Как вы думаете, что может объединять загранпаспорт, компакт-диск и теплицу? Правильный ответ: все они сделаны с применением поликарбоната.
Поликарбонаты – синтетические полимеры, продукты взаимодействия двухатомных фенолов и производных угольной кислоты с химической формулой (-O-R-O-CO-)n; твёрдые и бесцветные вещества. Названы так из-за того, что их функциональные группы связаны между собой карбонатными группами (-O-(C=O)-O-) в длинной молекулярной цепи. Таким образом, мясной карбонад не имеет к поликарбонатам никакого отношения.
Они легко поддаются обработке и формованию. Благодаря термостойкости, ударопрочности и оптическим свойствам поликарбонаты ставят между обычными пластиками (ПЭ, ПВХ, ПММА и т.д.) и конструкционными. Наиболее распространён поликарбонат, который получают из Бисфенола А (благодаря доступности бисфенола А, синтезируемого конденсацией фенола и ацетона) и фосгена (популярное в Первую мировую войну боевое отравляющее вещество) (рис.1):
Физические свойства: плотность: 1.2-1.22 г/см3, число Аббе: 34, индекс преломления: 1.584-1.586, кислородный индекс: 25-27%; водопоглощение за 24 ч: 0,1%.
Механические свойства: предел прочности: 55-75 МПа; модуль Юнга: 2.0-2.4 ГПа; удлинение при разрыве: 80-150%; твёрдость по Роквеллу: М70; коэффициент трения: 0,31; коэффициент Пуассона: 0,37.
Термические свойства: температура плавления: 288-316°C; диапазон рабочих температур: от минус 40 до +120-130 °C; температура размягчения по Вика при 50Н составляет +145…150 °C.
Электрические свойства: электрическая постоянная при 1 МГц: 2,9; диэлектрическая проницаемость: 2.568*10-11Ф/м; поверхностное удельное сопротивление: 1015 Ом/м2; удельное объёмное сопротивление: 1012-1014Ом*м.
Химическая стойкость: к концентрированным кислотам, галогенам, кетонам и ароматическим углеводородам – плохая; к разбавленным кислотам и спиртам – хорошая.
Как и большинство открытий тех лет в области химии, поликарбонат отрывают совершенно случайно. Немецкий химик и изобретатель Альфред Айнхорн (1856-1917), знаменитый своим изобретением новокаина, проводя эксперименты с эфирами, получает осадок – достаточно прозрачный, устойчивый к механическим воздействиям, и к тому же термостойкий.
Но поскольку целью экспериментов является получение эффективного обезболивающего, то полученный осадок считается побочным продуктом. По этой причине химической реакции не уделяют должного внимания, а от полученной примеси избавляются и разрабатываются способы очистки.
В середине 20-го века поликарбонат открывают по-новому. Опираясь на труды Айнхорна, в 1953 году его соотечественник Герман Шнелл (1916-1999) пытается целенаправленно получить данное соединение, и эти попытки, надо сказать, оказываются весьма успешными. Полученное вещество подвергается тщательному анализу и изучению, и результаты выходят потрясающими: вещество по механическим свойствам превосходит все свои аналоги среди известных пластмасс.
Открытие Шнелла позволяет компании «Bayer», в которой он работает, запатентовать полученный пластик под названием «Makrolon», а в 1958 году освоить его серийное производство.
В это же время на другом континенте американская компания «General Electric» проводит свои научные изыскания в области получения нового материала. С опозданием в неделю специалист компании Даниель Фокс (1927-1989) успешно его синтезирует. А в 1955 году «General Electric» патентует синтезированный поликарбонат под маркой «Lexan».
Сразу после этого поликарбонат повсеместно начинает вытеснять полиметилметакрилат (оргстекло) из-за того, что он менее склонен к растрескиванию и имеет более высокую ударную вязкость (ударопрочность) и термостойкость.
Ещё совсем недавно самыми массово выпускаемыми изделиями из поликарбоната были оптические носители информации, такие как CD, DVD и Blu-ray, но сейчас они постепенно уходят в прошлое.
Немногие знают, что такое простое изделие, как компакт диск, является сложносоставным изделием (рис. 2): слой А – поликарбонатный диск толщиной 1,2 мм, слой В – тончайшее металлическое покрытие, слой С – лак, слой D – трафаретная печать.
