Последний — замечательный пример странной закономерности в развитии пластмасс: этот материал не появлялся на рынке до 1959 г. Сейчас, после десятилетия неустанного усовершенствования, поликарбонат медленно завоевывает успех в строительной промышленности.
Рассказывают такой случай о материале, из которого были изготовлены прозрачные кирпичи. Во время их демонстрации было объявлено, что они так прочны, что выложенную из этих кирпичей стенку нельзя прострелить. Принесли пистолет, был произведен выстрел, результатом были небольшие, аккуратные дырочки. Кто-то из последнего ряда спросил: «А что будет, если по стенке ударить ногой?» «Что будет? Ну, конечно же, ничего, кроме того, что вы ушибете себе ногу», — последовал ответ. Спрашивающий поднялся, прошел вперед и сильно ударил по стенке ногой — она сразу же развалилась.
Я уверен, что в правдивости этой истории можно усомниться, и она является одной из многих историй, придуманных представителями конкурирующих организаций с целью отпугивания потенциальных потребителей.
Возвратимся к подлинной истории. Мочевиноформальдегид, который был известен с 1884 г., лишь в 1918 г. был запатентован Гансом Джоном в США в качестве клея и материала для пропитывания тканей. Вариантом этих новых материалов стал твердый прозрачный материал, и это стимулировало поиски синтетического заменителя стекла, которые пока еще не увенчались успехом.
Теперь темпы разработок несколько возросли. Одна терпевшая крах британская компания с отчаяния переключилась с производства цианида на поиски новых химических веществ и добилась коммерческого успеха в производстве пресс-порошка (одновременная конденсация мочевины, тиомочевины и формальдегида), который можно было применять как связующее целлюлозной массы и древесной муки. Материал, получившийся на основе этой смеси, поступил на рынок, но обладал способностью размягчаться и выделять запах при нагревании.
Следующий успех был связан с меламином, открытым в 1834 г., а ныне используемым в качестве основы для ряда новых смол (некоторые из них стали применяться в качестве лицевого покрытия декоративных бумажно-слоистых пластиков и бакелита) немецкими и швейцарскими компаниями.
В 1929 г. Уильям Чалмерс в университете Мак-Гилл (Монреаль) работал над заменителем стекла. Он обнаружил, что твердый прозрачный материал можно получить из полимеров метакрилового сложного этилового эфира и метакрилового нитрила. Его открытие было быстро замечено в США и Великобритании, где был получен полиметилметакрилат, который уже в 1934 г. по скромной цене сбывался на рынке. Вскоре он нашел применение в качестве остекления самолетов.
Первая мировая война подчеркнула важность химической промышленности для любой воюющей страны, а вторая мировая война стимулировала широкое развитие полимерной промышленности.
До тех пор химики по пластмассам ощупью блуждали в темноте. Основные мономеры были известны уже почти столетие, но ни они, ни механизм полимеризации не были поняты. Это было время использования принципа «брать и смешивать» — выбирали несколько химических веществ, перемешивали и смотрели, что получится. Подобно «эмпирическому методу» строительного эксперимента — ударить ногой и посмотреть, устоит ли.
Это положение вещей наглядно иллюстрируется на примере создания полистирола. Стирол-мономер был открыт 1830 г., а полимер — в 1845 г., но только незадолго до второй мировой войны (знаменательно, что это произошло вскоре после возникновения теории Штаудингера, в которой обоснована идея происхождения полимерных материалов из гигантских молекулярных цепей) началось коммерческое производство этого материала.
Полиэтилен, открытый в Великобритании в 1933 г. и пущенный в производство в 1939 г., стал исключением из общего правила. Открытие было сделано типично английским способом, т. е. случайно. Оно было результатом небольшой утечки в приборе, которая способствовала прониканию в камеру кислорода, необходимого для формирования материала.
| Таблица 2. Основные полимерные материалы, их обозначение и принадлежность к термопластичной или термореактивной группам |
|---|
В Германии требование не зависеть от европейских поставщиков материалов послужило сильным стимулом для развития полимерной промышленности и привело к увеличению производства полистирола, целого ряда виниловых пластмасс и метакрилатов. Производство поливинилхлорида в Великобритании не начиналось до выхода Малайи из состава Британской империи и последовавшего за этим прекращения поставок натурального каучука, что вообще вызвало развитие промышленности синтетического каучука, способной конкурировать с уже преуспевающей промышленностью Германии. И не только в Великобритании и Германии, но и в США в 1942 г. производство всех видов синтетического каучука составило 3600 т, а к 1945 г. американское производство каучуков, разработанных в Великобритании, составило 725 тыс. т.
За послевоенным периодом затишья последовали изменения в направленности поисков новых полимерных материалов. Прежде вслед за открытием материала искали пути его эксплуатации, теперь же сначала определялись нужные свойства, а затем разрабатывался соответствующий продукт. Полиуретан, открытый Байером в поисках материала, близкого нейлону, является типичным примером этой новой тенденции.
Несмотря на тот факт, что исключения все же существуют — а полипропилен был таким исключением, — с 50-х годов тенденция получения новых или модифицированных материалов для определенной цели значительно возросла. И в этом — будущее полимерной промышленности.
Мягко выражаясь, странно, что мир пластмасс должен отдать должное Парксу, Хайэту и Бакеланду, как основателям промышленности, хотя они не являются первооткрывателями новых материалов, а скорее предпринимателями, распознавшими и использовавшими возможности, заложенные в идеях других людей.
Первооткрывателям не повезло в том, что этим трем людям достались все почести, тем более, что они же и извлекли выгоду из этих открытий.
Странно и то, что в полимерной промышленности высоко оценивается применение пластмасс в прошлом, но в настоящее время этому отводится второстепенная роль. В результате того, что основные усилия, как физические, так и финансовые, сейчас приложены к созданию новых материалов, исследованию их применения не уделяется должного внимания. Возможно, эта ситуация изменится в результате перепроизводства или, может быть, станет ясно, что перспективное планирование производства материалов может и должно основываться на расширении изысканий новых применений.
Глава 3. Материалы
Пластмассы представляют собой искусственные материалы, которые в природе не существуют. Они являются органическими соединениями, т. е. в основе их лежит углерод (хотя существует все увеличивающееся число исключений из этого правила). Это высшие полимеры, громадные молекулы которых состоят из малых простых повторяющихся элементов, соединенных в большие группы. Как явствует из названия, пластмассы бывают пластичными на какой-то стадии их производства, и на этой стадии их можно формовать посредством различных методов1.
1 В современной специальной литературе пластмассами (пластическими массами) называют материалы, содержащие полимеры (химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок), которые в период формования изделий находятся в вязкотекучем или высокоэластичном состоянии, в процессе эксплуатации— в стеклообразном или кристаллическом состоянии. См.: Энциклопедия полимеров, т. 1—2, М., 1972—1974 (прим. науч, ред )
Атом углерода — основа огромного большинства полимерных материалов. Графически его можно представить в виде шара с четырьмя равномерно расположенными валентностями или связями, к которым могут подсоединяться другие атомы. Например, атом водорода одновалентен, поэтому к одному атому углерода можно подсоединить четыре атома водорода. В результате получается метан. Или же два атома кислорода, каждый с двумя связями, могут соединиться с одним атомом углерода, в результате чего получается двуокись углерода.
Следующая вариация: один атом углерода соединяется с другим атомом углерода. Если связь двойная, то к оставшимся связям подсоединяются атомы водорода: так получается этилен. Если связь между двумя атомами углерода тройная, то образуется ацетилен.
Соединения с такими множественными связями называются ненасыщенными; это означает, что при определенных обстоятельствах валентности могут отделиться и присоединиться к другим веществам — или к другим молекулам такого же типа.
Например, мономеры этилена, упомянутые выше, могут соединяться в цепь, образуя материал, который известен как полиэтилен. (Название полиэтилен часто заменяют сокращенным названием политен.)
Длинная цепь мономеров (простейшая группа атомов, из которых состоит цепь) называется полимером, очень длинная цепь называется высшим полимером.
Свободные связи на конце цепи могут быть закрыты отдельными атомами или группами атомов или же конец цепи может соединяться с ее началом.
Такой материал, как полиэтилен, состоит из большого количества таких цепей, которые чрезвычайно прочны внутри, но очень слабо связаны между собой.
Это означает, что цепи могут скользить и скользят относительно друг друга, и когда это случается, материал изменяет свою форму. Например, если образец полиэтилена нагрузить, цепи могут сдвинуться относительно друг друга, а если груз убрать, они могут и не вернуться в первоначальное положение. Это явление известно под названием ползучести.
Если материал нагреть, он начнет размягчаться и в конце концов потечет. Тогда ему можно придать любую форму. Это происходит в результате ослабления связей между цепями, которые легко могут двигаться относительно друг друга: совсем как нагретые консервированные спагетти. Такой материал принадлежит к группе термопласт