Материалы на любой вкус

ПЛАСТМАССЫ ВЧЕРА, СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

У металлов очень древняя история. Например, история меди насчитывает 7700 лет, а предметы из железа и стали были известны 4000 лет назад в Китае, Индии, Вавилоне и Ассирии. В отличие от металлов, синтетические материалы - пластмассы, синтетические эластомеры - каучуки и резины, химические волокна, силиконы - начали производить немногим более 50 лет назад. Несмотря на это, они во многих отношениях превосходят давно известные материалы. Правда, у каждого из них, как и у природных материалов, есть свои недостатки, и при выборе, разумеется, приходится их учитывать и сопоставлять с достоинствами. Главное преимущество пластмасс по сравнению с металлами заключается в том, что их свойства легче регулировать. Поэтому пластмассы быстрее и лучше можно приспособить к требованиям практики. К преимуществам пластмасс относятся также низкая плотность, отсутствие у большинства из них запаха и вкуса, высокая стойкость по отношению к атмосферной коррозии, к кислотам и щелочам. Кроме того, изделиям из пластмассы легко можно придать любую форму. Наконец, большинство пластмасс превосходно поддается крашению и обладает отличными электро- и теплоизоляционными свойствами. Зато устойчивость к высоким температурам и нередко прочность у них меньше, а тепловое расширение обычно больше, чем у металлов. Кроме того, некоторые пластмассы горючи.

ЗАМЕНИТЕЛЬ?

В тяжелые времена, в годы бедствий и потрясений создавались так называемые "эрзацы" - заменители отсутствующих веществ. Например, в первую мировую войну вместо тканей из шерсти и хлопка были предложены ткани из бумаги. Во время второй мировой войны появилось такое мыло из глины, у которого не было ничего общего с обычным мылом, кроме названия и формы кусков. Разумеется, это были очень плохие заменители.

Тогда синтетические материалы тоже должны были служить заменителями. Из-за отсутствия выбора часто приходилось использовать такие типы пластмасс, которые для данного случая не подходили или не были доведены до требуемого качества и достаточно проверены. Конечно, все это повредило репутации синтетических материалов. Однако в наши дни их уже нельзя рассматривать просто как заменители.

Правда, они и теперь часто применяются вместо природных материалов, но тогда, когда существенно превосходят их. Если вначале опыт работы с синтетическими материалами бывал неудачным, то причиной чаще всего было их неправильное использование. Многие инженеры старой школы считали новые материалы неполноценными. Во всех неудачах у них всегда был виноват, конечно, заменитель.

В наши дни практика заставила многих скептиков отказаться от своих прежних взглядов. Приведем лишь один пример. Вкладыши подшипников для сельскохозяйственных машин, для гребных валов, прокатных линий и вагонов сегодня могут изготавливаться из фенопластов. Они намного легче бронзовых или из сурьмянистого свинца - плотность фенопластов составляет приблизительно 1,7 г/см³, а бронзы - 8 г/см³. Кроме того, они долговечнее, и смазкой для них может служить вода. В прокатных станах вкладыши подшипников из фенопластов работают в 120 раз дольше, чем из сурьмянистого свинца.

В высокоразвитой химической промышленности ГДР производству синтетических материалов принадлежит особое место. Главное внимание уделяется изготовлению наиболее ценных типов пластмасс, а важнейшей задачей считается все более полное использование тех многообразных возможностей, которые предоставляет недавно созданная в ГДР нефтехимическая промышленность. Наряду с давно известными пластиками, служащими для изготовления предметов широкого потребления, промышленность выпускает все больше новых пластмасс специального назначения. В среднем 70—80 % стоимости всей выпускаемой в ГДР продукции приходится на долю материалов. Непрерывный научно-технический прогресс, автоматизация производства и повышение производительности труда — как сейчас, так и тем более в будущем — немыслимы без новых материалов. В самом деле, борьба за экономию материалов тесно связана с применением полимеров во всех отраслях народного хозяйства. Ведь пластмассы гораздо легче поддаются обработке, чем катаная сталь, и при их переработке получается меньше отходов. Но преимущество пластмасс не только в этом. Пластмассовые детали машин и аппаратов легче, устойчивее к коррозии и обычно дешевле. Можно не сомневаться в том, что в будущем соотношение между использованием пластмасс и конструкционной стали существенно изменится в пользу пластмасс. По самым осторожным прогнозам это соотношение по массе вместо 1: 23 в наши дни к 1980 г. изменится до 1:10.

ВЕЛИКАНЫ СРЕДИ МОЛЕКУЛ

В соответствии с государственным стандартом "пластмассами называются материалы, основной составной частью которых являются такие высокомолекулярные органические соединения, которые образуются в результате синтеза или же превращений природных продуктов. При переработке в определенных условиях они, как правило, проявляют пластичность и способность к формованию или деформации".

Молекулярная масса воды составляет 18 условных единиц, а виноградного сахара - 180. Хотя молекула виноградного сахара очень велика по сравнению с молекулой воды, ее еще нельзя назвать гигантской. Гигантские молекулы - химики называют их макромолекулами (от греческого makros - большой) - содержат от тысячи до нескольких миллионов атомов. Их относительную молекулярную массу нельзя выразить определенным числом, мы можем указать для нее лишь пределы.

