Синтетический каучук, пластмассы, химические волокна

В Государственном музее Революции хранится образец первого в мире синтетического каучука, изобретенного в СССР и полученного в 1930 г. на опытной заводской установке из этилового спирта по методу академика С. В. Лебедева. Ныне в нашей стране вырабатываются десятки сортов искусственных каучуков самых разных свойств.

Еще недавно искусственный каучук рассматривали как заменитель натурального. Теперь он приобрел совершенно самостоятельное значение. По ряду свойств некоторые синтетические каучуки превосходят натуральный или обладают такими свойствами, которые не имеют натуральные каучуки.

Например, резины из естественного каучука набухают в бензине и маслах, не могут работать при температурах выше 120°, а резины из синтетических каучуков бензомаслоустойчивы, некоторые из них работают при нагреве до 300°.

Одна из важных проблем современной химии - создание синтетических латексов. Синтетический латекс - это микроскопически малые частицы синтетического каучука, находящиеся в воде во взвешенном состоянии. Из этого материала путем его вспенивания воздухом и последующей вулканизации получают губчатую резину, которая находит широкое применение в автомобильной промышленности и в других отраслях. Она легка, эластична, прочна, обладает незначительной пористостью. Получены и латексные краски. Такие краски быстро сохнут и устойчивы к сырости. Производство их весьма выгодно. Оно совершенно не требует растительных масел, которых при изготовлении масляных красок затрачиваелось более 130 кг на тонну.

Большое значение латексы приобретают в связи с развитием производства искусственной кожи. Они незаменимы как пропиточные материалы во многих производствах. Синтетические латексы в больших масштабах будут применяться в электротехнической, бумажной, строительной и других отраслях промышленности.

Первую пластмассу - целлулоид - изобрели в 1869 г. в США, смешивая нитроклетчатку с камфарой. В самое короткое время целлулоидные изделия получили всеобщее признание. В начале XX в. появилась очень прочная пластическая масса бакелит из органических веществ фенола и формальдегида.

Большинство современных пластмасс представляет собой смесь нескольких веществ, которые можно разделить на три основные группы: связующие вещества, наполнители и пластификаторы.

Связующие вещества - основа пластмассы. Такими веществами являются природные и главным образом искусственные смолы - высокомолекулярные органические полимеры, которые при нагревании размягчаются и переходят в пластическое состояние.

Наполнители заполняют пространство между частицами связующего вещества, усиливают их взаимную связь и тем создают прочность пластической массы. Кроме того, они позволяют сократить расход связующих материалов и удешевить пластмассу. В качестве наполнителей применяют древесную муку, бумагу, ткань, асбест, стекловолокно и т. д. Пластификаторы увеличивают степень пластичности пластмасс при нагревании, что улучшает процесс изготовления изделий нужной формы. Кроме того, пластификаторы обеспечивают эластичность готовых изделий.

Изделия из пластмасс отличаются прочностью, легкостью и дешевизной. Известно, что сталь, например, тяжелее воды почти в 8 раз, а пластмассы - лишь в 1,5-2 раза. Часто они бывают крепче стали, меди и т. д. Например, текстолит примерно в 6 раз легче меди, а по прочности не уступает чугуну. Текстолитовые вкладыши отлично работают в прокатных станах, гидротурбинах, подъемных кранах и других машинах и механизмах. Текстолитовые вкладыши для прокатных станов в 5-10 раз дешевле бронзовых, а служат в 3 раза дольше.

Пластмассы легко обрабатываются, их можно обтачивать и резать, сверлить и клеить, полировать, шлифовать, прокатывать и пропускать сквозь мельчайшие отверстия. Производство деталей из пластмассы значительно проще и дешевле, чем из любого другого материала.

Среди пластических масс большой известностью пользуются пенопласты. Это непроницаемые для воды и газов тепло- и звукоизоляционные материалы. Благодаря своей пористости они отличаются исключительной легкостью. При равных объемах пенопласты почти в 800 раз легче стали, в 100 раз легче воды и в 25 раз легче пробки. Лодку из пенопласта может нести даже ребенок. Заполненная до краев водой, она не тонет.

Есть пенопласты, устойчивые к действию растворителей и не способные гореть. Они обладают высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами, не подвержены гниению и практически беспредельно долговечны. Почти все они хорошо обрабатываются обычным столярным инструментом, отлично склеиваются с металлами, фанерой, древесиной, стеклом и другими материалами. Сейчас изделия из пенопластов широко применяются в промышленном рыболовстве, в производстве спасательных и тренировочных средств, протезов, термо- и звукоизоляционных материалов, тары, легкой мебели и т. д.

Широко известна пластмасса плексиглас. Часто ее называют небьющимся стеклом. Она прозрачна, как стекло, и в то же время очень прочна. Из плексигласа делают стекла для кабины пилота, иллюминаторы корабельных кают, линзы для фотоаппаратов, микроскопов и биноклей. Их производят способами отливки и прессования.

