Вам, видимо, приходилось наблюдать, как получают изделия из металлов и цемента. В общих чертах это выглядит так. Расплавленной сталью или чугуном заполняют заранее приготовленную форму. Растекаясь по «отсекам» и «коридорам», металл сделает с нее точный «слепок». Если заготовка не нужна, то она идет на переплавку, снова превращается в слиток, причем процессы эти можно повторять многократно. А цемент — однолюб. Однажды затвердев, он навеки сохраняет заданную форму.
В арсенале нынешней техники находятся сотни пластических масс. Они настолько разнолики, что их, кажется, ничто уж не роднит. Так ли это? Нет. В действительности пластмассы делятся на две совершенно непохожие группы: одни, подобно цементу, твердеют после нагревания, навсегда теряя пластичность (так называемые термореактивные пластмассы), другие, наоборот, сохраняют гибкость после тепловой обработки (термопластические пластмассы).
Главной составной частью пластических масс являются смолы. Их очень много. Черные, как уголь, золотистые, словно янтарь, белые, будто творог, прозрачные, наподобие кварца, они определяют свойства и характер пластмасс. Получают же смолы из самых различных веществ — из нефти, угля, природных газов и т. д. В некоторые пластические массы добавляются так называемые пластификаторы, придающие изделиям эластичность. В другие, наоборот, вводятся наполнители. Вклиниваясь между частичками смолы, они усиливают внутренние связи, повышают прочность и тепловую стойкость материала. Чаще всего для этой цели используется древесная мука, стеклянное волокно, хлопчатобумажные ткани, бумага, асбест, различные минеральные соединения.
А как же все-таки получают пластические массы? Очень просто — посредством «химического умножения». При этом имеется в виду не математический процесс, известный каждому, а способ производства полимеров. Их два: полимеризация и поликонденсация. При создании искусственных смол этим методом соблюдаются те же условия, что и при получении синтетического каучука, — наличие свободных радикалов (устойчивых групп атомов в молекулах, переходящих без изменения из одного химического соединения в другое), соответствующих катализаторов — иголок для «сшивания» мономеров, а также определенных температурных режимов и давления.
Поликонденсация имеет ряд существенных отличий. В такой реакции участвуют обычно два типа мономеров, имеющих различную химическую природу. Да и полученный продукт не похож по своему составу на первоначально взятые вещества. Как правило, мономеры, применяемые при поликонденсации, не имеют двойных связей, зато у них есть химически активные функциональные группы, способные образовывать молекулы-гиганты. Этот процесс сопровождается выделением побочных веществ — воды, углекислого газа, аммиака, метилового спирта и других. От них старательно избавляются, иначе мономеры не образуют прочные цепочки. Рост получаемых молекул можно регулировать, останавливать реакцию в тот момент, когда образовалась растворимая и пластичная смола.
В зависимости от условий процесса из одинакового исходного сырья методом полимеризации и поликонденсации можно получать разные продукты. Обилие пластических масс побудило ученых ввести специальную классификацию. Они подразделили их на четыре класса, классы — на 18 групп, а группы — на 82 вида! Наиболее распространены сейчас фенопласты, аминопласты, эфиропласты, этиленопласты, стиропласты, винипласты, фторопласты, акрилопласты, амидопласты, уретанопласты, силикопласты и другие. Как вы заметили, пластмассы называют по основному исходному сырью, идущему на их приготовление.
Что это за сырье? Молекула этилена принадлежит к семейству карликов. Она состоит из шести «кирпичиков» — двух атомов углерода и четырех атомов водорода. В обычных условиях — это газ. Соединив вместе пять его молекул, мы получим жидкость. Ну, а если удлинить цепочку еще раз в десять — пятнадцать? Что при этом произойдет? Получится совсем иной продукт: густой, похожий на смазочное масло. Когда «сшивают» 100—120 молекул газа, то получается твердое белое вещество, напоминающее парафин. «Сковав» тысячу и более молекул, ученые создали полиэтилен — удивительный по своим свойствам материал. Любопытно, что катализатором при его производстве служит... вода в количестве около 0,005 процента! Кстати, полиэтилен высокого давления был впервые получен в 1936 году русскими ученым А. И. Динцисом и его сотрудниками. Независимо от них полиэтилен был получен примерно в то же время английскими учеными. И, как это уже не раз бывало, вначале он не находил практического применения. А потом выяснилось, что это превосходный изоляционный материал. Благодаря ему были созданы эффективно действующие радиолокаторы (радары), специальные кабели. Когда выпуск полиэтилена возрос, из него стали делать трубы, резервуары, пленки, бытовые вещи: различные футляры, надувные ванны, скатерти, мешки, сумочки.
