Лекция 1. Введение. Предмет дисциплины.

На протяжении всей своей истории человеку всегда были и будут нужны вещи, которые ему полезны. Они лежат в основе его деятельности. В процессе своего развития человечество будет стремиться к чему-то новому. То, что было новым, станет обычным.

Наиболее удачным примером для этого служат применяемые человеком материалы. Сейчас мы живем в эпоху полимеров. Поэтому предметом нашей дисциплины являются 2 аспекта: один из них – полимеры.

Что такое полимеры? Существует большое количество определений. Их суть сводится к тому, что они представляют собой системы высокомолекулярных соединений, взаимодействие которых приводит к появлению специфических свойств. Однако эти свойства также зависят и от природы низкомолекулярных веществ, образующих выше названные соединения. Здесь под ВМС подразумеваются макромолекулы, а вещества их образующие это мономеры. Но вам будет гораздо проще запомнить следующее определение: полимером является ВМС, состоящее одинаковых или различных звеньев мономера, химически связанных длинной цепью.

Полимеры уже настолько прочно вошли в нашу жизнь, что трудно представить как без них пришлось бы. Наверное, их нужно было бы придумать. Здесь все-таки нужно говорить о синтетических полимерах, т.к. природными полимерами люди пользуются уже давно.

Когда были получены первые синтетические полимеры, это было «шагом вперед» или инновацией. Инновации – это второй аспект нашей дисциплины.

Инновация (англ. innovation) – это внедрённое новшество, обеспечивающее качественный рост эффективности процессов или продукции, востребованное рынком. Является конечным результатом интеллектуальной деятельности человека, его фантазии, творческого процесса, открытий, изобретений и рационализации. Примером инновации является вывод на рынок продукции (товаров и услуг) с новыми потребительскими свойствами или качественным повышением эффективности производственных систем.

Инновация — не только введённый в употребление новый или значительно улучшенный продукт (товар, услуга) или процесс, но и новый метод продаж или новый организационный метод в деловой практике, организации рабочих мест или во внешних связях.

Термин «инновация» происходит от латинского «novatio», что означает «обновление» (или «изменение»), и приставки «in», которая переводится с латинского как «в направление», если переводить дословно «Innovatio» — «в направлении изменений». Само понятие innovation впервые появилось в научных исследованиях XIX в. Новую жизнь понятие «инновация» получило в начале XX в. в научных работах австрийского и американского экономиста Йозефом Шумпетера в результате анализа «инновационных комбинаций», изменений в развитии экономических систем. Понятие экономической инновации было разработано им в работе «The Theory of Economic Development» (1934).

Инновация — это не всякое новшество или нововведение, а только такое, которое серьёзно повышает эффективность действующей системы. Обобщённо это понятие может применяться также и к творческой идее, которая была осуществлена.

С этой точки зрения, инновация — это результат инвестирования интеллектуального решения в разработку и получение нового знания, ранее не применявшейся идеи по обновлению сфер жизни людей (технологии; изделия; организационные формы существования социума, такие как образование, управление, организация труда, обслуживание, наука, информатизация и т. д.) и последующий процесс внедрения (производства) этого, с фиксированным получением дополнительной ценности (прибыль, опережение, лидерство, приоритет, коренное улучшение, качественное превосходство, креативность, прогресс).

Схематично это можно изобразить следующим образом: инвестиции — разработка — процесс внедрения — получение качественного улучшения.

Понятие инновация относится как к радикальным, так и постепенным изменениям в продуктах, процессах и стратегии организации (инновационная деятельность). Исходя из того, что целью нововведений является повышение эффективности, экономичности, качества жизни, удовлетворённости клиентов организации, вводится понятие инновационности, которое можно отождествлять с понятием предприимчивости — бдительности к новым возможностям улучшения работы организации (коммерческой, государственной, благотворительной, морально-этической), т.е. с тем, что привело к инновации.

Исходя из вышесказанного, мы можем вывести критерии инновации.

Инновация — это такой процесс или результат процесса, в котором:

• используются частично или полностью охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности;

• обеспечивается выпуск патентоспособной продукции;

• обеспечивается выпуск товаров и услуг, по своему качеству соответствующих мировому уровню или превышающих его;

• достигается высокая экономическая эффективность в производстве или потреблении продукта.

Инновации рассматриваются с разных точек зрения: в связи с технологиями, коммерцией, социальными системами, экономическим развитием и формулированием политики. Соответственно, в научной литературе существует широкий спектр подходов к концептуализации инноваций, т.е. сравнению с другими понятиями.

