книги из ГПНТБ / Щеголев Н.В. Полимер вездесущий

снижающих температуру застывания, были улучшены качества масел, но этого оказалось недостаточно.

Выяснилось, что практически невозможно из одного нефтяного сырья получить мотор­ ные масла, остающиеся жидкими на холоде.

В начале 40-х годов впервые в Советском Союзе профессором Е. Г. Семенидо был предложен принципиально новый способ по­ лучения масел с хорошими низкотемпера­ турными свойствами. Он предложил в мало­ вязкие нефтяные масла особого состава до­ бавлять... Вы уже догадываетесь?.. Ну, конечно, полимеры. Так появились арктиче­ ские загущенные масла, обладающие хоро­ шей текучестью и не застывающие при тем­ пературе —40°С и ниже!

Оказалось, что полимеры, например по­ лиизобутилен, придают маловязким маслам большую вязкость и позволяют благодаря этому использовать их для смазки двигателя. Маловязкие масла со своей стороны обеспе­ чили хорошую текучесть масла при низких температурах. Мотор на этих маслах стал заводиться на холоде, износы двигателя сни­ зились.

Как же делают этот интересный поли­ мер?

Его получают полимеризацией изобутиле­ на при температуре —40°С! Технология про­ изводства оригинальна. Газ изобутилен, сжи­ женный и охлажденный до —85°С, смешивают с жидким этиленом и подают на ленту тран­ спортера-полимеризатора, туда же вводят и

19

катализатор (трехфтористый бор). Испаря­ ясь, этилен отнимает тепло от продуктов реакции и поддерживает там необходимую температуру. В этих условиях как раз и по­ лучается полиизобутилен, нашедший приме­ нение, как мы уже говорили, в качестве вяз­ костных присадок к маслам. По своему виду он представляет тягучую, вязкую массу.

Весьма эффективными в маслах оказались полимеры, приготовленные из некоторых эфиров метакриловой кислоты. Эти продук­ ты, полученные работниками всесоюзного треста «Нефтемаслозаводы» Г. Е. -Гарзановым, Г. Г. Виннером, И. Е. Добкиным, С. С. Альт­ ман и другими, сделали возможным создание моторных масел, не застывающих даже при температуре — 50°С. Хорошая текучесть этих масел на морозе позволила надежно запус­ кать двигатель зимой без применения средств его подогрева.

Но полимеры в маслах выполняют не только функции присадок, улучшающих вяз­ кость масла. Например, ленинградскими уче­ ными В. Г. Телегиным и Е. В. Лазаревой син­ тезирован ряд полимеров особой структуры типа сополимеров диалкилами,ноэтилметакрилата и лаурилметакрилата — химики лю­ бят выражаться точно!

Эти полимеры, добавленные в моторное масло в комплексе с некоторыми другими присадками, обеспечили высокую чистоту двигателя и большую его долговечность. На Выставке достижений народного хозяйст­ ва моторное масло с беззольной присадкой —

20

более простое название этих полимеров — получило высокую оценку.

Секрет эффективности добавленных в смазочные масла полимеров заключается в том, что в них имеются азотсодержащие группы. Именно они поддерживают во взве­ шенном состоянии продукты окисления и осмоления масла, которые образуются при работе двигателя. В итоге на деталях двига­ теля откладывается меньше нагара и мотор работает с большей надежностью.

Полимеры, о которых рассказывалось, до­ бавляются к маслу в количестве нескольких процентов, но оказывается, что имеются полимеры, десятые доли процента которых способны действовать достаточно эффек­ тивно. Так, например, некоторые полимеггакрилаты, разработанные впервые у нас в Союзе в институте нефтяной промышлен­ ности (ВНИИ НП) профессором Л. А. Потоловским, резко снижают температуру за­ стывания масла. Если оно застывало при —20°, то после прибавления к нему всего лишь 0,4 процента этого полимера (это при­ близительно содержимое рюмки на канистру) масло оставалось подвижным при —40°! Важность этого при эксплуатации автомоби­ лей зимой трудно переоценить.

Полимеры этого типа при низких темпера­ турах препятствуют срастанию друг с другом кристаллов парафина в моторном масле и тем самым не дают им образовывать сплошной структуры, приводящей к застыванию масла.

21

Но полимеры в маслах оказались эффек­ тивными и в тысячных долях процента.

