книги из ГПНТБ / Щеголев Н.В. Полимер вездесущий

ПОЛИМЕР И КОНСТРУКТОР

Для того чтобы построить гидростанцию, создать новый станок, машину, инженеру нужно выбрать необходимый материал, рас­ считать прочность фундамента, толщину пло­ тины, прочность каждой детали. Ведь если плотина гидроузла окажется недостаточно прочной, возможна катастрофа, если детали станка неправильно рассчитаны, возможна их поломка и выход станка из строя.

Специальная наука сопромат (сопротивле­ ние материалов) предоставила в распо­ ряжение конструктора обилие математи­ ческих формул, приемов и методов ра­ счета, но все-таки бывает, что расчетные величины не всегда правильно отражают дей­ ствительность. Поэтому инженеру приходит­ ся в этих случаях делать «большие запасы», утяжелять конструкцию, расходовать боль­ ше строительных материалов, металла. Его всегда волнуют вопросы: правильно ли он рассчитал? Выстоит ли его плотина в весен­ ние паводки, выдержат ли детали станка на­ грузки при высоких скоростях вращения? Но окончательный ответ может быть полу­ чен только после проверки конструкции в реальных условиях.

9

Как быть? Как проверить правильность расчета напряжений детали, сооружений до их постройки? И вот на помощь конструкто­ ру пришли высокомолекулярные соединения.

Если из некоторых эпоксидных смол из­ готовить, например, небольшой макет гидро­ узла и проследить за его работой, то можно относительно правильно определить напря­ жения и на основании этого, выбрав мате­ риал, произвести расчет прочности плотины, ее геометрических форм, выяснить наиболее напряженные участки сооружения. Как же это удается сделать?

Оказалось, что некоторые эпоксидные смолы оптически активны, то есть они при неравномерных напряжениях по-разному из­ меняют ход пропускаемого через них луча света. Этим воспользовались инженеры. Про­

женные детали макета гидроузла, они могут определить перенапряженные участки и тем самым получить данные для расчета проч­ ности сооружения.

В проектировании это называется мето­ дом оптического моделирования. Помимо эпоксидных смол, для этих же целей исполь­ зуется полистирол и другие полимеры.

ю

в кристалл вызывают в нем вспышки света, которые фиксируются катодом фотоумножи­ теля. Тем самым исследователь замеряет ин­ тенсивность излучения и может судить о про­ цессах, происходящих во время опыта. Все было бы хорошо, если бы изготовление этих кристаллов было простым делом и их мож­ но было бы получить любой величины и фор­ мы. Но это, к сожалению, не так.

Успехи химии высокомолекулярных сое­ динений позволили ученым создать для этих целей особые, так называемые сцинтилляционные пластмассы. Что же представляют собой эти пластмассы с таким трудным на­ званием? Принцип их изготовления относи­ тельно прост. Берут органические вещества, которые могут фиксировать радиоактивные излучения, например антрацен, терфенил или некоторые другие, и вводят их в способные полимеризоваться продукты. Разумеется, по­ лимер в этих случаях должен быть прозрач­ ным. Обычно применяется полистирол. Итак, необходимые для подсчета излучений хими­ ческие вещества оказываются равномерно распределенными в пластмассе и с успехом выполняют нужную работу. Безусловно, что форма и размер кристаллов из этих пласт­ масс могут быть любыми.

Такой относительно простой метод изго­ товления основных деталей счетчиков радио­ активных излучений позволяет ученым про­ водить сложные эксперименты, и вот что интересно — чувствительность этих счетчи­ ков во много раз выше чувствительности

12

обычных газонаполненных счетчиков Гейге­ ра, поэтому ученые могут применять в опы­ тах изотопы меньшей активности. А это при­ водит к значительному упрощению работы с этими веществами.

ПОЛИМЕРНЫЕ

ФИЛЬТРЫ

Если вам когда-нибудь приходилось про­ бовать дистиллированную воду — воду, полу­ ченную конденсацией пара,— то вы знаете, что она безвкусна и пить ее неприятно. При­ чина—-отсутствие в воде солей, придающих ей обычный, «житейский» вкус. Но эта «не­ вкусная» вода пришлась по вкусу паровым котлам. Более того, современные паровые котлы не могут работать на воде, содержа­ щей даже незначительные количества солей. Соли приводят к образованию накипи, кото­ рая может вызвать аварию и поэтому недо­ пустима.