Большим достижением является создание армированных пластмасс, т. е. усиленных стеклотканью или стеклянными волокнами, - так называемых стеклопластиков. Стеклопластики более чем в 1,5 раза легче дюралюминия, в 4,5 раза легче стали и по прочности не уступают цветным металлам и сплавам. В отличие от металлов, они не подвергаются коррозии, устойчивы к воздействию агрессивных сред, обладают высокими электроизоляционными свойствами. Из стекловолокна, пропитанного полиэфирными смолами, делают кузова легковых автомобилей, корпуса катеров и моторных ботов, кабины тракторов, грузовых автомашин и экскаваторов, цистерны и другие крупногабаритные изделия.

Ежегодно почти треть мировой выплавки металла съедает коррозия. От ржавчины не спасают никель и хром, смазки, лаки и краски. И все же у ржавчины нашелся сильный противник. Это металлопласт - материал, сочетающий свойства стали с коррозионной стойкостью пластмассы. Металл, покрытый пленкой металлопласта, практически вечен, ему не страшны растворы самых едких кислот. Пленка служит надежным изолятором, "выдерживая напряжение в тысячи вольт.

Магнитодиэлектрики, или магнитные пластмассы, получают прессованием железного порошка и связующих смол (полистирол, эпоксидная смола и т. п.). Магнитодиэлектрики используются в массовых электротехнических устройствах и электрических машинах.

Все отрасли техники настойчиво требуют материалов, обладающих повышенной теплостойкостью и сохраняющих свои эксплуатационные качества при высоких температурах. Исследователи пробуют получать полимеры, отвечающие этим требованиям, в частности изменяя химический состав полимерной молекулы, вводя в нее группы, придающие изделию свойства повышенной термической устойчивости.

Для решения этих задач весьма плодотворным оказался путь создания элементоорганических соединений, цепочки молекул которых содержат атомы разных элементов, а также большое значение для техники высоких температур приобрели органические соединения кремния, фтора и некоторых других элементов.

На основе кремнийорганики создано семейство лаков и эмалей, которые применяются для защиты металлов и сплавов от коррозии. Эмаль, в которую кроме кремний-органической смолы входят металлические красители, выдерживает температуру до 550°. Кремнийорганические лаки устойчивы при 1700-1800°, когда плавится даже сталь. Тонкие кремнийорганические пленки годами способны охранять от атмосферной влаги самые разные материалы.

Создан материал, широко известный под названием " маслянит". По физико-механическим данным маслянит приближается к металлам, а антифрикционность роднит его с полимерами. В то же время маслянит и не металл и не пластмасса, а композиция металлов и высокополимеров.

Маслянит прежде всего самосмазывающийся материал - смазка органически входит в его состав. Он обладает очень высокой износостойкостью, значительно большей, чем у бронзы или баббита, и совершенно не боится коррозии. Маслянит применяется в химической промышленности в машино-, авто- и судостроении, гидротехнике, энергетике. Из него изготовляют вкладыши подшипников, зубчатые шестерни, детали, работающие в агрессивных средах, подшипники для погружных электронасосов и т. п.

Изобретены и применяются полимерные вещества, обладающие специальными свойствами, в том числе полупроводниковыми. Изготовленные в виде пленок, тканей, деталей, они помогут решить многие задачи радиоэлектроники, приборостроения, освоения космического пространства.

В строительстве и в мебельной промышленности используется большое количество дерева. В будущем предполагается применять его в химически обработанном виде. Древесина, пропитанная синтетическими смолами, становится негорючей, противостоит гниению. Для получения высококачественных древесных пластиков планируется применять древесные отходы - стружки, опилки.

Полимеры органически вошли в сельскохозяйственное производство. Из полимерных пленок изготовляются временные склады, хранилища для зерна и овощей, парники. Полимеры будут применять для задержания влаги, защиты посевов от вредителей и холода. Они помогут улучшить структуру почв, сыграют важную роль в создании новых форм удобрений и химикатов, обеспечивающих комплексность действия и, регулирование времени пребывания препарата в почве.

Без полимеров немыслима и современная медицина. Они применяются в виде нитей, клеев, синтетических кровезаменителей, из них делают протезы. Некоторые типы полимерных соединений обладают физиологической активностью. Лекарственные препараты из них помогут борьбе со многими заболеваниями. Полимеры позволят регулировать время пребывания лекарства в организме.

Широкие перспективы открывают технике высокомолекулярные ионообменные смолы - иониты. Они обладают способностью извлекать из растворов ионы. Иониты получили широкое применение в тех технологических процессах, при которых требуется извлечь ценные редкие и радиоактивные элементы из сильноразбавленных растворов. Они используются и в тонкой водоочистке. Иониты позволяют решить проблему пресной воды на корабле. Вместо цистерны взятой в запас воды мореплаватели берут с собой колонку с порошком иони-та, напоминающим манную крупу. Морская вода, пропущенная через эту колонку, становится пресной.

