Об уникальных способностях полимеров решать сложнейшие задачи в самых разных сферах
«Пластмассы в массы» — примета ХХ века. Но полезные свойства природных полимеров человечество открыло ещё тысячи лет назад.
Много ли общего у рукоятки ножа из рога оленя и мехового манто? Как связаны шёлковое кимоно и фюзеляж самолёта? Что объединяет янтарную брошь и бильярдный шар? А киноплёнку и шлем астронавта?
Всё это создано из особого класса материалов.
Они имеют высокую молекулярную массу, а их макромолекулы состоят из множества повторяющихся одномерных звеньев.
«Известия» оглянулись на мировую историю
и проследили в ней роль полимеров.
В древности человек активно использовал природные полимеры: дерево, волокна, кости. Всем нам знаком хитин — полисахарид, создающий структуру клеток живых организмов. Шерсть, мех, кожа содержат белок коллаген. А кости, рога и панцири в основном состоят из белка кератина. Древесина позволила получить целлюлозу (самый распространённый полимер на Земле), гемицеллюлозы (растительные полисахариды) и ароматический полимер лигнин. Кстати, именно он отвечает за уютный запах ванили и старых книг.
- хитин
- коллаген
- кератин
- целлюлоза
- гемицеллюлоза
- лигнин
Искусственные
волшебники
- нитрокрахмал
- пироксилин
- паркезин
- резина
Технический прогресс заставил экономить. Нужно было найти замену дефицитным натуральным материалам, то есть создать новые, искусственные полимеры. К концу первой трети ХIХ века учёные получили высокомолекулярное соединение — нитрокрахмал. В 1838 году француз Теофиль-Жюль Пелуз обработал бумагу и картон азотной кислотой и получил «взрывчатое дерево» — пироксилин. Восемь лет спустя швейцарец Кристиан Фридрих Шёнбейн пропитал смесью азотной и серной кислот хлопчатобумажную ткань, которая взорвалась от контакта с огнём. Вслед за его «стреляющим хлопком» в России научились готовить «метательную бумагу» и «бумажный порох». Александр Фадеев предложил использовать пироксилин как взрывчатое вещество.
Интересно, что за прошедшие 180 лет основы технологии получения нитроцеллюлозы не претерпели существенных изменений. А вот самым первым искусственным термопластичным полимерным материалом принято считать изобретение, сделанное в середине XIX века английским металлургом Александром Парксом. Он добавил к нитроклетчатке древесный спирт, пластифицировал её касторовым маслом и получил паркезин. Изделия из нового вещества можно было отливать, штамповать, окрашивать, гравировать и резать.
Первым широким применением искусственных пластмасс стало использование вулканизатов натурального каучука. После нагревания природного материала с серой получили более прочную, долговечную и совсем не липкую резину. Гибкие шланги, камеры для авто, дождевики, непромокаемая обувь и миллионы других изделий и деталей навсегда изменили представления о комфорте, технологичности и безопасности.
- нитрокрахмал
- пироксилин
- кератин
- паркезин
- резина
Полимерные материалы сильно повлияли на самые разные сферы жизни: от авиации до бытовых привычек людей. Например, во время Второй мировой войны парашюты изготавливали из нейлона. В аэрокосмической, судостроительной и автомобильной отраслях стеклопластики и углепластики позволили значительно облегчить конструкции, что дало экономию на топливе и множество других преимуществ. Полимерные упаковки и контейнеры также намного легче по массе, чем стекло, которое в основном применялось до этого. В медицине появились одноразовые шприцы, которые не используются повторно, что позволило избавиться от заражений.
Права считаться лучшим искусственным полимером XIX столетия справедливо удостоен знаменитый термопласт целлулоид. Недаром история его появления напоминает увлекательную киноленту. Гибкая и прочная целлулоидная плёнка обеспечила рождение нового вида искусства — кинематографа.
Но прежде химиков вдохновили практичные игроки. Дорогостоящую слоновую кость для бильярдных шаров решили заменить на искусственный аналог. Им стала пластмасса на основе нитрата целлюлозы с содержанием пластификатора и красителя.
Первую целлулоидную фабрику открыли в Нью-Йорке в 1872 году. И сразу прозвали фабрикой целлулоидных воротничков. Кроме несминаемых аксессуаров для истинных джентльменов в целлулоиде потом удалось воплотить и море дамских желаний: расчёски, оправы для очков, пудреницы, ручки зонтиков и даже роскошные каблуки для любительниц джаза! Целлулоидным клавишам рояля или корпусу баяна в прошлом веке тоже никто не удивлялся. А вот сегодня верность «материалу эпохи» преданно хранят лишь производители шариков для пинг-понга в странах Юго-Восточной Азии.
