книги из ГПНТБ / Кричевский, М. Е. Химия ремонтирует
.pdfили автомобиля? Полвека на зад это казалось несбыточ ной фантазией. А теперь...
Химия может дать поли мерные материалы, не рас творяющиеся в самых силь ных кислотах и выдержива ющие нагрев, при котором природные вещества сразу же обугливаются и сгорают, прочнее стали, легче пробки, эластичнее и выносливее ка учука, более стойкие против действия времени и клима та, чем дерево, кирпич и да же цемент.
Попробуйте сказать, что самое тугоплавкое из всех известных человечеству веществ — полимер. Большинст во людей рассмеется и, возможно, предложит вам пари, доказывая, что это не так, что главный порок полиме ров — недостаточная теплостойкость (мы ведь тоже с ва ми это отметили). Не бойтесь принять пари. Вы его вы играете. «Король тугоплавкости» — полимер, только не органический. Это продукт совместной полимеризации (сополимер) карбидов гафния и титана, вещество, кото рое плавится при температуре 4215°С. Заметим, что при такой температуре самый тугоплавкий металл — вольф рам течет, как вода.
Или другой полимер — синтетическая ткань, выдер живающая температуру свыше 9000°С! Такая ткань мо жет служить емкостью для расплавленного металла!
Часы из нейлона, выпущенные одной из американских фирм, м ожно сворачивать в трубку, сгибать и даже скла дывать, при этом точность их хода не ухудшается.
21
Наконец, одноместный са молет из нейлона — это ли не свидетельство самых широких возможностей полимеров?
Зная законы образования полимеров, химики могут из менять их свойства. Например, в полимер, не обладающий вы сокой температурной стойко стью, вводят соответствующий мономер, в результате чего получается так называемый высокомолекулярный сополи мер более высокой теплостой кости.
При создании высокополимеров нашли применение и методы «прививки», отдаленно напоминающие те, что исполь зуются в садоводстве. При этом полимеризация мономе ра, входящего в качестве зве на в цепочку основного поли мера, происходит путем при соединения мономера, являю щегося крайним звеном другой большой молекулы. Из такой молекулы — мономера выры вают атомы (обычно атомы водорода), и тогда на освобо дившихся местах молекулы-ги ганта вырастает боковая цепь мономера, полимеризующегося в «веточку». Прямолинейная
гигантская молекула начинает «ветвиться», как дерево. Но «ветви» эти имеют особый состав, и весь полученный та ким путем полимер приобретает новые свойства.
Таким образом, от того, как размещены относительно АРУг друга макромолекулы, сильно зависят те свойства полимеров, которые и делают их незаменимыми в самых различных областях применения. Значит, надо уже в про-
тип структуры; кстати, так по ступают в металлургии при ков ке или легировании стали.
Вместе с тем нужно не толь ко создать определенный тип расположения макромолекул в материале, важно, чтобы он сохранился и в дальнейшем в процессе эксплуатации де тали.
Что ж е может произойти со многими полимерными мате риалами с течением времени? Они, как и живые организмы, стареют, меняют первоначаль ные свойства от воздействия влаги, кислорода воздуха, све та, тепла, механических напря жений, то есть окружающ ей среды. При этом в одних поли мерах преобладают разрывы длинных цепочек молекул, в других — интенсивнее идет «сшивание» молекулярных це пей. В первом случае материал размягчается, а во втором ■— образуется сетка из полимер ных молекул, и материал твер деет, становясь в то же время хрупким. Но время жизни поли меров можно продлить, если затормозить этот нежелатель ный процесс. Как же замедлить старение полимеров? Эта про
блема решается сейчас двумя путями: созданием устой чивых к старению полимеров или заслона этим разру шительным реакциям.
Работы по повышению долговечности полимеров — их стабилизации — ведутся давно и довольно успешно. Для этого в полимеры вводят специальные добавки, так называемые ингибиторы (противостарители) цепных окислительных процессов. В результате взаимодействия ингибитора со свободными радикалами — активными ча стицами в полимерной цепи — возникает слабый, мало активный радикал, который не способен продолжать цепной процесс. Кроме того, если в полимер ввести ве щества, способные отражать свет (например, сажу, отра жающ ую ультрафиолетовые лучи), то они значительно снижают скорость светоокисления. Так что на каждый яд находится соответствующее противоядие.