Поликарбонат широко используется в различных идентификационных документах (ID). Начиная с 2010г., у российских граждан появилась возможность получения заграничных паспортов нового поколения, бланк которых состоит из обложки, внутренних бумажных страниц и поликарбонатной пластиковой страницы, вшитой специальной двухцветной нитью с пунктирным свечением в УФ-области спектра. В эту страницу российского паспорта встраивается специальный микрочип с биометрическими параметрами владельца паспорта (рис. 3).
Поликарбонат – наиболее подходящий материал для многооборотной тары. В любом современном офисе имеется диспенсер или, попросту, кулер с питьевой водой. Используемые в нём 19-литровые поликарбонатные бутыли (рис.4) экологически безопасны и разработаны с учётом способности сохранять вкус питьевой воды. В этих лёгких и герметичных бутылях вода может храниться более года без потери своих качеств. В среднем, поликарбонатная бутыль может быть использована как минимум 50-60 раз.
Немаловажным фактором также является износостойкость и прочность бутылей, так, например, бутыли подвергают периодическим дроп-тестам (от англ. drop test (испытания на падение) – 3 броска с высоты 1,8 м – и этот тест поликарбонатная тара выдерживает без замечаний.
Благодаря своему небольшому весу и высокой ударной вязкости поликарбонат является доминирующим материалом для изготовления автомобильных фар (рис.5).
Осколки стекла от разбитых фар нередко усугубляют травмы пострадавших пешеходов, поэтому фары из поликарбоната – это, прежде всего, современные требования по безопасности. Наряду с проверкой автомобиля на безопасность его пассажиров, Euro NCAP (европейский комитет по проведению независимых краш-тестов авто) проверяет автомобиль на его безопасность для пешеходов, что является также немаловажным критерием, так как опасность автомобиля для окружающих может грозить его владельцу как психологической травмой, так и лишением свободы (в случае смерти пешехода по вине водителя).
Основной недостаток поликарбонатных фар заключается в том, что они со временем желтеют и мутнеют, ухудшая основные эксплуатационные свойства самого изделия. Вернуть в первоначальный вид поможет полировка или … покупка новой.
Ударопрочность поликарбоната более чем в 200 раз превышает ударную прочность стекла, вследствие чего из монолитного поликарбоната изготавливают антивандальные стёкла, которые можно встретить не только на автобусных остановках, но и на теннисных кортах, рекламных щитах, уличных фонарях и т.д. Антивандальное стекло применяется как защита витрин магазинов. Защитное остекление зданий и прозрачных куполов производится также с помощью монолитного поликарбоната.
В крупных мегаполисах, например, в Москве, действует программа «Безопасное остекление». Во время массовых беспорядков, которые проходят время от времени на улицах столицы, разбушевавшиеся хулиганы раньше нередко громили витрины магазинов, что являлось причиной многочисленных осколочных ранений. После того, как программа вступила в действие, многие учреждения, кафе и магазины провели замену стёкол витрин на монолитный поликарбонат.
Другое применение монолитного поликарбоната – это бронированное стекло. Монолитный поликарбонат толщиной 14 мм не пробивают пули пистолета Макарова, поэтому монолитный поликарбонат находит свое применение в защитных и охранных целях, например, при создании щитов для стражей порядка (рис. 6), для охраны музейных экспонатов, остеклении банковских помещений.
Самая большая монолитная деталь из поликарбоната – это навес кабины пилота многоцелевого истребителя пятого поколения F-22 «Raptor» (рис.7). Данный элемент составляет порядка 140 смв длину, 45 смв ширину, 27 смв высоту и весит приблизительно 165 кг. Навес устойчив к воздействию химических и биологических факторов и имеет высокую стойкость от столкновения с птицей, например, попадание 2-х килограммовой птицы на скорости истребителя равной 650 км/ч не оказывает негативное влияние на целостность поликарбонатной детали. Также купол защищает пилота от ударов молнии.