- целлулоид
- целлулоид
А знаете ли вы, что всем знакомый фибровый чемодан — это тоже о полимерах? Фибру (волокно) изготавливали на основе пластической целлюлозы. Прочный, сравнительно лёгкий материал, внешне напоминавший кожу, идеально подходил для демократичных моделей багажа. С фибровыми чемоданчиками ездили в пионерские лагеря и командировки, посещали здравницы, переезжали в новую квартиру. До сих пор этот символ советской эпохи можно встретить на блошином рынке, антресолях в прабабушкиной квартире или на бутафорском складе «Ленфильма». И, поверьте, этот предмет способен задеть фибры души не только химика.
Много шума, в прямом и переносном смысле, наделал целлофан. Хрустящую прозрачную плёнку из восстановленной целлюлозы получили в начале XX века. Она отлично пропускала ультрафиолетовые лучи, не растягивалась и, главное, «дышала»! Последний факт совершил революцию в розничной торговле. В прозрачную плёнку стали упаковывать свежее мясо, коробки конфет, хлеб, букеты цветов. Целлофан считался настолько полезным изобретением, что в середине 30-х был воспет в бродвейском мюзикле Anything Goes.
Полученный в 1909 году бакелит стал первым промышленным полностью синтетическим полимером. Бельгиец Лео Бакеланд путём поликонденсации фенола и формальдегида удовлетворил запрос на бюджетный электроизолирующий материал. А заодно положил начало моде на бакелитовые браслеты и броши. Эта бижутерия оказывалась на пике актуальности и во время расцвета ар-деко, и в 30-е, и в 40-е. Яркую палитру и невесомость изделий высоко ценила сама Коко Шанель.
Местом рождения первой отечественной пластмассы стала ткацкая фабрика в подмосковном городе Орехово‑Зуево. Новый материал синтезировали в начале 20-го века методом поликонденсации карболовой кислоты с формальдегидом. Из полученного карболита выпускали розетки, патроны электроламп, детали радиоприёмников, раций, а ещё ручки, фоторамки и даже чернильницы.
- целлофан
- бакелит
- карболит
- целлофан
- бакелит
- карболит
- термопласты
- реактопласты
Синтетические полимеры разделяют на две большие группы: термопласты (полиэтилен, ПВХ, полистирол, ПЭТ...) и реактопласты (фенопласты, полиуретаны, эпоксидные смолы...).
Первые легко плавятся при повышении температуры, принимают заданную форму, застывают, но после могут вновь расплавиться. Вторые при нагреве тоже переходят в вязкотекучее состояние, но при этом в массе полимера происходят взаимодействия между макромолекулами и образуется новый полимер. Эта химическая реакция необратимая и не позволяет реактопластам многократно менять своё состояние.
Вот почему принципиально отличается и способ вторичной переработки термопластов и реактопластов. Одни можно переплавить, а другие лишь измельчить в порошок и использовать как наполнитель.
- термопласты
- реактопласты
Дай пять!
пересчитать по пальцам одной руки:
Время синтетических пластмасс наступило с появлением и развитием крекинга — термического разложения под давлением нефти и газа. Попутно возникающий газ (этилен) стал сырьём для полиэтилена. Из полученных мономеров синтезируют пластмассы основных видов: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и полиэтилентерефталат (ПЭТ).
Впервые синтезировать полиэтилен удалось в 1936 году. Сначала из него производили изоляцию для кабелей, а также полезные в хозяйстве тазы, вёдра, упаковку. Сегодня материалы на основе полиэтилена не только активно используют в приборостроении и автопроме. Из таких полимеров создают искусственные суставы, бронежилеты и современные спортивные товары. Нередко от качества и надёжности такого «сырья» напрямую зависит жизнь человека. Незаменим полиэтилен и в упаковке, ведь он не пропускает воду, а некоторые разновидности плёнок из него не пропускают кислород и используются для вакуумной упаковки сыра, мяса и других продуктов питания. Эта упаковка сохраняет продукты неделями. Ну и, конечно, полиэтиленовые пакеты-майки знает каждый посетитель продуктовых магазинов.
