化工,即化学工业,凡运用化学方法改变物质组成或结构、或合成新物质的,都属于化学生产技术,也就是化学工艺,所得的产品被称为化学品或化工产品。
在现代生活中,几乎随时随地都离不开化工产品,从衣、食、住、行等物质生活到文化艺术、娱乐等精神生活,都需要化工产品为之服务。
有些化工产品在人类发展历史中,起着划时代的重要作用。它们的生产和应用,甚至代表着人类文明的一定历史阶段。
化学工业(chemical industry)、化学工程(chemical engineering)、化学工艺(chemical technology)都简称为化工。化学工业包括石油化工(petrochemicals),农业化工(agro chemicals),化学医药(pharmaceuticals),高分子(polymers),涂料(paints),油脂(oleochemicals)等。它们出现于不同历史时期,各有不同涵义,却又关系密切,相互渗透,具有连续性,并在其发展过程中被赋予新的内容。人类早期的生活更多地依赖于对天然物质的直接利用。渐渐地这些物质的固有性能满足不了人类的需求,于是产生了各种加工技术,有意识有目的地将天然物质转变为具有多种性能的新物质,并且逐步在工业生产的规模上付诸实现。广义地说,凡运用化学方法改变物质组成或结构、或合成新物质的,都属于化学生产技术,也就是化学工艺,所得的产品被称为化学品或化工产品。
化工材料
非金属
无机非金属材料分为传统材料和新型材料两类。前者主要是硅酸盐材料;后者组成多样,发展很快。
硅酸盐材料指玻璃、陶瓷、水泥和搪瓷等。它们是以含硅酸盐类矿石为原料进行生产的,广泛用作建筑材料,也可以作为日用品和工艺美术制品。玻璃和陶瓷虽然性脆易碎是其主要的缺点;但由于原料易得,生产工艺简单,产品的化学稳定性好,又具有硬度高、耐热和耐蚀等优点,用途十分广泛,产量很大,并仍在不断发展中。
新型无机非金属材料主要是特种陶瓷。随着工农业、军事工业和科学技术的发展,新型结构陶瓷先后问世。它们是由不同的氧化物、硅化物、碳化物、氮化物、氟化物,硼化物等组成的。主要包括耐高温材料、电绝缘材料、铁电材料、压电材料、半导体陶瓷材料等,用途特殊,产量不大,但价值很高。21世纪开发了一种陶瓷发动机用于汽车,可使燃气温度提高到1400℃以上,对提高效率,节约能源具有重要意义。这些材料的制造工艺的特点是:对原料的纯度要求高,成分、显微结构以及产品表面和界面都需严格控制,形状也细致而复杂,要求精密加工。此类新型材料是在高水平科学技术基础上获得成功的。
塑料主要包括塑料、化学纤维和橡胶三大类。其中合成材料品种很多,它们是由石油化工生产的单体,经过聚合反应而制成的。有的具有天然材料所达不到的特殊性能,广泛用于工农业生产与日常生活,所以发展很快。30年代世界聚合物材料的产量还未超过100kt,到80年代即已达到约80Mt,塑料占3/4。由于塑料比金属轻,所以按体积计,其
基础材料是合成树脂。塑料制品质轻(一般只有钢铁的1/9),耐腐蚀,耐热,电绝缘性好,易于加工成型,近几十年来大量用来代替金属、玻璃、纸张、木材等。塑料薄膜主要用作包装材料,在农业上,也被广泛使用。塑料管大量用作汽车的输油、输水管。汽车壳体和零件也用塑料。用聚氯乙烯加工的地板和门窗比用木材加工的耐磨性增加五倍。有机玻璃的密度为普通玻璃的一半,而冲击强度高达17倍,可用作飞机的风挡玻璃。塑料还大量用于电子和电气工业,制成电线、电缆、开关和仪器仪表壳体等。塑料制品可以说已经深入到人们生产和生活的各个角落。还有一些合成树脂具有特殊的功能,被称为功能高分子材料,如导电材料、半导体材料、感光树脂、光导材料和超导材料等,引起人们很大的兴趣。