Кремнийорганичеекий полимер особой структуры, введенный в масло всего лишь в количестве 0, 002 процента (то есть всего два грамма на 100 килограммов масла), пода­ вил вредное для двигателя пенообразование и обеспечил более совершенную смазку тру­ щихся деталей. Более того, как показали ис­ следования и испытания, проведенные про­ фессором К. К. Папок, кандидатом техниче­ ских наук С. П. Беренсоном, кандидатом технических наук Б. С. Зусевой и другими, уже такие, казалось бы, ничтожные коли­ чества кремнийорганического полимера в масле приводят к меньшему его окислению и способствуют большему сроку службы масла.

Применение моторных масел с полимер­ ными присадками дает огромную выгоду в на­ родном хозяйстве. Подсчитано, например, что на один автомобиль экономится в этом случае не менее 50 рублей в год. Помножьте эту цифру на количество автомобилей в стране (а их миллионы) — сумма получится огром­ ная. При использовании масел с полимерны­ ми присадками значительно упрощается, осо­ бенно зимой, эксплуатация автотранспорта, исключаются расходы на периодические про­ гревы моторов автомобилей зимой на кратко­ временных остановках, повышается долговеч­ ность двигателя.

Загущенные масла — они известны и под таким названием — полностью себя оправда­ ли не только в суровых условиях Арктики и

22

Антарктики на дрейфующих станциях «Се­ верный полюс» и в высокоширотных экспе­ дициях к Южному полюсу, но и в жарких пустынях Каракумов.

Полимеры, о которых шла речь, приме­ няются в маслах сегодня, а завтра будут другие, еще более эффективные.

В ночь

под новый год

Есть один полимер, который громогласно напоминает о себе в новогоднюю ночь, но люди, сидящие за праздничным столом, его не замечают. В самом деле, кого может инте­ ресовать пробка от выпитой бутылки шам­ панского? Однако полимерная пробка, сде­ ланная из полиэтилена, могла б рассказать о многом. Возможно, она бы посетовала и на свою судьбу: за то, что из нее сделали пробку, а не легкие прочные полимерные трубы, не боящиеся кислот и щелочей, тру­ бы, которым не страшен мороз, разрушаю­ щий железные водопроводные трубы, если в них замерзнет вода. Перечень обид поли­ этиленовой пробки может быть продлен и далее... Но не будем ей портить праздничного настроения и поблагодарим ее: она свое дело сделала отлично!

23

Так что же представляет собой полиэти­ лен — полимер, область применения которого так велика: от пробок (в бутылках шампан­ ского) до различных пленок, литых и прессо­ ванных технических изделий, в том числе и замечательных труб, о которых уже упоми­ налось? Полиэтилен получается из газа этиле­ на1. Реакция полимеризации может протекать при высоком давлении (1500—2000 атмосфер), при среднем (35—70 атмосфер) и при низком (до 2—6 атмосфер). На первый взгляд кажет­ ся: зачем получать полиэтилен при давлении 2000 атмосфер? Ведь для этого нужно слож­ ное оборудование, мощные компрессоры и т. д.

Оказывается, необходим полиэтилен и вы­ сокого и низкого давления, потому что их качества различны. Полиэтилен высокого дав­ ления более эластичен, но менее прочен, чем полиэтилен низкого давления, второй к тому же имеет более высокую температуру плав­ ления.

В чем причина их различия? Химический их состав одинаков! Дело в том, что форма макромолекул у них различна. Полиэтилен низкого давления состоит из линейных моле­ кул —-длинных нитей, почти не имеющих боковых ответвлений. Поэтому такие макро­ молекулы могут в полимере располагаться

1 Попытки провести полимеризацию этилена были предприняты еще в прошлом веке (1884 г.) известным русским химиком Г. Г. Гуотавсоном, при этом, правда, были получены низкомолекулярные продукты.

24

более плотно и могут образовывать так назы­ ваемые кристаллиты (участки упорядоченно­ го расположения макромолекул). В полиэти­ лене высокого давления макромолекулы имеют разветвления и потому не могут упа­ ковываться так плотно, как в полиэтилене низкого давления. Например, кристаллич­ ность (компактное расположение макромоле­ кул в полимере) полиэтилена низкого давле­ ния и сами его кристаллиты примерно в два раза больше, чем в полиэтилене высокого давления.