Через год после синтеза полиэтилена американец Уолдо Семон положил начало массовому производству поливинилхлорида. Вообще‑то впервые этот материал был получен веком ранее. Француз Анри Реньо случайно оставил на подоконнике пробирку с винилхлоридом. И за несколько дней под воздействием солнечных лучей в ней образовался белый порошок. Растворить новое вещество или вызвать другие реакции тогда не получилось. А вот американский инженер заметил, что добавки некоторых веществ превращают хрупкие пластики в резиноподобную массу. Эти компоненты назвали пластификаторами и с их помощью заметно расширили область применения полимеров. Тот самый, всем знакомый ПВХ не сложно превратить и в гибкий линолеум, и в твёрдую виниловую пластинку. Жёсткий ПВХ незаменим при изготовлении канализационных труб и строительства коммуникаций в бассейнах. Так как именно этот материал — абсолютный чемпион по устойчивости к кислотам и растворителям.
В 1955 году профессор Джулио Натта изобрёл более прочный по сравнению с полиэтиленом синтетический полимер — полипропилен. С изделиями из этого материала мы сталкиваемся ежедневно. Достаточно зайти в хозяйственный магазин, взять с полки супермаркета упаковку чипсов, или шариковую ручку во время лекции, или в продуктовом магазине — это лотки для стейков в вакуумной упаковке, для нарезки рыбы и т.п. Термоусаживающаяся плёнка из двуосно-ориентированного полипропилена служит упаковкой для коробок конфет и для пачек сигарет. Но такую же плёнку, правда, толщиной всего 2 микрона применяют при производстве конденсаторов. Эти полупроводниковые детали незаменимы в электронной промышленности. Эти же плёнки используют в конструкциях современных аккумуляторов. А ещё волокна полипропилена не поддаются гниению и набуханию в воде. И из них получаются отличные морские канаты.
ориентированная
В середине XX века наступила эра полиэтилена и полипропилена. Их дешевизна и универсальность породили мир одноразовой упаковки, пищевых контейнеров и прочных труб. Полистирол произвёл революцию в быту, ведь из него делали всё: от одноразовой посуды до корпусов техники. А появление нейлона (полиамида) изменило мир текстиля, появились первые прочные и эластичные синтетические волокна для одежды, чулок и парашютов.
Появление полистирола, а затем и его модификации с неимоверно сложным названием акрилонитрилбутадиенстирол (или просто АБС) открыло эру пластиковых корпусов, а вспененный вариант полистирола стал самой распространённой сейчас теплоизоляцией, применяемой в строительстве домов.
После изобретения ударопрочного полистирола (УПС), содержащего каучук, молочные продукты обрели удобную и изящную тару, а посуда научилась быть одноразовой. Из ориентированного полистирола производят термоусадочную плёнку толщиной 40–50 мкм. На ней печатают необходимую информацию и склеивают в рукав. Такая заготовка с помощью нагрева «усаживается» на упаковку, стакан и бутылку. Ёмкость приобретает узнаваемую внешность, а покупатель — важные сведения о содержимом. Такая плёнка настолько прозрачна, что практически незаметна для человеческого глаза. Она позволяет рассмотреть упакованное изделие в мельчайших деталях.
- полистирол
- полистирол
Хорошо знакомый с детства пенопласт не что иное, как разновидность вспененного полистирола (пенополистирола). Его широко применяют не только для упаковки, а и как тепло-, влаго- и звукоизолирующий материал. Часто используют для производства строительных панелей.
Полимер тоже с очень сложным названием полиэтилентерефталат уважают те, кто избавляет от жажды. Благодаря ПЭТ производители напитков обрели канистры и бутылки разного объёма. Из этого же материала сегодня производят и термоусадочные этикетки с красочным изображением. После нагрева ПЭТ этикетка облепляет бутылку, как чулок на ноге. Выбирая между этикеткой ПЭТ и этикеткой ПВХ, производитель всё чаще отдаёт предпочтение полиэтилентерефталату. Так как на выходе получает тару и этикетку, сделанные из одного материала. Такой «дуэт» проще переработать во вторичное сырьё.
Порадовались появлению ПЭТ и косметические марки. Теперь шампуни, кремы, маски сложно представить без эргономичных пузырьков и баночек.
- полиэтилен
тере
фталат
Производимая
лёгкость бытия
Благодаря талантам химиков поликарбонатное ударопрочное стекло отправилось на Луну, защищая лицо астронавтов. Искусственный шёлк — нейлон превратился в композитные корпуса летательных аппаратов. А полиимид стали применять в строительстве аэрокосмической техники, где важно выдерживать температуру до 400 °С, не меняя формы и не воспламеняясь.
- полиимид
Тефлоновая сковородка на вашей кухне и космический аппарат, парящий на высоте в несколько сотен километров, могут оказаться ближайшими родственниками. Обоих объединяет известный полимер фторопласт. Правами на производство материала, сохраняющего свойства при +260 °С, владеет фирма DuPont. Именно фторопласт обеспечивает посуде тот самый знаменитый антипригарный слой.
- полиуретан
Одним из самых важных полимеров для современной экономики специалисты считают полиуретан. По объёму его производства зачастую оценивают промышленную мощь государства. В одежде с добавлением полиуретановых волокон выходят на подиум и выигрывают олимпийское золото. Тонким слоем полиуретанового каучука покрывают лопасти вертолётов, чтобы защитить от атмосферных воздействий. И этот же материал активно используют для выпуска эстетически безупречной белой резины.
На фоне остальных материалов синтетические полимеры действительно умные. Речь о возможности их инжиниринга, то есть программировании нужных свойств. Подобно роботу, созданному для решения конкретных задач, синтетические пластмассы можно «заточить», изменяя стойкость к коррозии, различным излучениям и другим вредным факторам. Повысить долговечность, поднять износостойкость, уменьшить вес, увеличить прочность на прокол и на разрыв созданных из полимеров плёночных материалов.
Ни металл, ни стекло не могут конкурировать с пластмассами в экономичности и ресурсосбережении. Например, затраты на транспортировку грузов в одноразовой пластиковой упаковке существенно ниже благодаря лёгкости пластика по сравнению со стеклом, деревом и металлом.
- полиуретан
Для современной индустрии полимеры незаменимы. Стабильный рост производства и потребления полимерных материалов фиксируют по всему миру. В России он составляет 3–4% в год. Это важное звено отечественной экономики.
Огромная территория страны опутана сетью газопроводов. А представляете, что все эти 173 тыс. км труб покрыты полимерным изолирующим слоем? Они могут прослужить больше полувека, не подвергаясь коррозии.
Применение полимеров гарантирует высокую производительность. Запасы металлических руд ограничены, в то время как источники углерода — основного компонента подавляющего числа полимеров — более чем доступны. Это нефть, природный газ, каменный и бурый уголь, бытовые отходы, карбонаты и, наконец, диоксид углерода из воздуха.
Сегодня открытия в новой области науки — нефтехимии — направлены на разработку «зелёных» биопластиков. По мнению учёных, биоразлагаемые пластмассы можно заставить распадаться на воду, органический гумус и углекислый газ, как это делают органические материалы. Правда, сфера применения таких пластиков пока что довольно узкая. Ведь легко распадаясь, они теряют своё «коронное» свойство — атмосферостойкость и химическую нейтральность. А смысл существования этих испытанных временем помощников как раз в их выносливости.
Жителям ХХI столетия пора принять меры для повсеместного соблюдения экологических стандартов и правильного обращение с пластмассами. Знание истории появления и характера этих рукотворных полезных материалов поможет собирать их отдельно от биопластиков. Дальнейшая переработка и создание вторичного сырья для новых товаров — необходимый шаг на пути принятия полимеров как незаменимой составляющей современной жизни.
- биопластик
- биопластик
Гости из будущего
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен с его высокой прочностью, стойкостью к истиранию и биосовместимостью можно смело назвать материалом завтрашнего дня. Его используют для создания долговечных искусственных суставов и костных имплантов, в качестве покрытия для ледовых арен, выпуска строительных панелей на Крайнем Севере и надёжной бронезащиты.
Разработка и создание новых полимерных материалов связаны преимущественно с тем, насколько необходимым будет достижение требуемых потребителем эксплуатационных свойств, а также с потребностями внутреннего спроса различных секторов экономики.
- полиимид
- полифенилен
сульфид - полибензими
дозол
Расширяя ассортимент полимерных материалов, мы решаем задачи не только упаковочной индустрии, но и электронной, ракетно-космической, авиационной и оборонной промышленности. Новые материалы обязаны максимально справляться с экстремальными условиями эксплуатации: иметь высокую прочность, термостойкость, газонепроницаемость и быть неуязвимыми для радиации. Не менее важны их огнестойкость и атмосферостойкость.
Во многом таким требованиям соответствует полиимид. Его используют для изоляции кабелей в зонах высокого нагрева, защиты спутников от солнечного излучения, изготовления печатных плат в электронной промышленности. Ещё один «супергерой» — полифениленсульфид. Этот прочный и жёсткий материал максимально устойчив к воздействию масел и растворителей, ультрафиолетовому, гамма — и рентгеновскому излучениям. Волокнистые материалы из ПФС применяют как нетканые фильтры для пылеулавливания при газоочистке угольных котлов, на мусоросжигательных заводах.
Около 70% производственных предприятий использует базовые полимеры общетехнического назначения — такие, как полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП). Более сложные инженерно-технические полимеры, такие как полиамиды (ПА) и поликарбонат (ПК), занимают около 28% рынка. Они нужны в автопроме и приборостроении. А доля суперконструкционных пластмасс не превышает 2% от общего выпуска. Но за ними будущее.
Жидкокристаллические полимеры, обладающие низким коэффициентом термического расширения, сравнимым со сталью и керамикой, активно используют разработчики современных автомобилей, авиационной и космической техники. Особое доверие конструкторов завоевал полибензимидозол. Этот сверхтермостойкий, высокопрочный аморфный полимерный материал имеет температуру долговременной эксплуатации 430 °С и способен кратковременно выдержать нагрев до 760 °С. Заменить дорогостоящий титан для такого полимера — не проблема!
- полиимид
- полифенилен
сульфид - полибензими
дозол
Зарубежные исследователи разработали инновационный полимерный материал, который способен менять цвет при воздействии силовых нагрузок — например, при ударе. Причём энергия удара влияет на полученный оттенок цвета. Такой материал был создан благодаря имеющейся кристаллической структуре полимера определённой формы. Происходившие при ударе разрушения или деформация кристаллитов приводили к изменению видимого цвета. Вдобавок учёные убедились, что, варьируя силу удара, можно регулировать цветопередачу.
Ещё вчера такой полимер-диагност поражал воображение любителя фантастики. Но ещё чуть-чуть — и встроенный в защитные шлемы такой «помощник» сможет подсказывать медикам место и силу полученной травмы. Легко представить обшивку самолёта, которая сама подсвечивает образовавшиеся микротрещины, или чайник, предупреждающий сменой оттенка о внезапном перегреве.
В одном из экспериментов учёные сумели с помощью света изменить форму и размер полимера, заставив его сжиматься и расширяться одним нажатием кнопки. Чувствительные к световому излучению молекулы поместили в сшивающиеся «мостики» (они соединяют длинные линейные цепочки полимеров в крупную молекулярную сеть). Когда полученный полимер подвергли воздействию света, он сократился в длину, но стал шире и толще. После прекращения воздействия материал вернулся к своим прежним размерам.
Прогресс стремительно стирает границы между невозможным и привычным, завтра и вчера. Полимерные технологии активнее прочих ускоряют этот процесс. И помогают заглянуть в будущее. Уже сегодня.
Сейчас в мире появляются всё новые способы переработки отходов из полимеров. Среди них не только механическое дробление изделий, но и превращение их в новые химические соединения — химические масла, похожие по свойствам на нефть. Эти технологии позволяют начать решать главный вопрос, ещё недавно казавшийся фантастическим: нужна ли добыча ископаемых нефти и газа для создания полимеров или сырьё для них также можно синтезировать из отходов?
Ответственное использование любого материала и вещи из него составляет основу экологии планеты. Мусор — это то, что оставляет после себя человек, не соблюдая правил чистоты и порядка. Можно разбросать стекло, бумагу, одежду, окурки, жестяные банки, и мусора вокруг не станет меньше, он может стать куда опаснее пластика.
«Воссоздать в пластмассе целый мир», как того требовал французский философ Ролан Барт, восхищённый универсальным материалом, было бы тотальной ошибкой. И всё же отсутствие полимеров в современной жизни сделало бы её невозможной или как минимум сократило вдвое. Примирить человечество с вездесущим пластиком, вовсе не значит смириться с его возможными рисками. Способы сбора, переработки и экологичного производства обязательно будут найдены. Уже обнаружены морские бактерии, способные разлагать пластмассу и преобразовывать этот источник углерода в необходимую энергию. Не исключено, что и другие действенные меры человеку подскажет сама Природа.
Микропластик. Это самый противоречивый термин современности. С одной стороны, он существует в виде мельчайших частиц полимеров, похожих на пыль, возникающих более всего от стирки синтетических тканей. С другой стороны, пока не найдено ни одного научного доказательства о его вреде живому организму. Почему? Очевидно, потому, что, как и любой пластик, как мы уже знаем, микропластик химически инертен и не всасывается организмом, как химические вещества в процессе пищеварения, и не накапливается в клетках, как принято считать, но выводится наружу самым естественным путём.