Человек научился создавать макромолекулы вначале в лаборатории, а позднее - в промышленном масштабе из соединений простого строения - так называемых мономеров. Число молекул мономеров, которые соединяются друг с другом и образуют молекулу полимера, мы называем степенью полимеризации. Слово "полимер" образовано от греческих слов polys (много) и meros (часть). Физические свойства полимеров сильно зависят от степени полимеризации. Кроме того, они зависят и от того, как соединяются друг с другом молекулы мономеров. Образованные из них макромолекулы могут представлять собой прямые или разветвленные цепи, а также клубки или сети. Все эти типы полимеров показаны наD:\alex\studorgbaza1-4\Textschemmaterialsplastmass2jpeg.htm рисунке.

Сверху мы видим прямую цепь, ниже - разветвленную цепь, еще ниже - клубок и сеть. При растяжении полимера значительная часть цепей в клубке выстраивается параллельно друг другу. Такой сдвиг молекул в отношении одной главной оси вызывает изменение прочности - она увеличивается по направлению растяжения. При нагревании цепи молекул таких пластмасс обычно легко сдвигаются относительно друг друга. При этом пластмассы размягчаются и приобретают текучесть. Такие пластмассы мы будем называть термопластами.

Напротив, если цепи атомов в молекулах полимера соединены между собой мостиками и образуют сетку, то даже при воздействии тепла сдвиг таких цепей относительно друг друга невозможен. Такие пластмассы называются реактопластами. (Другими словами, реактопласты — это такие пластмассы, которые получаются из низкомолекулярных мономеров, и отверждаются под действием тепла, катализаторов или отвердителей с образованием полимеров трехмерной структуры. Таким образом, при переработке в изделия реактопласты необратимо теряют способность переходить в вязкотекучее состояние. В отличие от них, при формовании термопластов не происходит отвердения, и они в изделии сохраняют способность вновь переходить в вязкотекучее состояние. В 1973 г. мировое производство пластмасс достигло 43 млн. т. Из них около 75 % приходилось на долю термопластов (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.). В дальнейшем доля термопластов в общем производстве пластмасс будет еще больше увеличиваться, — Прим. перев.)

В ГДР их называют дуропластами (от латинского durus – твердый). В самом деле, из всех пластмасс тверже всего те, которые имеют сетку трехмерной структуры, т.е. такие, у которых соединение цепей происходит по всем трем осям координат. Эти пластмассы стойки и к действию растворителей.

ИССЛЕДУЕМ ПЛАСТМАССЫ

"За свою продукцию ручаюсь головой" - эти слова сегодня часто можно услышать на предприятиях. Однако готовую продукцию высокого качества можно изготовить только из безупречных исходных материалов. Поэтому пластмассы всегда подвергают очень тщательному испытанию. Результатами этого строгого экзамена интересуются обе стороны - и те, кто производят пластмассы, и те, кто занимаются их переработкой. Первые всегда стремятся улучшить качество выпускаемой продукции, а вторым важно выяснить, какие материалы можно использовать для тех или иных целей.

В число этих испытаний входят измерение прочности на растяжение, твердости, прочности на изгиб, эластичности, паро- и газопроницаемости, прочности к истиранию, плотности, водопоглощения, исследование поведения при нагревании, воздействии света и в электрическом поле. Наряду с этим важнейшую роль играет изучение стойкости пластмасс по отношению к различным химическим реактивам.

У читателя, вероятно, найдется образец какой-нибудь пластмассы для исследования. Сначала выясним, из чего она состоит, как называется и для чего используется. Ответить на эти вопросы не всегда легко. Некоторые сведения мы могли бы получить, определив химический состав. С этой целью нам понадобилось бы поместить в пробирку 100-200 мг исследуемого сухого образца и расплавить его вместе с металлическим натрием, нагревая пробирку почти до размягчения стекла. Плав мы могли бы потом растворить в воде и в полученном растворе обнаружить:

азот - при добавлении сульфата железа (II), хлорида железа (III) и разбавленной соляной кислоты (образование берлинской лазури);

серу - при действии пентацианонитрозилферрата(Ш), или нитропруссида натрия (фиолетовое окрашивание);

хлор - при действии нитрата серебра в присутствии азотной кислоты (осадок хлорида серебра, обнаружению мешают некоторые азотсодержащие соединения);

фосфор - при добавлении азотной кислоты, упаривании раствора и последующем действии молибдата аммония (желтый осадок).

Однако многим читателям металлический натрий недоступен. Кроме того, ввиду опасности работы с ним, начинающим химикам не стоит проводить анализ этим методом. Вместо этого ограничимся более простым определением хлора - пробой Бейльштейна, которая нам уже знакома. Для этого раскалим медную проволоку в несветящейся зоне пламени горелки Бунзена до исчезновения зеленого окрашивания. На конце этой проволоки внесем в пламя горелки пробу исследуемой пластмассы. Если она содержит хлор или другие галогены, то образуются летучие галогениды меди, которые окрашивают пламя в интенсивный зеленый цвет.

Для большинства обычно применяемых пластмасс нам удастся решить поставленную задачу даже в том случае, если мы ограничимся только определением плотности, температуры размягчения и плавления, пробой на сгорание, а также исследованием кислотности продуктов разложения и поведения пластмассы по отношению к некоторым химическим реактивам. Полученные данные сверим с приведенными в таблице "Свойства пластмасс".