Владислав Пристинский - 100 знаменитых изобретений
В конце XIX – начале XX в. на основе формальдегида и фенола стали изготавливаться бакелиты, названные по имени бельгийского ученого.
В 30-е годы XX в. английский химический концерн «Ай-Си-Ай» развернул программу исследований химических реакций под высоким давлением (50–150 МПа). Одна из целей этой работы состояла в проверке предположения, согласно которому при повышенном давлении некоторые реакции конденсации (соединения) молекул должны протекать с высокой скоростью без катализатора. Случайно одной из первых изученных реакций было взаимодействие этилена с бензальдегидом. Ожидаемого продукта конденсации в лабораторном автоклаве обнаружено не было. Но иногда на стенках сосуда находили белый твердый налет рогоподобного вещества.
Сначала ему не придавали значения, так как, согласно данным анализа, он не содержал фрагментов бензальдегида. Но позже его начали исследовать. Вскоре было установлено, что это полимер этилена, по свойствам схожей с гуттаперчей – одним из видов натурального каучука. Гуттаперча, благодаря высокому электрическому сопротивлению, водонепроницаемости и пластичности, в то время широко применялась для изоляции подводных электрических, телеграфных и телефонных кабелей.
Фирма, которой был предложен новый материал, специализировалась на изготовлении оболочек кабелей из гуттаперчи. Она располагала необходимым оборудованием. Уже через год стало ясно, что перед полиэтиленом как новым электроизоляционным материалом открывается большое будущее. Теперь концерн «Ай-Си-Ай» выделил крупные средства на создание уникального производства полимера этилена под давлением 150 МПа, и началась «полиэтиленовая» жизнь.
Коротко остановимся на других, наиболее распространенных видах пластмасс.
Фторопласт сейчас более известен под названием тефлон. Он представляет собой полностью фторированный полиэтилен. Фтор придает полиэтилену высокую химическую стойкость. Фторопласт применяется для уплотнения трубопроводов, производства посуды.
Нейлон – это волокнообразующий полимер из группы полиамидов, разработанный американской фирмой «Дюпон».
Лавсан, получивший название от лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук СССР – волокнообразующий полиэфир – полиэтилентерефталат.
Все пластмассы делятся на термопласты и реактопласты.
Термопласты построены из длинных нитевидных макромолекул. Температура размягчения термопластов от 100 до 250 °C в зависимости от химического состава.
Термопласты при нагревании ведут себя подобно металлам. Если такой полимер нагреть, он начнет размягчаться, станет эластичным, тянущимся, как резина. Он становится пластичным, его можно продавливать, придавать ему любую форму. При охлаждении вновь затвердеет.
Основными видами термопластов являются полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полиформальдегид, фторопласт, полиамиды, поликарбонаты.
Нитевидные макромолекулы называют линейными макромолекулами. Если у макромолекулы есть боковые ответвления – это разветвленные макромолекулы.
При определенных условиях отдельные макромолекулы могут соединяться. Полимер, образованный из таких молекул, называется сшитым, сетчатым или трехмерным. Такой полимер уже не расплавляется при нагревании, а может только размягчаться.
Свойства полимеров такого типа меняются в зависимости от строения.
Редкосшитые полимеры более устойчивы к воздействию высокой температуры, чем линейные. Густосшитый полимер твердый, жесткий и неплавкий. Такие неплавкие полимеры получили название термореактивных, или реактопластов.
Однородные, водостойкие, устойчивые к разным видам нагрузок реактопласты получают, используя в качестве связующего вещества эпоксидные, полиэфирные, феноло-альдегидные или меламино-формальдегидные смолы, а в качестве наполнителя – синтетические волокна, ткани, бумагу из этих волокон. После окончания формования изделий из реактопласта полимерная фаза в них приобретает трехмерную структуру. Поэтому реактопласты имеют более высокие, чем термопласты, твердость, прочность, упругость. При этом их свойства не зависят от температуры.
Деление синтетических полимеров на термопласты и реактопласты обусловлено особенностями формования изделий из этих полимеров. Термопласты можно расплавить при нагревании, а из жидкого расплава формовать банки, коробки, волокна, трубы, листы, пленки. Одним из наиболее распространенных способов производства изделий из термопластов является литье под давлением.