Какие ж е свойства полимерных материалов представ ляются нам наиболее важными?
Несомненно, материалы и изделия из них должны иметь высокую прочность и долговечность. Кроме того, материал должен обладать определенной способностью изменять свою ф орму и размеры под действием нагру зок, иначе говоря, упругостью и высокой эластичностью. Все эти механические свойства, как мы знаем, зависят от структуры материала, поэтому большая группа советских ученых во главе с академиком П. А. Ребиндером и ставит задачу переработки веществ в материалы самого разно образного назначения с заданными свойствами и нужной структурой. Этим занимается целая наука — физико-хи мическая механика. Успехи ее весьма обнадеживающи.
Так что же, спросите вы, полимеры прочнее металла? Или все-таки металл — самый прочный материал для де талей машин?
25
Отвлечемся на минуту и попробуем ответить на дру гой вопрос: какой вид транспорта лучше — поезд, само лет, теплоход или лошадь? Ясно, что это зависит от обста новки, целей поездки, условий и т. д. Так получается и в нашем случае: все зависит от того, в каких условиях ра ботают полимеры и какие требования к ним предъявля ются.
Пластмассы проникли в область на первый взгляд казавшуюся для них совершенно неподходящей: совет ский ученый Е. В. Александров сумел использовать по лимеры для изготовления машин... ударного (!) действия. Он сконструировал из эбонита, плексигласа и текстолита перфораторы, отбойные и клепальные молотки. Д о по следнего времени эти машины изготовляли из материа лов большей прочности и большего удельного веса, чем обрабатываемый ими материал. Это считалось аксиомой для конструкторов.
Е. В. Александров открыл ряд важных закономернос тей управления последствиями удара в процессе его рас пространения. Новые машины из полимерных материа лов — ударного действия: они бурят гранит, разрушают бетон, производят клепку с таким ж е успехом, как и ме таллические, а весят в пять раз меньше. В новых инст рументах легкий пластмассовый ударник — одна из глав ных частей отбойного молотка — движется с большей частотой, чем стальной; в итоге возросла производи тельность, одновременно упростились средства защиты обслуживающего персонала от вибрации.
Так, в самых разных областях техники полимер спорит с металлом. Но каждый ли полимер может применяться в любой отрасли народного хозяйства? И все ли они при годны для ремонта машин? Разумеется, нет. Познако мимся с наиболее часто применяемыми, перспективными полимерами.
26
Как известно, все полимеры и пластмассы на их осно ве разделяются на две основные группы: термопластич ные материалы — термопласты и термореактивные мате риалы — реактопласты. Первые при нагревании размяг чаются, и тогда им м ожно придать лю бую форму, кото рую они сохраняют и после охлаждения. Новый нагрев снова вызывает их размягчение. Таким образом, термо пласты являются обратимыми. Вторые, размягчаясь при нагревании, застывают благодаря химическим превраще ниям в твердое, необратимое вещество. Снова размяг чить их путем нагрева невозможно.
Реактопласты появились значительно раньше термо пластов. Однако свойство этих полимеров необратимо переходить в неплавкое, нерастворимое состояние за трудняло создание высокопроизводительных машин и агрегатов для изготовления деталей. Поэтому появившие ся позже термопласты стали постепенно вытеснять реак топласты, особенно в производстве изделий ш ирокого потребления.
Термопласты — это полиамиды, полиэтилен, полисти рол, полиформальдегид, фторопласты, поликарбонат и другие материалы. И хотя все они относятся к одной группе, по многим свойствам они разные. Давайте по знакомимся с ними подробнее. Вот, к примеру, поли амиды.
Советские химики И. Л. Кнунянц, А. А. Стрепихеев, 3. А. Роговин и другие почти одновременно с немецки ми исследователями создали из фенола — продукта пере гонки угля и нефти, бесцветного вещества, смолу — ка пролактам, являющуюся сырьем для производства очень прочного синтетического волокна. В каждой стране это волокно именуется по-разному. В Советском Союзе оно известно под названием капрон, или поликапроамид, в Че хословакии — силон, в Польше — стилон, в СШ А — ней
27
лон-6, в Швеции — грилон, в Голландии — энкалон. Из тонны фенола получается около полутонны смолы, из ко торой м ож но сделать столько волокна, сколько необхо димо для изготовления 20 тысяч пар чулок. Недаром еже годное мировое производство фенола превысило один миллион тонн и продолжает непрерывно расти.
