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塑膠的應用

酚的眾多衍生物帶給我們各種不同的利用價值，然而，影響世界最劇烈的主要還是最原始的「酚」。就像酚之於無菌手術的廣大效用與普遍迴響，它也在許多其他新興工業中扮演重要的角色。大約就在李斯特進行石炭酸實驗的時代，人們開始利用象牙製成各種的工藝品，包括梳子、餐具、鈕釦、盒子、棋子和琴鍵等等。由於人們對工藝品的需求日益增加，愈來愈多大象因此遭到殺害，象牙的價格也逐漸上漲。大象數目減少的問題在美國引起廣大注意，不過並非是基於現在我們所持的生態保育理由，而是因為一項盛行於當時的新興活動—撞球。撞球若要精準地滾動，必須採用品質優良的象牙來製作，而且只取最中間的精華部分；通常每五十隻象牙中，只有一隻符合這樣的標準。

在十九世紀的最後十年，由於象牙供不應求，於是人們開始萌發尋求替代品的想法。第一顆人造撞球是將木屑、動物骨粉與可溶性棉漿的混合物壓製成形，球體外再塗上一層硬樹脂而得的。硬樹脂的主要成分是纖維素，通常是經過硝化的纖維素。之後，由更精緻的纖維素聚合物所製成的「賽璐珞」撞球也問世了。賽璐珞的密度與硬度可在生產過程中調控，它是第一個具有「熱塑性」（thermoplastic）的物質；意思是說，這種物質遇熱會熔化，可藉由鑄模機器加以塑形並重製，不但成本低，而且製作過程非常容易，即使是技術不熟練的勞工也能輕易操作。

纖維素聚合物的主要問題在於它們的易燃性，如果含有硝化纖維素的成分，還可能引起爆炸。雖說從未有因為撞球而引起的爆炸意外，但賽璐珞商品確實會引來安全上的顧慮。早期的電影工業使用從硝化纖維合成的賽璐珞聚合物為底片材料，並於其中加入樟腦以增強它的延展性。這種潛藏危險的材料終於在一八九七年的巴黎引發了悲劇，一場自放映室開始延燒的戲院大火奪去了一百二十多條人命。為避免類似意外再度發生，於是人們在放映室的內牆貼上鋅條，以避免失火時火勢向外蔓延；然而，這樣的防範措施卻犧牲了放映師的安全。

在一九○○年代初期，一名移民美國的比利時青年貝克蘭（LeoBaekeland）首先研發出完全由人工合成的塑料，也就是現在我們所謂的「塑膠」。相較於之前聚合物或多或少都含有天然纖維素的成分，貝克蘭的發明確實具有革命性的意義—人類文明從此步入了所謂的「塑膠時代」。聰明又極富發明創意的貝克蘭在二十一歲時就已取得比利時根特大學（University of Ghent）的博士學位，他大可安穩地繼續他的學術生涯，但他卻選擇移居新大陸，因為他相信，在那裡他將更有機會開創出一片屬於自己的發明天地。

貝克蘭在新大陸的生活起初並不順遂，他努力了幾年發明出一些化學產品，但仍無法改變他在一八九三年宣告破產的命運。走投無路之下，貝克蘭找上伊士曼．柯達（Eastman Kodak）相片公司的創辦人伊士曼（George Eastman），並向他介紹一種自己所發明的新相紙。這種相紙是以氯化銀為感光乳劑，不但可以替代傳統沖洗與加熱的繁複顯影程序，還可以藉曝光於人造燈光（如一八九○年代的煤氣燈）來加強感光度。有了這種相紙，攝影玩家可簡單快速地在家裡沖印欣賞自己的攝影作品，或是送到逐漸遍布全國的新技術處理實驗室。

貝克蘭在搭火車前往會見伊士曼的途中，他心想他的發明可以大大改善以賽璐珞為相紙材料的失火危險性，因此盤算著將開價五萬美元，若不被接受，最低則以兩萬五千美元為底限；這個數目在當時來說仍是一個天文數字。會面之後，伊士曼十分驚異於貝克蘭的新相紙，二話不說就以遠超過貝克蘭預期的七十五萬美元敲定這樁買賣。又驚又喜的貝克蘭欣然接受了這項交易，並利用這筆錢在自宅旁為自己蓋了一座專屬實驗室。

貝克蘭的財務危機獲得解決之後，他開始將研究重心轉移到發明合成的「蟲漆」（shellac）。蟲漆是從原產於東南亞一種名為「膠蟲」（Laccifer lacca）的母甲蟲分泌物萃取而得的物質。這種甲蟲附著於樹上吸取樹汁，並會用它們的分泌物包裹住身體。生殖季節過後，這些甲蟲便會一一死去，而人類就藉由採收並熔化這些甲蟲殼（蟲漆的原文「shellac」便是由「shell」〔殼〕來的），濾掉蟲屍之後的液體就是「蟲漆」。其製作過程非常繁瑣，一磅蟲漆大概需要耗費一萬五千隻甲蟲和六個月的時間才能生產出來。所幸蟲漆多半只用於塗抹在金屬或木製品的外層，因此用量不多，一般來說價格也還算合理。不過到了二十世紀初期，隨著電氣工業的繁榮興盛，蟲漆的需求量也與日俱增。以蟲漆來製作電線外包的絕緣體所費不貲，即使是使用浸泡過蟲漆的紙類代替，要價仍高得嚇人。貝克蘭於是了解到，如果能製造出人造蟲漆，將可在市場上大發利市。

電木的結構，由圖中可看到酚分子間的「－ CH2 －」交錯鍵結。實際上交錯鍵結是隨機形成，圖中顯示的僅為可能的排列方法之一。

酚               甲醛

貝克蘭實驗的第一步驟是利用酚與甲醛進行混合反應；酚即是李斯特成功改善手術環境所運用的分子，甲醛則是甲醇（或木精）的衍生物，當時的主要用途為殯葬業的遺體保存劑或製作動物標本的防腐劑。之前的類似實驗結果往往令人失望，因為這兩個化合物的反應過程相當迅速且難以控制，得到的產物雖然不會溶解也不會熔化，但質地卻易脆且彈性不佳，因此無法作為蟲漆的替代品。貝克蘭認為，只要能控制反應過程，就可以製造出合適的合成蟲漆來作為電子絕緣體的材料。

一九○七年，貝克蘭藉由控制反應過程的溫度和壓力得到一種液體，這種液體能在鑄模內迅速硬化成琥珀色的透明固體。貝克蘭將這種新物質稱為「電木」（Bakelite），並且將那類似壓力鍋的裝置稱為「Bakelizer」。貝克蘭以自己的名字為這些產品取名，不免有自我推銷之嫌，不過單單這個實驗就花了他五年的時間，這麼做也不為過。

不像蟲漆遇熱會變形，電木在高溫下還是能保持原來的形狀，一旦塑形後就無法熔化重造。因此，電木是一種「熱固性」（thermoset）物質；也就是說，熱固性物質的形狀是不會改變的，與賽璐珞的熱塑性恰恰相反。這種酚類樹脂（電木）獨特的熱固性，其實與其化學結構有關。電木中的甲醛可與酚在苯環上三個不同部位發生反應，形成聚合鏈之間的交錯鍵結。而電木的硬度，就是來自於與堅硬的平板狀苯環間，所形成的交錯鍵結。……【更多精彩內容請閱讀商周出版《拿破崙的鈕釦：17 個改變歷史的化學分子》】

書名│《拿破崙的鈕釦：17 個改變歷史的化學分子》
作者│潘妮‧ 拉古德（Penny Le Couteur）、杰‧布勒森（Jay Burreson）
出版社│商周出版
出版日期│ 2022 年2 月