По методу Динциса реакция полимеризации ведется при очень высоком давлении (1500—2000 атмосфер) и температуре 200 градусов. Жар и удар! Под их действием газ затвердевает, превращаясь в полиэтилен. А все последующие операции не таят в себе ничего сложного. Полученную массу измельчают и отправляют потребителям. Теперь из нее можно делать что угодно, начиная с пробок к бутылкам шампанского и кончая деталями машин. Полиэтилену нестрашна коррозия. Он стойко переносит действие некоторых кислот и щелочей. А его прочности могут позавидовать металлы. Трубы, например, выдерживают давление в 20 атмосфер!
Случайно был открыт метод получения полиэтилена при низком давлении. В одной из лабораторий, где велись опыты с этиленом, потек аппарат. Там, где нашел себе выход газ, образовалось какое-то белое вещество. Его исследовали. И что же? Это был полиэтилен! Некоторыми свойствами он превосходил своего собрата, полученного при давлении в 2 тысячи атмосфер. Более плотная упаковка макромолекул в полиэтилене низкого давления повысила его химическую стойкость.
Каждый взор видит десятки изделий из этой пластмассы. Пленки из полиэтилена предохранят растения от заморозков, защитят их от града. Фермеры Южной Калифорнии, широко применяющие их, назвали такие пленки «волшебным ковром».
Очень интересными свойствами обладает тефлон, который с полным правом можно называть органической платиной. Даже «царская водка» — смесь концентрированной азотной и соляной кислот — не действует на него. Этот полимер получают, заменяя атомы водорода в молекуле этилена атомами фтора. Таким способом создают тетрафторэтилен. А из него путем уплотнения вырабатывают тефлон — наиболее стойкий среди фторопластов. Иногда в их макромолекулах один атом фтора заменяют хлором. В данном случае стойкость пластмассы несколько снижается. Зато полимер приобретает новые ценные свойства. Его легче перерабатывать, а сам процесс производства намного дешевле.
Химическая инертность фторопластов сделала их незаменимыми при изготовлении труб, прокладок и других изделий, работающих в агрессивных средах. Методом сополимеризации из тетрафторэтилена и некоторых других веществ удается получать продукты, из которых затем вырабатываются различные масла, смазки, смолы. Фторопласты обладают еще одним удивительным свойством: к ним почти не пристает липкое. Из них выгодно делать транспортерные ленты и трубы, скажем, на кондитерских фабриках для доставки начинки к карамели на рабочие места. Она скатывается с этих труб, как «с гуся вода».
Все шире применяются в технике и быту изделия из полистирола. Листами этой пластмассы облицовывают стены. Из него делают также «хрустальные» розетки и вазы. «Связав» молекулы стирола и синтетического каучука, химики получили материалы, не боящиеся ударных нагрузок. Другая его разновидность — стирофлакс — прекрасный изолятор. Из него вырабатывают нити и пленки, которые навиваются на медный провод. После этого провода соединяют в пучки и вновь покрывают слоем изоляции. В случае необходимости полистирол можно вспенить. Кубометр такой пластмассы весит всего 20 килограммов. Она находит сейчас широкое применение в строительстве, где из нее делают теплоизоляционные прослойки.
Многие носят плащи и дождевые накидки, изготовленные из хлористого винила — газообразного вещества, получаемого из ацетилена. Пути превращения его в синтетические смолы открыл академик А. Е. Фаворский. В зависимости от способов приготовления эта пластмасса имеет различные свойства и применяется в качестве заменителя кожи и каучука, из нее выпускали грампластинки. Она хорошо пилится, строгается, гнется, штампуется, наконец, ее можно сваривать.