При этом способе пластмасса нагревается в отдельной камере и после размягчения насосом под давлением подается в холодную пресс-форму. Пластмасса заполняет ее и, охлаждаясь, затвердевает.
Реактопласты из-за сетчатой структуры приходится перерабатывать горячим прессованием. При горячем прессовании смесь полимера с добавками засыпают в горячую пресс-форму, состоящую из неподвижной подставки, по форме которой сходной с формой прессуемых изделий, и подвижного поршня-пуансона. После загрузки смеси пресс-форму закрывают и начинают давить на смесь пуансоном. Нагреваясь, смесь становится пластичной и под давлением заполняет пресс-форму. Затем при нагревании и под действием повышенного давления (а иногда на воздухе при обычных температурах) протекает реакция сшивания макромолекул, которую часто называют отверждением. Таким образом, реактопласт образуется непосредственно в форме. Этот процесс может занимать от нескольких минут до многих часов.
Постепенно масса затвердевает, и изделие вынимают из прессформы.
Таким способом можно изготавливать детали любой формы. Помимо полимера в состав пластмасс могут входить различные добавки: наполнители, пластификаторы, красители.
Наполнители придают пластмассе прочность, термостойкость, высокое электрическое сопротивление. В качестве наполнителя используют волокна, ткани, опилки и другие материалы. Если в качестве наполнителя используют ткань, то такие пластмассы называют текстолитами. Ткань, выступая в роли каркаса, значительно повышает прочность пластмассы.
Применение наполнителей снижает стоимость пластмасс, поскольку они дешевле самого полимера.
Пластификаторы увеличивают пластичность материала и готовой пластмассы. Пластификатором обычно выступают молекулы низкомолекулярного органического вещества. Его молекулы внедряются между молекулами полимера, ослабляя связи между ними. Это позволяет формовать пластмассу при более низкой температуре.
С помощью добавок можно придать пластмассам необходимые свойства. Так, вводя в состав пластмасс вещества, которые при нагревании разлагаются с образованием газов, получают газонаполненные пластмассы – пенопласты и поропласты.
Газ внутри пенопластов образует замкнутые полости. В поропластах материал пронизан сообщающимися друг с другом сквозными порами. Газонаполненные пластмассы образуют целое семейство. Среди них есть жесткие, твердые, эластичные. Они прекрасные тепло– и звукоизоляторы. Удельный вес пено– и поропластов значительно ниже, чем у дерева и пробки.
В стеклопластиках используется для упрочнения стекло в виде волокон, жгутов, матов, коротких волоконец. Связующим полимером могут быть эпоксидные и полиэфирные смолы, полиамиды, полипропилен и другие.
Существуют пластмассы, в которых роль усиливающих элементов играют углеродные, борные волокна. Их называют углепластиками, боропластиками.
Пенопласты, стеклопластики, а также слоистые пластмассы называют собирательным термином – композиционные материалы.
В начале XX в. во всем мире производилось всего несколько тысяч тонн пластмасс – очень мало по сравнению с другими конструкционными материалами – металлами, деревом, цементом, стеклом.
В XX в. производство полимеров превысило по объему производство стали и цветных металлов. Очень важно сравнивать эти показатели именно по объему, поскольку плотность синтетических полимеров значительно ниже, чем плотность металлов. Самый легкий металл – алюминий, его плотность 2,3 г/см3, железа – 7,8 г/см3. Плотность большинства полимеров колеблется от 0,9 г/см3 (плотность полипропилена) до 1,4 г/см3 (плотность поливинилхлорида). Следовательно, при равной массе объем полимеров примерно в 5–7 раз больше объема стали.
С каждым годом прирост выпуска полимеров постоянно растет, а выпуск металлов фактически стабилизировался.
По сравнению с металлами, у пластмасс есть несколько важных преимуществ:
1) пластмассы намного легче железа. При создании новых самолетов, автомобилей, кораблей, машин и механизмов, бытовых приборов и других конструкций это крайне важно: возрастают грузоподъемность, производительность, мощность, экономится топливо;
2) пластмассы не ржавеют, а из-за коррозии железа и стали почти треть ежегодно добываемого металла идет на замену проржавевшего;
