每个人,未必是城市建设的参与者,但一定会是智慧城市的见证者。可以肯定的说,未来的城市,依然离不开的化学工业的支持,当你走在街道上,看到一盏盏太阳能电灯时,或许会注意到那些蓝紫色的硅晶片;当你发现年年翻修的道路,路面居然已经不再龟裂的时候,可能也会想到这是自愈性材料的功劳;当你再也听不到汽车的轰鸣,不必忍受无尽的尾气时,大概也能感受到,这是因为有了更多锂电池作为动力的汽车。毫无疑问,无论是在过去、今天还是未来,化学创新推动着城市发展、让城市生活更美好。


[1] 徐群, 上海城市化进程对农业发展的影响研究(1949年至今) 南京农业大学博士论文

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