книги из ГПНТБ / Кричевский, М. Е. Химия ремонтирует

ные газы — в удобрения, пластмассы, ткани, эластичную резину.

Успешно соревнуясь с природой, химия создает совер­ шенно новые, никогда и нигде не существовавшие веще­ ства с самыми удивительными свойствами! В создании этой «второй природы» решающая роль принадлежит химии полимеров — веществ, молекулы которых состоят из десятков и сотен тысяч атомов, молекул-гигантов. Этим веществам химики стали давать названия с пристав­ кой «поли» — много, а «мерос» — это значит часть. Отсюда и пошло название — «полимеры».

Когда молекула такого вещества имеет очень боль­ шие размеры, то его называют высокополимерным. Так родилась современная терминология химии гигантских

меров.

Мы не сможем рассмотреть, каким путем в химиче­ ской промышленности получают эти интереснейшие ве­ щества, да это и не наша задача. Но все же остановим внимание читателя на особенностях строения полимеров, так как от этих особенностей зависят в значительной сте­ пени свойства полимеров.

Если ж е читателю понадобятся пояснения химических терминов, встречающихся в тексте, можно обратиться к словарю в конце книги.

Итак, об особенностях строения полимеров.

Прежде всего, что значит большая молекула? Самые большие молекулы, которые сейчас известны, имеют раз­ меры в десятые доли миллиметра. Для мира атомов и молекул это колоссальная цифра. Вспомните, каковы раз­ меры атомов и величины межатомных расстояний. Они близки к одному ангстрему, т. е. к одной десятимиллион­ ной доли миллиметра. На линии в 0,1 миллиметра умес-

10

тится миллион атомов. Если учесть, что поперечные раз­ меры молекулы, в которой

тырьмя ангстремами, то ста­ нет очевидной невероятная длина такой молекулы; она больше поперечного сечения в несколько сот тысяч раз. Такие большие молекулы и

десяти сантиметров, значит, если уподобить длинную м о­ лекулу рельсу, то он должен иметь длину до десяти кило­ метров. И все же такое сравнение не вполне удачно. Ведь рельс жесткий, а длин­ ная молекула очень гибкая. Гибкие молекулы в зависи­ мости от обстоятельств мо­ гут вытянуться во всю свою длину, могут змеевидно изо­

двумя другими — «перед­ ней» и «задней».

11

Цепочки молекул этих полимеров могут располагать­ ся прямолинейным пучком вроде проводов в телефонном кабеле. Тогда вещество приобретает свойство прочных, эластичных волокон или гибкого тела. Если ж е молекулы свертываются в клубки, вещество приобретает способ­ ность сильно растягиваться. Действительно, детали из обычных твердых материалов в результате приложения к ним нагрузки меняют размеры — деформируются бла­ годаря уменьшению или увеличению расстояний между отдельными атомами. В полимерах деформация за счет изменения межатомных расстояний играет очень малую роль. Основное удлинение происходит вследствие рас­ прямления длинных закрученных молекул материала. По­

сколько десятков процентов. У пластмасс разрывная де­ формация в десятки раз больше и нередко достигает 500— 700 процентов.

В длинных молекулах другого типа — разветвленных, по крайней мере, три пути ведут от данной группы ато­ мов к ее соседям. Возникающий запутанный лабиринт связей создает жесткую систему, и такая молекула не обладает гибкостью.

Способность углеродных атомов нанизываться друг на друга и образовывать длинные цепочки дает бесчис­ ленное множество полезнейших соединений. В их моле­ кулах атомы углерода образуют как бы скелет, или остов, а атомы других элементов «обстраивают» этот кос­ тяк. Но почему именно углерод играет такую своеобраз­ ную роль? Неужели среди всех элементов таблицы Менделеева только один он обладает столь удивитель­ ными свойствами? Конечно, нет. Особенности углерода

12

являются результатом опре­ деленного строения его ато­ ма. И атом другого химичес­ кого элемента, обладающий сходным строением, должен иметь и сходные свойства. Вспомните, в таблице Менде­ леева непосредственно под углеродом в четвертом вер­ тикальном столбце находит­ ся кремний. Этот элемент, родственный углероду, так­ же один из самых распро­ страненных в природе. По­ добно углероду, он четырех­

валентен и может образовывать большое количество раз­ нообразных соединений с кислородом и водородом. Как

иуглерод, который является основой животного и расти­ тельного мира (органики), кремний выступает главным элементом в царстве минералов и горных пород (неорга­ ники). Соединения кремния не боятся многих химических

итемпературных воздействий.

Анельзя ли добиться сочетания полезных свойств со­ единений углерода и кремния?

Оказывается, сложно, но можно. Советские ученые во главе с К. А. Андриановым создали так называемые кремнийорганические соединения. В них углеродные ато­ мы соединены с атомами водорода, как в углеводоро­ дах, и связаны с атомами кремния. Таким образом, струк­ тура этих молекул напоминает структуру силикатов — глины и слюды. Это и является причиной их высокой теплостойкости. Эти вещества негорючи, тугоплавки и во­ достойки. Больше того, поверхность изделия, на кото­

рую нанесёны кремнийорганические соединения, оттал-

13

15

лимеров рождается ежегодно в лабораториях мира, а это значит, что каждые пять— десять минут новое синтетиче­ ское вещество заявляет о своем существовании. Сегодня мировой выпуск синтетических полимеров в два раза превосходит производство меди, алюминия, титана. А сырьем для них служат уголь, нефть, природные газы, воздух, древесные и другие материалы, широко распро­ страненные в природе.