Иониты обладают замечательным свойством концентрировать вокруг себя примеси, содержащиеся в жидкостях. Ионитами очищают предназначенную для консервации кровь, вылавливают из воды золото при обработке золотоносных руд, фильтруют воду. В пищевой промышленности должны получить широкое применение ионообменные смолы для извлечения ценных продуктов из отходов производства.

Важнейшее значение приобретает промышленность химических волокон. Сравнительно недавно создание из продуктов переработки каменного угля прочнейших канатов и тонких чулок, а из нефтяных газов легчайшей ткани казалось фантазией. Сейчас производство синтетических волокон - одна из быстро развивающихся отраслей химической промышленности. Если история тканей из шерсти, хлопка, льна, джута и других природных материалов исчисляется тысячелетиями, то история вискозы, получаемой из целлюлозы, насчитывает всего полвека. И уж совсем молодая отрасль - производство синтетических волокон с заданными свойствами. Использование целлюлозы как исходного материала для получения химических волокон сначала привело к появлению нитратного метода для производства искусственного нитрошелка. Но первое химическое волокно было горючим. Вскоре были изобретены два новых метода получения химических волокон из природной целлюлозы - вискозный и ацетатный.

Вискозный метод в настоящее время является самым распространенным. Из вискозного волокна делают шелк, штапель и корд. При ацетатном методе природную целлюлозу обрабатывают с помощью уксусной кислоты и несколько иначе формируют волокно. При этом полученное волокно состоит уже не из чистой целлюлозы, а из ее прочного химического соединения с остатками уксусной кислоты. Ацетатный метод также оказался весьма эффективным. По этому методу получают волокно, из которого вырабатывается высококачественный ацетатный шелк, с успехом заменяющий натуральный в трикотажных и креповых тканях.

Своим широким развитием оба эти метода обязаны очень дешевому сырью в виде целлюлозы из еловой и лиственной древесины, сравнительной простоте технологического процесса и недорогим химическим веществам, идущим на производство волокон.

Современная химия и физика не только овладели секретами природы создавать молекулы-гиганты, но и разработали методы синтеза таких полимеров, аналогов которых нет в природе. Из продуктов коксования каменного угля получают полимеры, названные полиамидами. Из них научились изготовлять волокна капрона, нейлона и др. Из полимеров, получаемых на основе нефтяных газов, делают волокна нитрона, хлорина и десятки различных их видов.

Одно из магистральных направлений развития химической науки, открывающее путь к интенсификации производства, - синтез термостойких, жаропрочных и ограниченно горючих волокон.

С помощью синтеза материалы наделяют термостойкостью, эластичностью, химической инертностью, высокими электроизоляционными свойствами, прочностью. Так, из полиэпоксидных полимеров и борных волокон удалось получить новые слоистые пластики, обладающие исключительно высокими свойствами. Их удельная прочность более чем в 2 раза превышает удельную прочность металлов, применяемых в авиации. В отличие от металлов они не подвержены пластической деформации при разрушении. На основе полимеров и волокон с графито-подобной структурой созданы материалы, которые дадут возможность конструкторам снижать вес машин и агрегатов, а строителям - с меньшими затратами возводить здания.

Одно из основных направлений развития промышленности химических волокон и сырья для них - замена периодических процессов непрерывными, что будет способствовать максимальной автоматизации производства. Намечается внедрить непрерывный процесс производства капронового кордного и технического волокна с непосредственным формированием нити из расплава.

Продукция химии находит широкое применение в большинстве отраслей, заменяя дорогостоящее естественное сырье, помогая повышать качество изделий, увеличивать производительность труда.

Контрольные вопросы к лекции №12

1. В чем заключается необходимость замены природных материалов на синтетические?

2. Что представляет собой процесс полимеризации?

3. Какие материалы относятся к полимерам?

4. Что представляет собой молекула полимера и в чем ее своеобразие?

5. Охарактеризуйте большие семейства полимеров.

6. Что собой представляет синтетический латекс?

7. Когда были созданы целлулоид и бакелит?

8. Дайте характеристику связующим веществам, наполнителям и пластификаторам.

9. Дайте характеристику текстолиту, пенопласту, плексигласу. Где применяются эти материалы?

10. Что представляют собой армированная пластмасса и металлопласт?

11. Как получают магнитодиэлектрики (магнитные пластмассы), области их применения?

12. Назовите пути создания полимеров повышенной термической устойчивости.

13. Дайте характеристику материалу маслянит.

14. Что представляют собой и где применяются ионообменные смолы – иониты?

15. Укажите в каких целях применяются полимеры в медицине, сельском хозяйстве строительстве и мебельном производстве.

16. Охарактеризуйте неорганические полимеры, укажите их преимущества относительно органических полимеров.

17. Сравните свойства синтетических каучуков со свойствами натурального каучука.

18. Какими свойствами обладают слоистые пластики?

Поиск по сайту: