Основателем первого в мире крупномасштабного производства синтетического каучука по праву считается русский учёный С. В. Лебедев. Он впервые получил синтетический бутадиеновый каучук в 1910 году. К процессу полимеризации бутадиена Лебедев вернулся в 1932 году, когда правительство СССР объявило конкурс на разработку промышленного производства синтетического каучука. Лебедев с сотрудниками разработали недорогой и эффективный метод.
Благодаря этой разработке промышленное широкомасштабное производство синтетического каучука начато в Советском Союзе в 1932 году – впервые в мире. Следующей была Германия, которая начала производить синтетический каучук в 1936 году. С 1932 и вплоть до 1990 года СССР по объёмам производства синтетического каучука занимал первое место в мире.
Основными потребителями синтетического каучука сейчас являются шинные заводы, а около 40 % каучука идёт на изготовление широкого ассортимента резинотехнических изделий (более 50 000), среди которых наиболее заметное место занимают технические изделия из мягкой резины, подошвы для обуви, ленточные транспортеры, разнообразные трубы и шланги всех видов, электроизоляция, герметики, клеи, краски на латексной основе и т. д.
Пластмассы
Так называют материалы, основой которых являются синтетические или природные высокомолекулярные соединения (полимеры). Исключительно широкое применение получили пластмассы на основе синтетических полимеров.
В пластмассах на биологической основе полимеры получают из таких источников, как кукурузный крахмал, растительные жиры и бактерии, а синтетические пластмассы делают из сырой нефти и природного газа.
Название «пластмассы» (пластические массы) означает, что эти материалы под действием нагревания и давления способны формироваться и сохранять заданную форму после охлаждения или отвердения.
Первую пластмассу сделал английский металлург и изобретатель Александр Паркс в 1855 году и назвал её «паркезин». Он представил это вещество на Большой Международной выставке в Лондоне в 1862 году. Паркезин был сделан из нитроцеллюлозы, обработанной азотной кислотой и растворителем. Его часто называли искусственной слоновой костью. В 1866 году Паркс создал фирму «Паркезин Компани», но всего через два года производство пришлось остановить из-за плохого качества продукции, поскольку Паркс пытался экономить на материалах. Его пластик не отличался прочностью и легко горел. Преемником паркезина стал ксилонит (тот же самый материал, но под другим названием), производившийся компанией Даниэля Спилла, бывшего сотрудника Паркса.
А успех пришёл к целлулоиду Джона Уэсли Хайата. Он сделал твёрдую смесь нитроцеллюлозы и камфоры и зарегистрировал её под торговой маркой «Целлулоид» в 1870 году. Первоначально целлулоид стал использоваться там, где раньше использовали слоновую кость, в частности, для изготовления бильярдных шаров, клавиш пианино, искусственных зубов.
Правда, после судебных разбирательств в 1870 году судьи постановили, что именно Паркс был настоящим изобретателем первого пластика.
В 1907 году бельгийский и американский химик Лео Бакеланд изобрёл бакелит как замену шеллаку – природной смоле. Материал он получил, произведя реакцию поликонденсации фенола и формальдегида. Пришлось провести много опытов, но в конце концов Бакеланд получил полимер, не требующий отвердителей и при этом не растворимый ничем. Кроме того, вещество не проводило электричество. Это навело исследователя на мысль, что новый полимер может оказаться очень ценным. В 1909 году Лео Бакеланд рассказал о полученном им материале, который он назвал «бакелитом». В том же году Бакеланд получил патент на свой материал, а в 1910 основал компанию, которую назвал «Бакелит Корпорейшн».
В России также велись работы по созданию пластических масс на основе фенола и формальдегида. В 1913–1914 годах на шелкоткацкой фабрике в деревне Дубровке в окрестностях г. Орехово-Зуево Г. С. Петров совместно В. И. Лисевым и К. И. Тарасовым синтезировал первую русскую пластмассу – карболит и организовал её производство. Своё название карболит получил от карболовой кислоты, другого названия фенола. В дальнейшем Петров продолжил работу по усовершенствованию пластмасс и разработал текстолит.
Производство синтетических пластмасс основано на реакциях исходных веществ, выделяемых из угля, нефти или природного газа, таких, к примеру, как бензол, этилен, фенол, ацетилен и других.
В настоящее время на нефтеперерабатывающем заводе сырая нефть нагревается в печи, и углеводороды разделяются на разные группы, а затем их подают в дистилляционную трубу. Внутри неё более тяжёлые углеводороды опускаются на дно, а более лёгкие поднимаются вверх. В результате сырая нефть разделяется на несколько отдельных фракций, таких как нефть, бензин и парафин, каждая из которых содержит углеводороды одинакового веса и длины. Одна из этих фракций – более лёгкая летучая нафта, которая станет основным сырьём для производства пластика.
