Разработка технологий получения синтетических материалов
После подробного изучения основных представителей биополимеров химики поставили перед собой задачу попытаться синтезировать хотя бы одно из таких веществ. Промышленность была крайне заинтересована в подобного рода материалах. Например, хорошо было бы получить искусственную резину взамен редкого каучука. Кроме того, в природе имеется много простых соединений, которые практически не используются. Они могли бы послужить мономерами для крупных молекул, более необходимых в хозяйстве и обладающих массой полезных свойств.
Поскольку полимерные цепи образуются за счет химической связи между атомами углерода в соединениях, содержащих непременно водород, то синтез макромолекул возможен на основе простейших углеводородов. Ученых заинтересовали алкены, которые охотно соединяются друг с другом, образуя внушительный гомологический ряд. Начинается этот ряд с элементарного этилена, состоящего из двух групп CH2. За ним следует пропилен, формула которого уже гораздо сложнее: молекула включает в себя 3 углеродных атома. Бутен и трансбутен содержат по 4 атома углерода в своих молекулах, пентен — 5 углеродных атомов.
Продвигаясь по гомологическому ряду нетрудно, т. о., заметить нарастание углерода в молекулах. Это означает, что простые алкены в качестве мономеров охотно вступят в химическую реакцию с образованием макромолекул. Этот процесс синтеза химики нарекли реакцией полимеризации, но добиться ее осуществления никак не удавалось. Лишь в 1884 г. отечественный химик Г. Г. Густавсон впервые осуществил неполную полимеризацию и получил олигомер этилена. Олигомер является полимером крайне малой массы и с очень низкой степенью полимеризации.
Примитивный полимер Густавсона резко отличался от этиленового газа. То была вязкая и мутная жидкость, отдаленно напоминающая техническое масло. Затвердевать полимер не мог, но химики уже думали о том, какое замечательное вещество получат, если доведут реакцию до конца. Твердый полимер удобно применять в целях промышленного выпуска самых разнообразных изделий. Впервые синтез макромолекул на основе газовых мономеров удалось осуществить англичанам на рубеже XIX–XX столетий.
Английские ученые использовали при получении вещества высокое давление, превосходящее 1 млн Па (в 1000 раз выше атмосферного). Синтетический продукт чудесным образом отличался от исходного материала. Взамен газа в руках ученых оказалась восковидная масса, которая была сравнительно прочной, легкой и очень эластичной. Гибкий воск назвали полиэтиленом, т. е. множественным этиленом.
Трудно подсчитать, какое количество мономеров входит в состав полиэтилена, т. к. одна молекула отличается от другой. Число их чрезвычайно велико. Однако не следует думать, будто молекула не имеет конца. Конечно, при благоприятных условиях она могла бы тянуться до бесконечности. Именно в таком беспредельном виде и записываются формулы всех полимеров. Однако на самом деле каждая макромолекула имеет два окончания, где находятся какие-то атомы, служащие пограничными отметками. У полиэтилена в роли таких пограничных маркеров выступают атомы водорода.
Популярность вещества стремительно росла, а химики испытывали новые синтезы. В 1939 г. произошло знаменательное событие в истории промышленной химии. Из полиэтилена был изготовлен изоляционный слой для телеграфного кабеля, который проложили на дне Атлантического океана. Стало очевидным, что возможности нового соединения почти безграничны (как и его молекулы!). Кабели, провода, волокна, пленки, покрытия, баллоны воздушных шаров и дирижаблей и многое другое можно было успешно изготавливать из синтетического вещества.
Однако первоначально полиэтилен добывать было невероятно трудно, да и стоил он дорого. Лишь в Германии был освоен сравнительно простой способ получения больших количеств полиэтилена в промышленности. Но в годы Второй Мировой войны одно-единственное предприятие по выпуску ценного вещества было разрушено. Несмотря на это, уже в послевоенные годы во многих странах работы по дешевому и несложному синтезу этого вещества возобновились и завершились победой ученых.
