Синтетические материалы.

Материалы – это вещества из которых изготавливается различная продукция: изделия и устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и многое другое. Для каждого вида продукции нужны свои материалы с вполне определенными характеристиками. К свойствам материалов всегда предъявлялись и предъявляются высокие требования. Хотя современные технологии и позволяют производить множество разнообразных высококачественных материалов, однако проблема создания новых материалов с лучшими свойствами остается актуальной и по сей день.

При поиске нового материала с заданными свойствами важно установить его состав и структуру, а также обеспечить условия для управления ими. Результат поиска во многом зависит от чувствительности и разрешающей способности приборов, с помощью которых определяются состав и структура синтезируемого материала. Такие приборы создаются на основе только самых последних достижений естествознания и прежде всего физики. При обработке материала и изготовлении окончательной продукции, необходимой для потребления, не менее важны инженерно-технические достижения, позволяющие производить продукцию высокого качества.

В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами, например, материалы тепловых экранов для космических аппаратов, высокотемпературные сверхпроводники и т. п. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. С течение времени их число постоянно возрастает. В глубокой древности наиболее широко применялся преимущественно один вид материала – камень, из которого изготавливались топоры, наконечники для стрел. В камне выдалбливались пещеры для жилья. Следующий важный шаг был сделан несколько тысячелетий назад, когда удалось из оксида железа получить металлическое железо. Появились металлические изделия в виде оружия, предметов быта, несложных приспособлений для обработки земли. И вот заканчивается второе тысячелетие от рождества Христова. Железо как материал по объему производства начинает уступать другим материалам полимерам. С 1980 г., например, в США их производят больше, чем железа. Разнообразная одежда из полиэфира, полиэтиленовая посуда, ковры из полипропилена, мебель из полистирола, шины из полиизопрена и т. п.– все это примеры чрезвычайно большого многообразия применений полимеров.

Многие конструкционные элементы современных самолетов изготовлены из композиционных полимерных материалов. Один из таких материалов – кевлар – по важному показателю – отношению прочность/масса – превосходит многие материалы, в том числе и самую высококачественную сталь.

В последние десятилетия активно обсуждается вопрос об изготовлении автомобиля полностью из полимерных материалов, которые помогут уменьшить его массу и тем самым экономнее расходовать топливо.

К современным материалам относятся и древесина, и стекло, и силикаты, каждый из которых обычно считают традиционным материалом. Древесина служит не только строительным материалом, но и сырьем для производства ценной многообразной продукции. Стекло – материал не новый, но перспективный: в последнем десятилетии изготовлены стекла с удивительными свойствами. Силикатные материалы до сих пор составляют основу строительной индустрии.

Современные пластмассы.

Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера, пластмассы могут содержать наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Иногда употребляются другие названия пластмасс – пластики, пластические массы.

Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам (например, антифрикционные, атмосферо-, термо- или огнестойкие), виду наполнителя (стеклопластики, графитопласты и др.), а также по типу полимера (аминопласты, белковые пластики и т. п.). В зависимости от характера превращений, происходящих в полимере при формовании изделий, пластмассы подразделяются на термопласты (важнейшие из них создаются на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола) и реактопласты (наиболее крупнотоннажный вид из них – фенопласты). Основные методы переработки термопластов –литье под давлением, вакуумформование, пневмоформование и др. Реактопласты формуются прессованием и литьем под давлением.

К настоящему времени налажено массовое промышленное производство различных видов пластмасс.

И пластмассы вполне можно отнести к традиционным материалам, хотя поиск пластмасс с новыми свойствами продолжается.

Прошло более ста лет с момента появления на свет первого органического материала – целлулоида. Сегодня многообразие синтетических веществ настолько велико, что вряд ли возможно их перечислить. Когда идет речь об искусственных материалах, многие имеют в виду прежде всего пластмассы – вещества, созданные в искусственных условиях. В 1980 г. американские ученые впервые обнаружили природную полиэфирную пластмассу в гнездах пчел, живущих в земле.

Массовое производство пластмасс началось во второй половине нашего века. В 1900г. мировое производство пластмасс составило около 20 тыс. т, а в 1970 г. – уже 38 млн. т. Предполагается, что к концу тысячелетия объем производства пластмасс достигнет уровня выпуска стали и составит сотни млн. т в год.

Часто к одному и тому же материалу предъявляются взаимоисключающие требования. Например, материал для зимней одежды должен обладать хорошим теплоизолирующим свойством и эластичностью, но в то же время быть прочным. Строителей интересуют материалы с хорошими тепло- и звукоизоляционными, прочностными и другими свойствами. Всем перечисленным требованиям среди множества материалов в наибольшей степени удовлетворяют искусственные органические соединения – полимеры.

Полимеры построены из макромолекул, состоящих из многочисленных малых основных молекул – мономеров. Процесс их образования зависит от многих факторов, вариации и комбинации которых позволяют получить огромное множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами. Основные процессы образования макромолекул – полимеризация и поликонденсация.