При концептуализации понятия «инновации» полезно сравнить его с другими понятиями. В частности, в научной литературе отмечается, что понятие «инновация» часто смешивается с понятием «изобретение», обозначающим создание новой технической разработки или усовершенствование старой; и термином нововведение, означающим внедрение новых решений. Кроме того, многие усовершенствования товаров и услуг было бы правильнее назвать просто словом «улучшение». Понятия «изменения» и «креативность» также иногда могут быть употреблены вместо понятия «инновации».

Чтобы отличать инновации от перечисленных выше понятий, нередко уточняется, что особенность инновации в том, что она позволяет создать дополнительную ценность, и связана с внедрением. В рамках этого взгляда инновация не является инновацией до того момента, пока она успешно не внедрена и не начала приносить пользу. Другие понятия используются как часть определения инноваций. В данном случае изобретением может быть новая концепция, устройство или другие вещи, которые облегчают деятельность, а инновационность не связывается с тем, получил ли организатор инновации какую-либо выгоду и принесла ли она позитивный эффект.

Виды инноваций

• Технологические — получение нового или эффективного производства имеющегося продукта, изделия, техники, новые или усовершенствованные технологические процессы. Инновации в области организации и управления производством не относятся к технологическим.

• Социальные (процессные) — процесс обновления сфер жизни человека в реорганизации социума (педагогика, система управления, благотворительность, обслуживание, организация процесса).

• Продуктовые — создание продуктов с новыми и полезными свойствами.

• Организационные — совершенствование системы менеджмента.

• Маркетинговые — реализация новых или значительно улучшенных маркетинговых методов, охватывающих существенные изменения в дизайне и упаковке продуктов, использование новых методов продаж и презентации продуктов (услуг), их представления и продвижения на рынки сбыта, формирование новых ценовых стратегий.

? к разделу:

Понятие полимеров

Термины инновации

Инновация как результат интеллектуальных решений

Критерии инновации

Сравнение с другими понятиями (особенность)

Виды инноваций

Задания: оценка того или иного материала с помощью критериев инновации

А что же полимеры, какое отношение они имеют к понятию инновации.

Став когда-то новым материалом, который открыл перед человеком массу возможностей, позволив задавать нужные свойства при синтезе, они и по сей день продолжают совершенствоваться. Идеи, выдвигаемые в настоящее время, быстро получают коммерческую поддержку и начинают приносить прибыль. Поэтому ключевым помимо инновации является коммерциализация идеи, в нашем случае применительно к полимерным материалам.

Для того чтобы отделить инновационные материалы от традиционных, нужно хотя бы иметь представление о последних. (Вопрос залу – что вы знаете о полимерах).

Первые полимеры были получены человеком на основе натуральных:

Эбонит – продукт вулканизации натурального каучука с большим содержанием серы, целлулоид – модификация целлюлозы, галалит – пластмасса на основе казеина, обработанного формальдегидом. Так появились «материалы-заменители», которые часто по своим свойствам и качеству уступали природным. Такие материалы стали весьма заметно прогрессировать с конца XIX — начала XX в. на мировом рынке под названием «суррогаты». Сам термин «суррогат» (от латинского surrogatus — поставленный взамен) символизировал неполноценность и более низкую качественность продукта. К. Маркс показал, что при машинном производстве спрос на сырые органические материалы увеличивался быстрее, чем их предложение, цена на них повышалась, производство расширялось, причем они начинали доставляться из более отдаленных районов. Эти же причины заставляли производить и применять различные суррогаты и использовать отходы производства.

По мере появления прогрессивных способов и совершенствования химической технологии начинают создаваться некоторые искусственные материалы, не уступающие, а в ряде случаев и превосходящие по качеству природные материалы. Искусственные материалы постепенно теряют значение только заменителей. Их удельный вес в структуре химических материалов возрастает.

Особое место среди полимерных материалов заняли материалы, получившие название «синтетических». Они появились в результате более глубокого преобразования вещества. Первые искусственные полимерные материалы получали в результате химической переработки лишь некоторых природных полимеров (целлюлоза, белки). Химический состав искусственных полимеров, представляющих модифицированные природные материалы, ограничен составом исходных натуральных полимеров.

Синтетические полимеры получают не на основе природных полимеров, а из веществ совершенно иного состава и свойств. Исходным сырьем здесь могут служить некоторые простейшие низкомолекулярные вещества, например этилен, ацетилен, фенол и некоторые другие, которые в огромных количествах получаются при переработке нефти и каменного угля. Именно по этому пути пошла химия синтетических материалов в конце XIX — начале XX в. В принципе синтетические полимеры могут быть получены и из элементарных углерода, водорода и некоторых других элементов. Синтетическая технология в химии эволюционизирует от использования готовых природных веществ и материалов через их все более сложную модификацию к получению новых материалов, не встречающихся в природе.

Развитие химической технологии в рассматриваемый период позволило практически использовать природные полимерные материалы, в том числе наладить производство искусственных волокон на основе целлюлозы (нитроцеллюлоза, вискоза, ацетилцеллюлоза и др.). Значительный интерес проявился к пластическим массам, резине из натурального каучука, синтетическому каучуку. Крупные сдвиги были сделаны в области производства синтетических красителей и фармацевтических препаратов.

Я не хотел описывать всю историю полимеров, но некоторые исторические факты следует рассмотреть.

Среди многочисленных высокомолекулярных соединений одно из ведущих мест занимает каучук, обладающий уникальной способностью к обратимым деформациям в сочетании с высокой прочностью и другими ценными свойствами.

Первое знакомство европейцев с каучуком относится ко второй экспедиции Колумба (1463 - 1496 гг.), когда его спутники наблюдали на острове Гаити игры в мячи, сделанные из эластичной древесной смолы, называемой «каучук», очевидно от «cao» — дерево и «o-chu» — течь. Впервые каучук был описан в литературе известным испанским историком Геррера-Тордесиласом в книге «Общая история обширного континента и островов Америки». Спустя почти 250 лет (около 1740 г.) французский ученый Ш. Кондамин доставил в Европу первые образцы каучука и описал применение индейцами млечного сока каучуконосных деревьев. Однако практическое применение каучук нашел только после открытия в 1826 г. англичанином Т. Гэнкоком процесса его пластикации — превращения каучука в мягкую, пластичную массу, легко деформируемую при механической обработке. Это позволило смешивать каучук с различными порошкообразными материалами и явилось основой всех современных процессов его переработки [4].

Чарльз Гудьир и связанные с ним промышленники начали производство каучуковых изделий в конце 1833 г. Их продавали по высокой цене, но летом 1834 г. они расплавились и приобрели неприятный запах. Компании «Роксбери» было возвращено изделий более чем на 20 тысяч долларов; их зарыли в землю, так как это было единственным средством избавиться от них. В 1838 г. Гудьир познакомился Н. Хейвордом, который служил мастером в «Игл компани» (Вобурн, Массачусетс), где он применял эмульсию серы для пропитки каучука. Гудьир и Хейворд делали спасательные пояса, используя пары сернистой кислоты и процесс соляризации. Гудьир купил у Хейворда этот процесс, который приобрел на него патент в том же году. В 1839 г. Гудьир, продолжавший свои исследования в поисках средств для устранения липкости каучука, нашел, что под действием кипящей серы каучук не плавится, а обугливается. Это был его первый среди многочисленных опытов, который привел к открытию того, что каучук можно модифицировать нагреванием с серой (вулканизовать) в такой степени, чтобы он превращался в не липкий, прочный и упругий материал — резину.

Натуральный каучук добывается из млечного сока некоторых растений, преимущественно бразильской гевеи, на долю которой приходилось более 99% всей мировой добычи каучука. Первоначально каучук добывался только в бассейне реки Амазонки. Все возрастающее потребление каучука привело к резкому увеличению спроса, для удовлетворения которого уже к 1860-1870 гг. бразильского каучука оказалось недостаточно. В 1876 г. англичанам удалось вывезти из Бразилии несколько тысяч семян бразильской гевеи и создать плантации в странах тропического пояса. Первый плантационный каучук появился на мировом рынке в 1899 г., а в 1913 г. производство плантационного каучука превзошло добычу его из дикорастущих деревьев.

Большое значение натурального каучука привлекло к нему внимание ученых многих стран мира, которые на первом этапе пытались выяснить его химическое строение. Исследования М. Фарадея, Дж. Дюма, Ф. Химли, Дж. Либиха, Дж. Дальтона, Г. Виллиамса (1826 – 1860 гг.) привели к выводу, что структурным элементом натурального каучука является изопрен. Этот вывод был подтвержден в 1879 г. Г. Бушарда, получившим каучукоподобное вещество при обработке изопрена концентрированной соляной кислотой.