Наличие в полимере большего количества аморфных участков (с хаотическим располо­ жением макромолекул) обусловливает луч­ шие эластичные свойства полиэтилена высо­ кого давления. Академик А. В. Топчиев и док­ тор химических наук Б. А. Крендель, успеш­ но разрабатывающие проблемы получения полимеров из углеводородных газов, образно сравнивают аморфные участки в полимере с суставами, которые придают материалу гиб­ кость и эластичность.

Более плотная упаковка макромолекул

вполиэтилене низкого давления повышает его химическую стойкость и делает его бо­ лее устойчивым к набуханию в бензоле, бен­ зине и в различных нефтяных маслах.

Мы были вынуждены коснуться некото­ рых вопросов о расположении макромолекул

вполимере для того, чтобы объяснить разли­ чие физико-химических свойств полиэтилена.

В Советском Союзе в этой области много 'сделано академиком В. А. Каргиным и его

25

сотрудниками. Используя методы электрон­ ной микроскопии, позволяющие достигать увеличения в сотни тысяч раз, и применяя другие способы исследования полимеров, ученому удалось объяснить многие сложные явления и сделать большие практические вы­ воды.

Интересна история открытия этого заме­ чательного полимера. Профессор А. И. Динцис и кандидат технических наук В. Н. Мона­ стырский рассказывают об этом так: «В один из погожих весенних дней 1936 года в Госу­ дарственном химическом институте высоких давлений царило необычайное оживление:

влаборатории сверхвысоких давлений было синтезировано новое вещество1. Эластичные матовые кусочки его ни в чем не растворя­ лись, на них не действовали крепкие кисло­ ты, а при нагревании они вытягивались в тон­ кие прочные нити». Авторов этого открытия ждало горькое разочарование. Новое вещест­ во не находило практического применения. Но недолго. Полиэтилен стал использоваться

вкачестве изоляционного материала. Только благодаря полиэтилену удалось создать эф­ фективно действующие радиолокаторы (ра­ дары), специальные кабели связи. А когда

полиэтилена стало выпускаться больше, из него стали делать и трубы, и резервуары,

ипленки, и массу бытовых вещей: различные

1Независимо от профессора А. И. Динциса полиэтилен высокого давления примерно в это же время был открыт и английскими учеными.

26

футляры, щетки, надувные ванны, скатерти, мешки, сумочки.

Высокие электроизоляционные свойства полиэтилена высокого давления, особенно в области токов высокой частоты, обусловле­ ны химическим составом и высокой чистотой этого полимера. Катализатором при его про­ изводстве служит... вода в количествах около 0,005 процента!

Полиэтилен же низкого давления полу­ чается с использованием некоторых катали­ заторов, содержащих металлы. Оставаясь в полимере, соединения металлов ухудшают электроизоляционные свойства полимера.

Правда, путем ряда технологических опе­ раций (отмывки) удается удалить из полиме­ ра эти нежелательные примеси, но все это приводит к лишним затратам. Любопытен один случай, способствовавший открытию полиэтилена низкого давления. Рассказывают, что в лаборатории, где проводились опыты с этиленом, инженеры случайно заметили, что в одном химическом аппарате образова­ лась течь. Но не это привлекло их внимание — нарушение герметичности аппаратуры слу­ чается довольно часто. Там, где нашел себе выход этилен, образовалось какое-то белое вещество, похожее на парафин. Было уста­ новлено, что это полиэтилен, но полиэтилен особенный, по ряду свойств значительно луч­ ше полимера, получаемого при 2 000 атмо­ сфер.

Вот это случайное наблюдение побудило ученых провести серьезные исследования, и

27

были решены пути синтеза полиэтилена низ­ кого давления, о котором уже рассказыва­ лось.

СТЕКЛО...

А НЕ БЬЕТСЯ!

Многие вещи, окружающие нас: прозрач­ ное настольное стекло из пластмассы, про­ зрачные ручки и портсигары из этого же материала, разные вазочки, шкатулки, пуго­

гласом.

Прозрачность, красота, достаточная проч­ ность этого полимерного материала не раз интриговали своим происхождением. В самом деле, из чего же делают этот замечательный материал?

По одной из технологических схем его делают из синильной кислоты, ацетона и ме­ тилового (древесного) спирта. Да, скажет чи­ татель, вещества весьма неприятные. Синиль­ ная кислота и ее соль (цианистый калий) — страшнейший яд, метиловый спирт уже в де­ сятках граммов вызывает слепоту и даже смерть человека, да и ацетон не такой уже безвредный. Как же тогда химикам удается

28