Около 2/3 всего мирового производства полимеров составляют материалы массового промышленного потребления: полиэтилен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полипропилен и др. Области применения данных полимеров весьма разнообразны – от текстильной промышленности до микроэлектроники. Стоимость их сравнительно невысокая. К остальной части полимерных материалов, составляющей 1/3, относятся полиэфирные смолы, полиуретан, аминопласты, фенопласты, поликрилаты, полиформальдегид, поликарбонаты, фторополимеры, силиконы, полиамиды, эпоксидные смолы и другие виды полимеров.

Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером может служить АБС-полимер. В его состав входят три основных мономера: акрилонитрил (А), бутадиен (Б) и стирол (С). Первый из них обеспечивает химическую устойчивость, второй – сопротивление удару и третий – твердость и легкость термопластической обработки. Основное назначение данных полимеров – замена металлов в различных конструкциях.

Термопласты обратимо твердеют и размягчаются, поэтому из них легко формуются изделия разной конфигурации. Искусственные органические вещества, которые не размягчаются при нагревании, называются термореактивными пластмассами или реактопластами. Это фенольные, карбомидные и полиэфирные смолы. Чаще всего в исходном состоянии они представляют собой жидкости, которые при добавлении катализатора или нагревании необратимо затвердевают.

Наиболее перспективными материалами с высокой термостойкостью оказались ароматические и гетероароматические структуры с прочным бензольным кольцом: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200-400° С. Раньше такими термостойкими свойствами обладали только неорганические вещества. Разработанные специально для сверхзвуковых самолетов полиимидные пластмассы могут выдерживать температуру до 465° С в течение 30 мин. Главные потребители термостойких пластмасс – авиационная и ракетная техника. Такие пластмассы также находят применение и в автомобиле- и станкостроении, в электротехнике (например, для изоляции проволоки в электродвигателях) и т. п.

С каждым днем растет доля полимерных материалов в строительной индустрии. Пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля, теплоизоляционные и другие искусственные материалы применяются все чаще в современном строительстве.

Все большую долю материалов составляют разнообразные виды пластмасс для изготовления деталей автомобиля, первенец которого – самодвижущаяся повозка – появился в 1886 г. на улицах Маннгеймера.

За более чем столетнюю историю развития автомобилестроения применялось множество материалов, производимых химической промышленностью, среди которых пластмассы постепенно вытесняли и продолжают вытеснять металл. Так, в 1965 г. на один легковой автомобиль приходилось в среднем 15 кг пластмасс, в 1970 – 25–45 кг. Предполагается, что в ближайшем десятилетии на изготовление одного легкового автомобиля потребуются сотни килограммов пластмассовых материалов, среди которых будут преобладать полиэтилен, поливинилхлорид, АБС-полимеры, полипропилен и др.

Уже производятся легковые автомобили с полностью пластмассовым кузовом. Изготовить весь автомобиль и особенно его двигатель из пластмасс пока не удается. Тем не менее в 1980г. американская фирма демонстрировала автомобильный двигатель из термостойкого пластика, в котором лишь коленчатый вал и поршневые кольца выполнены из металла. Масса данного двигателя оказалась в 2 раза меньше, чем металлического, и потреблял он горючего примерно на 15% меньше, чем обычный. Изготавливаются, кроме того, автомобили с ведущим валом и рессорами из полимерных материалов. В последнее время ведутся работы по массовому внедрению керамических двигателей.

Эластомеры.

К полимерным материалам относится и каучук. Многочисленные изделия из данного материала, в том числе и широко распространенная резина, обладают отличительным свойством – эластичностью. Такое свойство объединяет многие эластичные материалы в одну группу эластомеров. Долгое время был известен только один эластичный материал – природный каучук. Он еще и до сих пор добывается из каучукового дерева – бразильской гевеи – таким же способом, как и смола в хвойных лесах, т. е. путем подсечки.

Химия завладела каучуком еще в первой половине XIX в. – в 1841 г., когда американский изобретатель Гудьир предложил способ вулканизации. Хрупкий при низкой температуре и липкий при нагревании сырой каучук при вулканизации переходит в эластичное состояние. При этом его макромолекулярные цепи образуют сетчатую структуру, соединяясь мостиками из атомов серы.

Статистика мирового производства каучука начинается с 1850 г., когда его было добыто около 1500 т. В 1900 г. бразильские леса давали уже 53 900 т каучука. В том же году появился каучук из деревьев, выращенных на плантациях. В последние годы большая часть натурального каучука добывается на крупных плантациях Индокитая. В 1970 г. потребление каучука в мире составило 7,8 млн. т, доля натурального каучука в котором составила около 38%.

Натуральный каучук имеет сравнительно невысокую термостойкость, не отличается высокой маслостойкостью и подвержен старению. Современные методы синтеза позволяют получить синтетический каучук с заданными свойствами. К настоящему времени разработано более 10 видов синтетических каучуков и не менее 500 их различных модификаций. Превосходным качеством отличается силиконовый каучук. Он менее эластичен, чем натуральный каучук, но его свойства в интервале температур от -55 до 180° С очень мало зависят от температуры, и к тому же он физиологически безвреден. Гомогенные и ячеистые полиуретановые эластомеры проявляют отличную износостойкость, высокую химическую стойкость и не подвергаются быстрому старению.