Вслед за аналитическим направлением работ последовал длинный и трудный путь синтеза полимеров, обладающих, подобно натуральному каучуку, высокоэластическими свойствами. Большое значение для решения проблемы синтеза каучука имели исследования русских ученых в области непредельных углеводородов. Первыми из них были работы А. М. Бутлерова, установившего возможность полимеризации бутиленов под действием хлористого цинка и серной кислоты, что послужило началом изучения механизма полимеризации непредельных соединений. В 1878 г. русский химик А. А, Кракау открыл способность непредельных соединений полимеризоваться под действием щелочных металлов. А. Е. Фаровским заложены теоретические основы изучения диеновых углеводородов — исходных продуктов для синтеза каучука.

Уже на первом этапе работ перед учеными встала задача синтеза доступных исходных мономеров для получения каучукоподобных материалов. Первые работы в этом направлении принадлежат В. Тильдену, который в 1884 г. получил изопрен пиролизом скипидара. В 1889 г. Н. И. Мариуца впервые синтезировал 2,3-диметлбутадиен-1,3 и обнаружил способность этого непредельного углеводорода к полимеризации под действием концентрированной минеральной кислоты. Спустя год И. Л. Кондаков описал синтез этого мономера из тетраметилэтилендихлорида и установил, что при нагревании его с едким кали образуется белая эластичная масса, напоминающая каучук. Решающее значение для создания промышленности синтетического каучука имели работы С. В. Лебедева. Таким образом, проблема превращения мономеров в эластомер была разрешена, и первоочередной задачей стала разработка промышленных методов синтеза мономеров. Первым промышленным способом получения 1,3-бутадиена стало каталитическое разложение этилового спирта, предложенное С. В. Лебедевым.

Синтез каучука в промышленном масштабе — это выдающееся достижение советской науки и техники. Первый завод синтетического каучука был пущен в Ярославле 15 июня 1932 года, в октябре того же года выдал первый каучук второй завод синтетического каучука в Воронеже, а июле 1933 года начал выпускать промышленную продукцию третий — Ефремовский завод СК; четвертый — Казанский завод СК был введен в эксплуатацию в 1936 году. Организация промышленности синтетического каучука была исключительно трудной задачей, поскольку отсутствовали практические данные и опыт работ в этой области. В последние годы существенный вклад в решение проблемы синтеза каучука внесли многие отечественные и зарубежные ученые.

Это один из примеров успешной реализации идеи, которую можно считать инновационной на тот период. Важно, что это было достигнуто в нашей стране. На сегодняшний день нужно честно признать – подобные проекты будут осуществить очень трудно, хотя и тогда это было не легко. Для того чтобы можно было реализовывать эти проекты, мало одной лишь выгоды, должна быть политическая воля руководства, а также национальная идея.

В заключении хотел бы сказать, что настоящее время отличается высокими темпами научно-технического прогресса. Бурное развитие современной техники требует все новых материалов с заранее заданными свойствами. Требуются материалы со сверхвысокой прочностью, твердостью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью, другими характеристиками и совместным сочетанием этих свойств. Вместе с тем, в настоящее время известны сотни тысяч различных природных и искусственных материалов, которые уже не отвечают возрастающим требованиям. При этом открытие принципиально новых материалов происходит крайне редко. Это свидетельствует о том, что подавляющее большинство «простых» материалов уже открыто, и ждать в этом направлении больших достижений не приходится. Но научно-технический прогресс не останавливается и требует новых материалов. Поэтому основное и долгосрочное направление в разработке новых материалов сейчас состоит в создании материалов путем соединения различных уже известных материалов, то есть - в получении композиционных материалов (КМ).

Лекция 2. Традиционные полимеры.

Если мы хотим получить полимерный материал или изделие с интересующими свойствами, то нам необходимо знать от чего будут зависеть свойства того или иного полимера, из которого они изготовлены.

Свойства полимеров определяются:

1. химической структурой: хим. составом мономеров, расположением;

2. молекулярной массой: среднечисловой, среднемассовой, средней;

3. полидисперсностью – отношением среднемассовой ММ к среднечисловой;

4. молекулярно-массовым распределением;

5. надмолекулярной структурой: ближний порядок (небольшие длины макромолекул характерны для аморфной структуры; кристаллическая или упорядоченная характеризуется большими длинами макромолекул, т.е. дальним порядком).

А свойства изделий будут определяться не только свойствами полимера, но и условиями его получения и методами переработки. (Вопрос залу – что является главным: повторяемость или воспроизводимость от каждой партии).