制冷剂实验中的异常气瓶
1938年,罗伊·J.普朗克特在美国新泽西州的杜邦杰克逊实验室研究含氟制冷剂,储存的四氟乙烯却变成一种白色蜡状固体。实验原本需要瓶中的气体,阀门打开后没有气体流出,而称量又没有显示内容物相应减轻;打开气瓶后发现的物质,把问题从制冷剂合成转向了新的聚合物。
同在杰克逊实验室工作的查尔斯·J.佩德森后来在诺贝尔演讲中留下了旁证。他的房间隔着走廊面对普朗克特的实验室,听到动静后过去,亲眼看见有人锯开气瓶,取出后来称为Teflon的材料样品。这份回忆说明发现发生在协作实验环境中,也把实验地点与专利受让公司设在威尔明顿的地址区分开来。
从残留物到可重复的反应
新物质是聚四氟乙烯,通常缩写为PTFE。四氟乙烯是单体,许多单体连接成链后,形成以碳为骨架、周围带有氟原子的高分子。它在常用溶剂中难以溶解,对多种化学试剂不易反应,并不是气瓶中普通的水分或沉淀物。杜邦的化学家和工程师继续研究其形成条件及用途。
普朗克特的《Tetrafluoroethylene Polymers》专利于1939年7月1日申请,1941年2月4日授权,受让人为Kinetic Chemicals公司。专利用多组实验说明,四氟乙烯在高于大气压的条件下可聚合,加入不同物质或溶剂会改变所得产物与产率。从偶然样品走到可描述、可比较的实验系列,是发现与工业制造之间必要的一步;专利日期不能反过来当作首次观察的日期。
最初被看重的是耐腐蚀
专利的开头提出一个具体需求:化工现场某些腐蚀性介质会损坏常用材料,连护目镜上的玻璃也可能受侵蚀。因此它设想把新聚合物加工成耐腐蚀实验器具、护目镜片和耐热纤维。文中列出的水、醇、酮及酸碱中的不溶性,是当时选择用途的重要依据;这些用途是文件提出的方向,并不意味着各种产品已经上市。
耐化学作用、耐热和低摩擦后来支持了密封件等工程应用。不过“耐用”必须拆开理解:抗腐蚀不等于抗机械磨耗,遇到多数介质稳定也不等于对所有化学物质都无反应。材料需要在具体载荷、温度和接触介质下选用,不能仅凭“不粘”一项性质判断。
粉末还需要成为可靠零件
PTFE的难溶性与特殊熔融行为也带来加工障碍,不能照搬普通塑料的熔融加工方式。后来的成形工艺常先把粉末压成预制坯,再加热烧结,使其成为有结合强度的棒材或管材,最后切削出所需尺寸。连续产品还可采用柱塞挤出。这些是工业处理的发展成果,不能直接归入1938年打开气瓶的那一刻。
纯PTFE在持续受力时会发生蠕变,弹性恢复有限,低摩擦也没有消除磨损。工业材料因而加入玻璃纤维、碳或其他填料,调整变形、磨耗、导热和导电特性。填料各有化学相容性,改善一个指标并不会让所有性质同时提高。工程上的可用性来自树脂、配方、结构和加工过程的配合。
发现、专利与日用品之间
PTFE常以Teflon这个商标为人熟悉,但聚合物名称、商业品牌和某一种成品不是同一层次。1938年的实验确认了新的材料,1939年至1941年的专利文件整理了制备与性质,后续工程继续处理规模生产和成形。厨房里的涂层产品属于这条历史更晚的部分,不能用一只不粘锅概括发现时的研究目标。
这次异常之所以没有停留在一次失败的制冷剂实验,在于研究人员追查了气体为何不再流出,又把白色固体带入进一步的试验。保存观察、确定物质、比较反应条件与解决加工问题相互衔接,才使气瓶中的聚合物成为可以按用途设计的材料。