Сфера применения эластомеров весьма разнообразная – от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом потока автомобилей постоянно возрастает.

Производя синтетические каучуки, химическая промышленность восполняет дефицит природного сырья – каучука. Точно так же производство синтетической кожи сохраняет сырье животного происхождения. По своим свойствам и качеству многие разновидности современной синтетической кожи мало чем отличаются от натуральной кожи высшего качества.

Синтетические ткани.

Внедрение химических технологий в текстильную промышленность началось сравнительно давно – около 200 лет назад, когда с помощью соды и хлорной извести удалось существенно улучшить процессы стирки и отбеливания. Например, с применением хлорной извести продолжительность отбеливания хлопковой ткани сократилась с трех месяцев (при луговой отбелке) до шести часов. Во второй половине XIX в. широко внедрялись синтетические органические красители тканей. С начала XX в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. К настоящему времени многообразные искусственные волокна изготавливаются в основном из четырех видов химических материалов: целлюлозы (вискозы), полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние 50-60 лет.

На практике широко применяются химическое облагораживание и отделка тканей. Разработаны технологии химической обработки шерсти для обеспечения устойчивости против моли. Найдены способы, позволяющие уменьшить усадку материала, и придающие ему качества несминаемости. Уделяется большое внимание разработке эффективных способов обработки материалов для обеспечения антистатических, антимикробных, грязеотталкивающих и других важных свойств.

Около 50% основных текстильных изделий способны сгорать при нормальных условиях. Снизить горючесть волокон можно двумя путями; специальной обработкой волокон и созданием новых волокнистых жаростойких полимеров. К наиболее перспективным жаростойким полимерам можно отнести ароматические и гетероароматические соединения, длительное время выдерживающие температуру 250-300° С. Содержащие графит волокнистые материалы не теряют своих качеств даже при 1000-2000° С. Разработанные полиэфирные волокна путем включения атомов титана при сохранении механической прочности и гибкости могут противостоять нагреванию до 1200°С.

Среди всех выпускаемых в 70-е годы материалов доля искусственных тканей для одежды составляла около 50%, для товаров домашнего обихода – примерно 25% и столько же для технических целей. Налажено массовое производство высокопрочных кордовых нитей из полиамидов, полиэфиров и вискозы для шинной промышленности.

Объем производства синтетических материалов для изготовления одежды определяется потребительским спросом, в котором за последние годы наметилась тенденция к снижению. Такая тенденция вполне оправдана, ибо синтетические волокна не обладают всем комплексом свойств, присущих естественным волокнам. И одна из важнейших задач химиков – приблизить по свойствам и качеству искусственные материалы к естественным.

Новое поколение тканей, над которыми сегодня работают специалисты, может перестроить наше представление об одежде и ее функциях. Такие ткани сотканы из волокон, которые их изобретатели называют «интеллигентными». За столь обязывающим определением скрываются материалы, обладающие полезными для человека свойствами. При холоде они греют, при жаре – охлаждают, удаляют пот и отвечают другим нуждам кожи. Уже имеются в продаже легкие ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей. Есть также ткани, пропускающие ультрафиолетовые лучи.

Американский концерн «Дюпон» первое чисто синтетическое волокно – нейлон – выпустил более 60 лет назад. Затем появились акрил, полиамид, полиэстр и другие волокна, родившиеся в лабораторных ретортах. Однако потребители сравнительно быстро оценили как достоинства, так и недостатки синтетических тканей той поры. Рубашка, не нуждающаяся в утюге, вместе с тем летом не давала дышать телу, а зимой не согревала. Эйфория, поднятая первыми синтетическими изделиями, закончилась в основном мусорным ящиком, а не шкафом для одежды.

Немало времени прошло, прежде чем удалось понять и преодолеть границу между природными и синтетическими волокнами. Теперь химия легко воспроизводит лучшие свойства льна, хлопка, шерсти, а естественные материалы давно уже стали предметом многократной химической обработки, придающей, например, хлопку упругость или делающей льняную ткань не столь мнущейся.

Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нити возможно тоньше. Тончайшие синтетические нити ткани хорошо видны на фотографии, сделанной под микроскопом (см. рис. 6.13).

Излюбленный материал сегодняшних модельеров – эластик удобен не только в спортивной одежде, но и в повседневных костюмах. Уже существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет; одежда из такой материи – хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице, например, для регулировщиков автотранспортного движения.

Одна из разновидностей синтетика – кевлар в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для изготавления пуленепробиваемых курток.

Весьма оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань или в пенопластмассу (см. рис. 6.14).

Капсулы содержат парафины. При нагревании они плавятся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом. В конечном счете костюм из подобной ткани становится преградой на пути солнечных лучей к телу человека. Решая обратную задачу – охлаждение, те же парафиновые шарики начинают отвердевать под действием холода, пришедшего снаружи; застывание сопровождается выделением тепла, которое согревает ткань и тело космонавта.