А может ли чулочный капрон выдержать нагрузку, ко торую не выдерживает металл? Попробовали. Оказалось, что капроновые детали подшипников, например, успешно соперничают с металлическими. Чем же объяснить это? Главным образом физико-механическими свойствами. У капрона удовлетворительная вязкость при низких тем пературах, небольшой коэффициент трения в паре с ме таллом, высокая сопротивляемость истиранию, способ ность впитывать смазку, работать даже без смазки при трении скольжения. Для таких подшипников не требуется высокая точность изготовления, податливость капрона ус траняет концентрацию нагрузки на малых участках, уве личивает площадь контакта с валом.
А есть ли недостатки у капрона? Да, к сожалению, есть. Во-первых, он не всегда прочен, во-вторых, доволь но интенсивно впитывает воду, и, самое главное, из кап рона технологически трудно изготавливать детали круп ных размеров.
Эти недостатки учли при создании «младшего брата» капрона — капролона. Он в 1,5 раза прочнее капрона, значительно «равнодушнее» относится к воде, дает ма лую усадку при отвердении.
Теперь несколько слов о полиэтилене (в ГДР его на зывают миратен, в Англии — алкатен). Немногие синтети ческие материалы могут с ним соперничать в популяр ности. Это полупрозрачное твердое эластичное вещество молочно-белого цвета получается полимеризацией бес цветного легкого газа со специфическим сладковатым
28
запахом — этилена как при низком (2— 6 килограммов на квадратный сантиметр), так и при высоком давлении (1500— 2000 килограммов на квадратный сантиметр). Он стоек во многих химических агрессивных средах, не про водит ток, недорого стоит. Не удивительно, что для по лиэтилена нашли множество применений. И одно из важ нейших — быть изолятором проводов и кабелей. Жаль, что полиэтилен не выдерживает большого нагрева: при 110°С он плавится. Ученые ищут способы повышения его теплостойкости. Так, в лаборатории шведской фирмы «Сивертс кабельверке» полиэтилен подвергают вулкани зации. В результате м ежду длинными молекулами поли этилена образуются поперечные связи. Такой полимер способен выдерживать нагрев до 300° С. Интересно, что полиэтилен, облученный электронами, также способен выдержать температуру 200— 300°С.
Полиэтилен выпускается в виде лент, трубок, прутков, пленок разной толщины, гранул, порошка и т. д. Он отли чается также высокой морозостойкостью , стойкостью к действию воды и масел. Кроме изоляции кабелей, его применяют для изготовления различных деталей (венти лей, клапанов), нанесения покрытий и т. д.
Сравните: один километр водопроводных труб из чу гуна весит 12 тонн, а из полиэтилена — всего 680 кило граммов.
Явное преимущество на стороне полимера!
А кто не встречал деталей из полистирола и его со полимеров? Это автомобильные детали фонарей, плафо нов и т. д. Сополимер полистирола с каучуком пластичен, почти вдвое легче алюминия.
Сравнительно новый полимер — полиформальдегид — напоминает полиамиды. Однако он превосходит их по жесткости, твердости, усталостной прочности, влагостой кости и стабильности размеров.
29
Исходное вещество — формальдегид может быть син тезировано из метана и кислорода. Раньше его вырабаты вали сложным путем, в три стадии, из метилового спирта. Это требовало громадных производственных площадей. Советским ученым удалось разработать другой способ создания полиформальдегида. Сырьем для него служит природный газ — метан и кислород воздуха. Теперь по лиформальдегид получают в один прием на компактной установке. Если его сравнить, например, с цинком, то по лиформальдегид в пять раз прочнее. Материал допуска ет шестикратную переработку, детали из него легко точить, сверлить, фрезеровать, трубы из него работоспо собны при температуре минус 40° С. Его м ожно приме нять для изготовления шестерен, зубчатых колес, под шипников (особенно хорошо он заменяет бронзовые подшипники), пружин, втулок, крыльчаток вентиляторов.
Открытие ценнейшего полимера — фторопласта свя зано с пожаром в одной из лабораторий. Когда вспом