С середины 1950-х гг. реакцию полимеризации этилена научились осуществлять на индустриальных предприятиях при невысоких давлениях и температуре в пределах +100 °C. Сегодня из алкенов путем полимеризации получают массу других необходимых веществ. Тефлон обладает большой устойчивостью к высоким и низким температурам, а также отличается большой химической инертностью.
Воздействовать на тефлон могут лишь немногие вещества. Это в основном расплавленные натрий и калий, с которыми полимер вступает в реакцию. Тефлоновые волокна используются для изготовления одежды, с которой легко удаляются грязь, пятна и пыль.
Поливинилхлорид является продуктом реакции полимеризации хлористого винила. Он очень устойчив к разным воздействиям, но при этом легко окрашивается. Из него получают пластмассы, идущие на изготовление пленок, клеенок, плащей, электрической изоляции. Полистирол добывается путем полимеризации стирола. Его используют для разных нужд, но чаще всего как сырье для легких пластмасс (пенопластов).
Одним из наиболее примечательных синтетических полимерных материалов следует считать капрон (или нейлон). Его история увлекательна и полна неожиданных поворотов. Это шелковистое волокно, обладающее водоотталкивающими свойствами, впервые удалось получить химикам одной из американских фирм в начале 1930-х гг. Таким образом, капрон оказался в числе самых первых синтетических веществ. Следует напомнить, что полимеры из этилена в то время получали с большими трудностями, а элементарный полиэтилен ценился на вес золота. Производство же капрона было сравнительно легким.
Промышленники верили в большое будущее новооткрытого вещества. Возник вопрос о том, какое название ему дать. Был объявлен конкурс, в ходе которого было предложено более 350 наименований, из которых специалистам по маркетингу, входящим в состав жюри, понравилось оригинальное и благозвучное слово «nylon», т. е. нейлон. Для этого названия характерны краткость, эффектность, приятная «скользкость», указывающая на свойства материала.
В русском языке за данным материалом почему-то закрепилось иное название — капрон. Немцы же предпочли именовать его дедероном. Однако оба названия являются производными от первоначального. Изготовители первого синтетического волокна ввели в употребление суффикс «-он» («-лон»), который в дальнейшем послужил для создания названий следующих поколений искусственных материалов полимерной природы.
Впоследствии появились ксилон, перлон, крепон, дакрон, а также поролон и многие другие. Все вещества, синтезированные по модели нейлона, получили в добавление к длинным химическим названиям промышленные и торговые наименования (марки), оканчивающиеся на стандартный суффикс «-он» или «-лон».
Перечислять возможности применения полимерных соединений можно бесконечно долго, тем более что химики и техники постоянно находят новые сферы применения этих веществ. Поэтому далее будут рассмотрены исключительно композиты в качестве наиболее интересных видов синтетических полимерных веществ.
Композиционные материалы представляют собой объединение из нескольких синтетических веществ, причем не все из них имеют полимерную природу. Ученые при создании этих веществ руководствовались тем, что металлические сплавы обладают более выгодными свойствами, чем чистые металлы. Например, использование чистого железа в большинстве случаев невыгодно. Зато сталь, особенно нержавеющая, применяется в промышленности невероятно широко. Если объединение металлов дает такие замечательные материалы, значит, можно попробовать получить смесь из полимеров.
Ожидания не обманули ученых. Полученные в результате такого смешения композиционные материалы (их называют еще композитными сплавами) обладали совершенно новыми качествами, добиться которых в случае с чистыми полимерами было невозможно. В композитах синтетические вещества улучшают и дополняют желаемые свойства друг друга. Наиболее распространены в наше время композиты, включающие синтетические упрочняющие волокна. Такие волокна, к которым относятся, например, стекловолокно и похожие вещества, повышают прочность материала. Волокна армируют композитную смесь.
Без волокон композит отличался бы гибкостью, пластичностью и податливостью. Это тоже положительные качества, но они не всегда могут оставаться таковыми. Армированные композиционные материалы конкурируют по прочности с металлом, обладая при этом неоспоримыми преимуществами перед любыми сплавами. Композиты поглощают шумы, гасят вибрации, обладают завидной прочностью и долговечностью, слабо изнашиваются.