Много и других примеров, когда необхо­ димо удалить небольшие количества веществ из растворов, не прибегая к дорогостоящему выпариванию. Но как быть? В технике для ряда процессов нужна вода именно такой высокой степени очистки.

Оказалось, что с помощью особых поли­

13

меров удается экономически выгодно полу­ чать не только «дистиллированную» воду, но и извлекать из растворов различные нежела­ тельные примеси. Эти интересные полимеры

оказались способными к реакциям ионного обмена. Иониты, как губки, впитывают раст­ воренные в воде соли и другие загрязняющие вещества. Таким образом, из воды извлекают­ ся ионы металлов1 и анионы кислот. После того как иониты «насытились», вобрав в себя достаточное количество «загрязнений», про­ водят процесс регенерации: их как бы чис­ тят, снимая с ионитов поглощенные ими ве­ щества. После этого иониты снова пригодны к работе. Мы употребили слово «загрязне­ ния» и взяли его в кавычки. В самом деле, применимо ли оно, когда речь идет об улав­ ливании с помощью ионитов, например, се­ ребра из сточных вод кинокопировалвных фабрик, фотолабораторий, рентгеновских ка­ бинетов... Конечно, нет!

Так что же собой представляют эти чу­ десные полимеры? Как их создают химики?

Для этого синтезируют полимеры особой пространственной структуры, в которой от­

1 Соли,распадаются в водных растворах на две части­ цы, называемые ионами. Причем положительно заряжен­ ные ионы металлов называются катионами, а заряжен­ ные отрицательным электричеством кислотные остатки — анионами. Отсюда и названия ионитов: катиониты и аниониты, первые улавливают из растворов только ка­ тионы, вторые — только анионы.

14

дельные линейные молекулы оказываются сшитыми, связанными друг с другом «мости­ ками». В зависимости от количества попе­ речных сшивок получается та или иная внут­ римолекулярная пористость полимера, игра­ ющая, как будет показано далее, большую роль в процессах ионного обмена. Затем с помощью химических реакций в определен­ ном порядке к полученному полимеру при­ крепляют различные полярные группы. Не будет большой ошибкой, если эти полярные группы назвать «магнитиками», к которым притягиваются различные ионы, содержа­ щиеся в растворе, проходящем через ионит. Правда, это сравнение несколько условно, поскольку ионообменные процессы опреде­ ляются химико-физическими силами взаи­ модействия между полярными группами ионита с находящимися в растворе ионами. Путем изменения химического строения ионита могут быть получены образцы раз­ личных марок для тех или иных технических целей. И здесь химику нет никаких ограни­ чений для творчества.

А вот некоторые примеры использования ионитов. Всем хорошо известен стрептоми­ цин — многих людей он вылечил от тяжелых болезней. При выделении и очистке этого за­ мечательного антибиотика применялись ионообменные смолы. Ученые в данном слу­ чае воспользовались способностью ионитов улавливать из_ растворов определенные ве­ щества!

Для этих целей были получены специаль­

15

ные иониты, в которых расстояние между соседними «магнитиками» (эту роль в данном случае выполняли карбоксильные группы) несколько увеличено по сравнению с обыч­ ными. Кроме того, этой смоле придали боль­ шую внутримолекулярную пористость. Ведь ионы стрептомицина по своей величине боль­ шие, и им нужно было дать возможность легче и свободнее проникать внутрь зерна ионита, где и находится основная масса «маг­ нитиков».

Затем брали «культурральную жидкость»1, содержащую стрептомицин, и пропускали ее через слой такого ионита. При этом ионы стрептомицина и небольшая часть примесей задерживались, а основная часть последних свободно проходила через ионит. После это­ го раствором кислоты стрептомицин смывали с ионита и упаривали под вакуумом.

Но стрептомицин был не чист, он еще содержал до 30—40 процентов посторонних примесей.

Избавиться от них оказалось возможным

спомощью метода «ионных сит». Что же это за «ионные сита»?

Принцип их действия заключается в том, что для повторной ионообменной очистки, в данном случае стрептомицина, берутся иониты с меньшей внутримолекулярной по­

1 Стрептомицин является продуктом жизнедеятель­ ности особого рода «культуры», так называемых лучи­ стых грибков (антиномицетов), и получается искусствен­ но на заводах биохимическими приемами.

16