——尼龙和聚酯的历史相互交织，需要一些化学知识才能理解其原因。

产生尼龙开发的同一波创新浪潮也创造了合成聚酯。杜邦公司Wallace Carothers团队中的成员Julian Hill首次合成了可以纺成纤维的聚酯。这发生在尼龙开发之前；然而，一旦尼龙的特性变得明显，聚酯的研发工作就被搁置了。尼龙和聚酯的历史从此交织在一起，要理解其中的原因，了解一些化学知识。

聚酯和第一批尼龙都是缩聚物。早在1926年，Carothers还在学术界时就开始考虑用于创造这些材料的反应。当他掌握了杜邦实验室的资源，他迅速将理论转化为实践。缩聚物是通过反应某些类型的化学物质产生的，这些化学物质在分子的两端都有官能团，因此反应可以在两个方向上延伸产物，从而产生长链。

酯是通过醇与羧酸反应制成的。图1显示了一个例子，其中乙醇与乙酸结合产生乙酸乙酯。（在有机化学中，如果化合物的名称以“-ate”结尾，几乎可以肯定它是一种酯。）酯包含图像中突出显示的独特酯基团。酰胺的制造方式类似，只是我们用胺代替了醇。如图2所示。在这个反应中，丙酸与胺尿素结合产生丙酰胺。

在这两种情况下，一个或两个反应物只在分子的一端有一个反应基团，因此一旦反应发生，过程就结束了。然而，Carothers和他的团队发现，如果他们使用在分子两端都有官能团的反应物，反应可以延伸以创建一个长链大分子，即聚合物。图3显示了这一原理应用于尼龙66。聚酯实际上早先已经使用相同类型的反应合成，但在所有注意力转向尼龙时被搁置。

要理解其中的原因，我们需要了解酯基和酰胺基的化学性质。酰胺基由聚合物主链中的氮-碳键组成。碳通过双键连接一个氧原子，而氮连接一个氢原子。这形成了一个非常有利的情况。酰胺基的这两个部分都表现得像带有明确正极和负极的小磁铁。在C=O键的情况下，氧带负电，而在N-H键中，氢带正电。当聚合物链的相邻部分对齐时，带负电的氧和带正电的氢之间的吸引力非常强，从而产生优异的机械性能和非常高的熔点。

正是260°C（500°F）的熔点，以及材料的极高强度和模量，引起了杜邦研究人员的注意。与氮键合的氢的存在是关键。氢是我们宇宙中最简单的元素，由一个带正电的质子和一个围绕其运行的带负电的电子组成。当任何原子参与化学反应时，它至少会与一个伙伴共享一个电子。

在氢的情况下，共享这个电子使得正核不受屏蔽。如果伙伴原子能够将氢电子从其核中移得足够远，正核就能够参与一种非常强的吸引力，称为氢键。只有三种元素能够将氢电子从其核中拉得足够远以形成这种氢键，氮就是其中之一。当这些强正电荷与带负电的氧原子对齐时，如图4所示，结合这些部分的力量变得非常强，尼龙的优异性能就是结果。

值得注意的是，尼龙聚合物在酰胺基之间的结构仅由带有氢原子连接到链侧的碳链组成。这类似于聚乙烯的化学结构，一种在化学中称为脂肪族结构的简单分子几何形状。脂肪族结构通常不会产生非常出色的热和机械性能。但在聚酰胺中，由于氢键提供的强吸引力与酰胺基间距的对称性相结合，提供了远远超出通常预期的性能。

那么为什么聚酯被搁置而青睐尼龙化学？如果我们回到图1的结构，我们可以看到酯基虽然与酰胺基相似，但缺少形成氢键的机会。代替N-H基团，我们只有一个氧原子。氢键的缺失导致脂肪族聚酯的熔点低得多，强度也低得多。平均分子量与尼龙66相当的脂肪族聚酯的熔点仅为80°C（176°F），并且还表现出显著的水解倾向。这些性能没有满足杜邦研究人员的期望，他们主要关注用于织物和服装的纤维。

因此，虽然聚酯的创造及其在实验室中形成纤维比尼龙早了大约三年，但尼龙在开发中得到了所有重视，聚酯被搁置。在1930年代后期，两位英国研究人员John Rex Whinfield和James Tennant Dickson开始回顾Carothers团队在杜邦对聚酯所做的工作。他们发现杜邦团队没有通过使用一种称为芳香族的化学物质取代原始脂肪族结构来改善聚酯的性能。在化学中，芳香族一词有非常特定的含义：它指的是通常涉及六个碳的环状化学结构，以苯和二甲苯等物质为例。

芳香环是现代聚合物化学不可或缺的一部分，但在1930年代，它们的使用仍然局限于热固性聚合物，如酚醛树脂。这些环是平面的且非常刚性，因此当它们被纳入有机化合物和聚合物时，会显著改善热和机械性能。1939年，Whinfield和Dickson使用芳香族羧酸对苯二甲酸与乙二醇结合，生产出第一种商业上可行的聚酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。与两位英国发明家W.K. Birtwhistle和C.G. Ritchie合作，他们为PET聚酯申请了专利，并商业化了一种基于该材料的纤维，该纤维于1941年由帝国化学工业公司（ICI）以Terylene（涤纶）的名称推出。

这一发展开始了聚酯的漫长历史，我们将在下一期中记录。

‌关于作者‌：Michael Sepe是一位独立的材料和加工顾问，总部位于亚利桑那州塞多纳，客户遍布北美、欧洲和亚洲。他在塑料行业拥有超过45年的经验，协助客户进行材料选择、可制造性设计、工艺优化、故障排除和失效分析。联系方式：(928) 203-0408 • mike@thematerialanalyst.com