化学纤维包括人造纤然纤维为原料经过化学加工而生产的,在20~30年代已经流行,但它的产量受到天然纤维来源的限制。合成纤维制品是在40年代中期出现的,原料来源为丰富的石油化工产品。化学纤维的品种很多,又有长丝、短丝、鬃丝、弹力丝以及各种异形丝。它们分别可以纯纺、混纺,因而织物的品种极多,并且生产效率高,不受自然条件的限制,有效地解决了与粮棉争地的矛盾。生产万吨化学纤维,可以相当于30万亩(1亩=666.6m2)棉田一年生产的棉花;或由250万只羊一年剪下的羊毛。到80年代,全世界已有2/3的纺织品是由化学纤维制成的。一些聚合物制成的中空纤维用作分离膜,在海水淡化、气体分离、超纯物质制备以及生物技术等方面,具有重要意义。
橡胶是一种战略物资。天然橡胶仅生长于热带及亚热带地区,不产橡胶的国家考虑战时会受到封锁,都极其重视建立于石油化工基础上的合成橡胶工业。合成橡胶的品种多,有的品种比天然橡胶具有更好的耐热、耐寒、耐油等性能。橡胶的最大消耗是做轮胎,此外还用以制作胶管、胶带、胶鞋、模具硅橡胶、以及胶乳制品。橡胶又是各种设备所不可缺少的密封材料。70年代以来,天然橡胶的产量基本稳定在3~3.5Mt,而合成橡胶产量在70年代已达6Mt,80年代增至8Mt,且仍有续增的趋势。
复合材料是新型结构材料。其特点是体积比强度、体积比刚度和耐蚀性都超过金属材料。它由合成树脂、金属或陶瓷等基体材料和无机或有机合成纤维等增强材料所组成复模材料。基材和增强材料都有多种,因而可以进行有选择的配合,以制得性能符合要求的各种复合的出现,使化工材料有了更为广阔的前景。
无机化工
第一个典型的化工厂是在18世纪40年代于英国建立的硫酸厂.先以硫磺为原料,后以黄铁矿为原料,产品主要用以制硝酸,盐酸及药物,当时产量不大.在产业革命时期,纺织工业发展迅速.它和玻璃,肥皂等工业都大量用碱,而植物碱和天然碱科学院悬赏之下,获取专利,以食盐为原料建厂,制得,并且带动硫酸(原料之一)工业的发展;生产中产生的氯化氢用以制盐酸,氯气,漂白粉等为产业界所急需的物质,纯碱又可苛化为,把原料和副产品都充分利用起来,这是当时化工企业的创举;用于吸收氯化氢的填充装置,煅烧原料和半成品的旋转炉,以及浓缩,结晶,过滤等用的设备,逐渐运用于其他化工企业,为化工单元操作打下了基础.吕布兰法于20世纪初逐步被索尔维法(见)取代.19世纪末叶出现电解食盐的.这样,整个化学工业的基础——酸,碱的生产已初具规模.
有机化工
纺织工业发展起来以后,天然染料便不能满足需要;随着钢铁工业,炼焦工业的发展,副产的煤焦油需要利用.化学家们以有机化学的成就把煤焦油分离为:蒽、菲等.1856年,英国人由合成苯胺紫染料,后经过剖析确定天然茜素的结构为二羟基蒽醌,便以煤焦油中的蒽为原料,经过氧化,取代,水解,重排等反应,仿制了与天然茜素完全相同的产物.同样,制药工业,香料工业也相继合成与天然产物相同的化学品,品种日益增多.1867年,瑞典人发明代那迈特炸药(见),大量用于采掘和军工.
当时有机化学化工.于1895年建立以煤与石灰石为原料,用电热法生产电石(即)的第一个工厂,电石再经水解发生乙炔,以此为起点生产乙醛,醋酸等一系列基本有机原料.20世纪中叶发展后,电石耗能太高,大部分原有乙炔系列产品,改由为原料进行生产.
高分子受热发粘,受冷变硬.1839年美国用硫磺及加热天然橡胶,使其交联成弹性体,应用于轮胎及其他橡胶制品,用途甚广,这是高分子化工的萌芽时期.1869年,美国用樟脑增塑硝酸纤维素制成塑料,很有使用价值.1891年在法国贝桑松建成第一个人造丝厂.1909年,美国制成,俗称电木粉,为第一个,广泛用于电器绝缘材料.
这些萌芽产品,在品种,产量,质量等方面都远不能满足社会的要求.所以,上述基础有机化学品的生产和高分子材料生产,在建立起石油化工以后,都获得很大发展.