Теперь уже вряд ли найдется сложная машина, среди деталей которой не было бы полимерных. Тракторы, ав­ томобили и сельскохозяйственные машины имеют боль­ шое количество деталей из полимеров. Такие детали легче и дешевле металлических и хорошо выдерживают условия эксплуатации машин — высокие скорости, давле­ ние и т. п.

В современном автомобиле, например, более 200 де­ талей изготовляют из полимеров.

Из полимерных материалов могут быть также изго­ товлены детали подшипников, зубчатые колеса, тормоз­ ные колодки, емкости, кожухи, крышки, кузова и т. д. Создаются новые надежные детали, в которых удачно сочетаются металл и полимер, так называемая система металл — полимер, преимущества которой особенно оче­ видны при ремонте техники.

Подсчитано, что восстановление деталей машин поли­ мерами уменьшает трудоемкость технологических опера­ ций в три— восемь раз и себестоимость — в шесть раз по сравнению с некоторыми другими способами ремонта.

Итак, ремонтируют полимеры. Какие именно? Каковы их свойства? Об этом — в следующей главе.

ские полимерные смолы. Как цемент «схватывает» гальку или щебень, так и смола является основой пластмассы. Смолы весьма разнообразны: черные, как уголь, золоти­ стые, будто янтарь, белые, словно снег, прозрачные, как хрусталь...

Пластификаторы придают пластмассе гибкость и элас­ тичность. Без них не могут быть переработаны в высоко­ качественные изделия многие синтетические смолы. Объясняется это тем, что молекулы смол представляют собой очень длинные ломаные или спиралеобразные це­ почки, расположенные близко одна от другой. При этом силы взаимодействия м ежду атомами соседних цепочек оказываются настолько большими, что практически ис­ ключается возможность перемещения цепочек относи­ тельно друг друга. Сравнительно небольшие молекулы пластификаторов, проникая м ежду цепочками молекул смолы, разобщают и раздвигают их, силы взаимодейст­ вия м ежду атомами соседних цепочек ослабевают, и це­ почки получают достаточно большую свободу переме­ щения.

Наконец, задача наполнителя заключается в том, что он заполняет пространство м ежду частицами связующего вещества, усиливает их взаимосвязь и придает пластмассе прочность, а нередко и другие важные свойства. К тому же использование наполнителя значительно сокращает расход смолы и удешевляет пластмассу. В качестве на­ полнителя применяют древесную муку, стружку, бумагу, хлопчатобумажные ткани, стеклянную вату и т. д.

В зависимости от природы выбранных полимеров и наполнителей могут быть получены жесткие и прочные материалы или же гибкие высокоэластичные пленки и во­ локна. Пластмассы могут быть легкими, как дерево, про­ зрачными, как стекло, химически стойкими, как драго­ ценные металлы, эластичными, как резина.

<8

И хотя каждый вид пластмассы имеет свои отличи­ тельные особенности, все ж е им присущи и некоторые общие качества.

Пластмассы обладают целым рядом ценных свойств: они в среднем в два раза легче алюминия, в пять— во­ семь раз легче стали, меди, бронзы. Большинство из них стойки к различным минеральным маслам и бензину и могут с успехом работать в этих средах. По механиче­ ской прочности (растяжение, сжатие) многие пластмассы уступают металлу, но при рассмотрении весовой прочно­ сти (отношение предела прочности к удельному весу) пластмассовая конструкция будет соответствовать сталь­ ной или превосходить по прочности изготовленную из цветных сплавов или чугуна.

Характерно, что прочность и жесткость (или эластич­ ность) пластмасс зависят от времени приложения нагруз-

19

ки и температуры; с нагреванием их жесткость, например, уменьшается в тысячи раз.

Стойкость к истиранию так называемых антифрикци­ онных пластмасс даже при высоких удельных нагрузках в несколько раз превышает стойкость бронзы и чугуна. Для пластмасс в некоторых случаях ів качестве смазы­ вающей жидкости м ожно использовать даже воду. Име­ ются пластмассы, которые могут в определенных услови­ ях работать без смазки длительное время. А некоторые виды пластмасс с асбестовым и каучуковым наполните­ лями в условиях сухого трения имеют, наоборот, высокий коэффициент трения по металлу и поэтому применяются для изготовления тормозных колодок машин и оборудо­ вания.

Полимерные материалы перерабатывают в изделия наиболее совершенными способами (прессованием, лить­ ем под давлением, экструзией и т. п.) без снятия стружки, то есть без отходов. Этим они выгодно отличаются от металлов.

Но пластмассы не лишены недостатков. Прежде все­ г о — это низкая теплостойкость, то есть предельная тем­ пература, при которой деталь с определенной нагрузкой работает без деформаций. Так, эксплуатационная темпе­

коэффициент теплопроводности по сравнению с метал­ лами. Этот недостаток затрудняет их применение там, где требуется хороший отвод тепла. Ряд пластмасс имеет

иотносительно небольшую твердость.

Ивсе же определенным подбором компонентов и из­ менением их соотношения м ожно придать пластмассе совокупность необходимых свойств.

20