Незадолго до проведения XXII Олимпийских зимних игр в г. Сочи, дизайнеры начинают кропотливую работу над созданием оригинального дизайна медалей. В ходе неё решено интегрировать в медали (рис.8) несколько прозрачных, похожих на лёд вставок со сложным внутренним рисунком (рис.9), повторяющим рисунок олимпийского лоскутного одеяла (одного из символов сочинской Олимпиады). Изначально вставки планируют сделать из сапфира, хрусталя или, по крайней мере, кварцевого стекла, но при этом на готовых медалях должны отсутствовать крепёжные детали. Любой прозрачный минерал — материал хрупкий, и закрепить его в гладком металлическом гнезде настоящая проблема. Ещё больше осложняет задачу рисунок. Он наносится с помощью лазера. Луч лазера фокусируют внутри кристалла, и в этой точке возникает микроскопический дефект — трещинка или сферическая пора. Но и стекло, и сапфир, и хрусталь становятся после такой обработки ещё более хрупкими и даже при относительно небольшой нагрузке могут просто рассыпаться. И тут внимание инженеров останавливается на детских очках. По соображениям безопасности линзы для них во всём мире делают из поликарбоната. По прозрачности он почти не уступает стеклу, но при этом обладает завидной прочностью и пластичностью, а лазерный рисунок в массиве поликарбоната получается более контрастным, ярким и совсем не снижает его прочность. С технологической точки зрения главным преимуществом применения поликарбоната становится его высокий коэффициент линейного температурного расширения. На этом свойстве и решают сыграть инженеры.
Чтобы собрать медаль (см. рис 10), все её элементы (корпус и 4 вставки) загружают в климатическую камеру и выдерживают при –40°С в течение суток. И металлические и пластмассовые детали сжимаются, но поликарбонат «усаживается» чуть больше. Детали вынимают из камеры, и на специальной оправке вставку аккуратно, но очень быстро, вставляют в предназначенные для них окна. С этого момента при любой температуре выше –40°С вытащить прозрачные «льдинки» из медали не получится – настолько плотно их удерживает металл (рис. 11). Для сравнения: натяг (разница между диаметром вала и посадочным диаметром внутреннего кольца подшипника) подшипников на быстровращающихся валах электродвигателей составляет примерно 0,02 мм. Натяг при установке кристаллов в медали достигает 0,2 мм— в десять раз больше.
Любители хоккея давно знакомы с таким способом защиты зрителей от шайбы, как листы монолитного поликарбоната, которые устанавливаются вокруг игровой зоны. В прежние времена применялась обычная сетка, которая не только портила вид, но и достаточно сильно мешала наблюдать за ходом игры. С появлением монолитного поликарбоната эта проблема была полностью решена.
Прозрачные полки в холодильнике, солнцезащитные очки, глазные и оптические линзы, плавательные очки и подводные маски, защитные очки и щитки (лабораторные и производственные), ветровые стёкла в небольших транспортных средствах, приборные панели – все эти изделия изготовлены из монолитного поликарбоната.
Далее речь пойдёт о ячеистом или сотовом поликарбонате. Своё название он получил из-за внутренней структуры (отдельные ячейки или соты). Чем толще лист, тем больше воздушных камер (рис.12), и тем выше его способность сохранять тепло.
Благодаря отличному светопропусканию (до 90% - зависит от толщины листа и цвета), а также вдвое меньшему весу по сравнению с силикатным стеклом, сотовый поликарбонат заслужил любовь дачников и садоводов (рис. 13). Уверен, что практически каждый садовод знает как минимум два вида пластика: полиэтилен и поликарбонат.
По сравнению с традиционными теплицами из стекла обустройство такого парника не требует мощного каркаса, также отсутствует необходимость практически каждый год менять стеклянные элементы, которые не выдерживают даже мелкий град или неосторожное касание черенком лопаты.
Владельцы больших домов используют сотовый поликарбонат в качестве укрытия бассейнов, при этом многие предпочитают устанавливать раздвижные крыши, для того чтобы летом купаться под открытым небом.
Поликарбонат проникает в такую консервативную сферу, как производство музыкальных инструментов, особенно духовых. Некоторые производители начинают использовать поликарбонаты в кларнетах, флейтах и саксофонах. В бытовой электронике поликарбонат завоёвывает популярность для изготовления экранов смартфонов, корпусов ноутбуков и электронных устройств благодаря своей долговечности и малому весу. Таким образом, почти у каждого человека в кармане лежит кусочек поликарбоната.
Материал статьи подготовлен с использованием материалов следующих источников:
· http://wikipedia.org – свободная энциклопедия Википедия,
· http:// chemeurope.com – международная платформа для химической индустрии,
· http://bigenc.ru – портал «Большая россйиская энциклопедия».