Заменив хлор в хлористом виниле на остаток уксусной кислоты (СНзСОО), можно получить так называемый винилацетат. Пластмассы из этого вещества славятся поразительной прочностью. Из них делают броневое стекло, защищающее летчиков и танкистов от пуль и осколков.
Промышленность непрерывно увеличивает выпуск изделий из эфиров акриловой кислоты и некоторых родственных веществ. Пластмассы, получаемые из них, обладают высокой прозрачностью. Это так называемое органическое стекло, или плексиглас. Сырьем для его выпуска вначале служили пропилен и этилен. Все бы хорошо, но процесс изготовления был весьма громоздок и сложен. В 1940 году ученые разработали более простой способ получения эфиров акриловой кислоты из отходов молочной промышленности. Стоимость изделий из них сразу резко снизилась, увеличился выпуск.
Но чаще всего для производства плексигласа используется синильная кислота, ацетон и метиловый спирт. Что и говорить, вещества зловещие. Соль синильной кислоты — цианистый калий — сильнейший яд. Метиловый спирт, даже в малом количестве вызывает слепоту и даже смерть человека. Не назовешь безобидным и ацетон. Тем не менее химикам удается создать из этих веществ совершенно безвредный полимер. Соединяя вместе болотный газ (метан) и аммиак, они получают синильную кислоту. Затем соединяют ее с ацетоном получают ацетонциангидрин. Из него, используя метиловый спирт и серную кислоту получают метиловый эфир метакриловой кислоты, способный полимеризоваться под присмотром катализаторов, скажем, перекиси бензоила. Под действием высокой температуры жидкий мономер густеет. Из созданного таким путем вещества делают небьющееся стекло очков, пуговицы, шкатулки, вазы и другие изделия, нужные человеку. А название у пластмассы совсем не поэтическое — полиметилметакрилат.
Громадны объемы производства пенопластов. Эти материалы раз в 100 легче воды. Даже пробка по сравнению с ними выглядит тяжеловесом. Очень хорошо зарекомендовала себя мипора — вещество, полученное из мочевиноформальдегидной смолы. Добавляя в нее контакт Петрова в качестве эмульгатора, химики получают нерастворимую в воде пену, Ее с успехом применяют для теплоизоляции, в жилищном строительстве. Большой прочностью отличаются пенопласты из полистирола и поливинилхлорида. Лодка, построенная из таких полимерных материалов, не тонет, если ее до краев наполнить водой. Из «невесомых» кирпичей построены домики полярников, дрейфующих в Ледовитом океане и живущих в Антарктиде. В самые лютые морозы в них бывает тепло.
Весьма интересными свойствами обладают другие пористые материалы, например полипеноуретаны. Из них делают матрацы, сиденья в автомобилях, кресла и даже подкладку в зимних пальто вместо ваты и меха. Но тут надо сделать оговорку. В зависимости от химического состава и технологии изготовления полипеноуретан может быть эластичным и жестким. Ячейки в нем получают с помощью углекислого газа, выделяющегося в процессе поликонденсации.
Пористые материалы можно вырабатывать из всех термопластических и термореактивных пластмасс.
Все большее применение получают стеклопласты. Один из них — свам. Название это расшифровывается так: стеклянноволокнистый анизотропный материал. Анизотропными называют такие вещества, которые в разных направлениях обладают различными свойствами. Вот дерево. Расколоть полено вдоль волокон каждому под силу: ударил по чурбану топором, и он распадется на две части. А если понадобится перерубить дерево поперек? Тут придется попотеть.
Создавая новые полимерные материалы, химики привили им аналогичные свойства. Они соединили смолу со... стеклом. На первый взгляд это кажется неправдоподобным — более хрупкое вещество вряд ли сыщешь! Но не всегда. Ученые доказали, что волокно, приготовленное из стекла, обладает удивительной прочностью. Нити диаметром в 3 — 6 микрон при испытании на разрыв выдерживают большую нагрузку, чем проволока из стали такой же толщины. И не на чуть-чуть, а в пятнадцать раз! Когда стеклянное волокно заключили внутрь полиэфирной смолы, то получился необычайно прочный материал. Из него делают теперь корпуса судов, кузова автомобилей, трубы, удилища, салазки для ребят, лыжные палки, хоккейные клюшки и многое другое.