Два из множества содержащихся в ней углеводородов – это этан и пропен. Сначала их разбивают на более мелкие единицы, мономеры. Из этана получается этилен, из пропена – пропилен. Потом их полимеризуют, то есть из мономеров делают полимеры. Получаются полиэтилен и полипропилен, два самых распространенных и широко производимых полимера на Земле.
Состав полиэтилена позволяет использовать его для изготовления пластиков разной плотности, он может быть и хрупким, и прочным. Полипропилен – гибкий и эластичный. И именно из этих материалов делаются предметы одноразового использования, такие как картон для молока, пластиковая обёртка, трубочки для питья, бутылки с водой, пакеты для покупок, контейнеры для шампуня или других жидкостей и т. п.
Другие типы углеводородов выделяются и расщепляются из нефти и природного газа и также используются для производства пластика. Полимеры могут состоять из одного повторяющегося мономера, как в полиэтилене и полипропилене, или могут включать комбинации нескольких типов мономеров.
Кроме того, полимерные цепи могут обработать различными способами и смешать с различными добавками (антиоксидантами, пенообразователями, пластификаторами, антипиренами), которые позволяют им выполнять множество функций и делают пластмассы универсальными.
Практически сразу же промышленное производство полимеров проходило в двух направлениях – путём переработки природных органических полимеров в искусственные полимерные материалы и путём получения синтетических полимеров.
Природные органические полимеры делаются на основе целлюлозы. Первый из них – описанный выше целулоид. Крупномасштабное производство простых и сложных эфиров целлюлозы было организовано до и после Второй мировой войны и существует до настоящего времени. На их основе производят плёнки, волокна, лакокрасочные материалы и загустители.
Производство синтетических полимеров началось с изобретения бакелита. В течение десятилетий он применялся для изготовления корпусов электротехнических приборов, аккумуляторов, телевизоров, розеток и т. п., а в настоящее время чаще используется как связующее и адгезивное вещество.
Благодаря усилиям Генри Форда перед Первой мировой войной началось бурное развитие автомобильной промышленности сначала на основе натурального, затем – и синтетического каучука. Потом, лет через 20, это производство было освоено в Советском Союзе, Англии, Германии. В эти же годы появилось промышленное производство полистирола и поливинилхлорида, являющихся прекрасными электроизолирующими материалами, а также полиметилметакрилата – основы оргстекла.
После войны возобновилось производство полиамидного волокна и тканей (капрон, нейлон), начатое ещё до войны. В 50-х годах XX века было разработано полиэфирное волокно и освоено производство тканей на его основе под названием лавсан или полиэтилентерефталат. Полипропилен и нитрон – искусственная шерсть из полиакрилонитрила – тоже входят в список синтетических волокон, которые использует современный человек для одежды и производственной деятельности.
В середине 1950-х годов появились полимерные материалы на основе полиолефинов и прежде всего полипропилена и полиэтилена низкого давления, а также стереорегулярных полимеров, способных к кристаллизации. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны, поролон и полисилоксаны.
При этом пластик практически не разлагается в природе. Он может лежать столетиями. А если он все-таки распадается под воздействием солнечного света, воды и ветра, то выбрасывает содержащиеся внутри парниковые газы, а также выщелачивающие химические вещества, добавляемые в процессе производства, обратно в окружающую среду. И это в любом случае оборачивается экологической катастрофой. И когда он не разлагается, и когда он разлагается.
Помочь может производство биоразлагаемого пластика. Причем его не обязательно делать из биологических источников, таких как кукурузный крахмал. Его надо делать из полимеров, которые могут достаточно эффективно разрушаться микробами в воде и почве.
Уже сейчас полилактиды используются для изготовления одноразовых предметов, таких как чашки, столовые приборы и трубочки, которые могут более эффективно разлагаться при попадании в окружающую среду.
В 2016 году исследователи обнаружили бактерии, поедающие пластик, а другие группы нашли червей, поедающих полиэтилен (это гусеница большой восковой моли). Они также обнаружили ферменты, которые могут быть созданы для расщепления пластиковых отходов.
Синтетические волокна и ткани
Первым идею получить нить, аналогичную нити шелкопряда, озвучил французский учёный Реомюр ещё в 1734 году. Правда, в истории он остался как создатель температурной шкалы Реомюра. И только полтора столетия спустя, в 1890 году во французском городе Безансоне было открыто производство по переработке нитрата целлюлозы, в результате чего получили первое в мире синтетическое волокно.
С 1891 года технология производства вискозы изменилась. Благодаря разработкам английских учёных Кросса и Бивана началось промышленное производство вискозного полотна, и за 10 лет его начали производить в промышленных объёмах.