Материалы неограниченного выбора

Большая группа веществ, гигантские молекулы которых образовались в результате многократных последовательных присоединений друг к другу обычных небольших молекул», — с таким определением полимеров можно встретиться в любой из многочисленных книг, прославляющих эти вещества как «материалы безграничных возможностей», как главную составную часть «мира, сделанного на заказ».

Современные методы химии полимеров позволяют широко изменять свойства полимерных веществ (а). Блоксополимеризация делает возможным создание цепных молекул с правильным чередованием выбранных для построения полимера однородных блоков(б). «Прививка» одного полимера к «стволу» или боковым группам другого полимера (в) позволяет синтезировать материалы с заданными свойствами.

За последние годы наука проникла в сокровенные тайны строения этих важных веществ, научилась управлять их свойствами и даже «проектировать» полимеры с заранее заданными свойствами.

Техника умеренных температур, скромных давлений, небольших скоростей, не знавшая еще ни телевизоров, ни радиолокации, ни ракетопланов, могла довольствоваться сравнительно бедным набором материалов.

Новейшие научные открытия, послужившие толчком для мирных применений атомной энергии, высотных полетов и бурного расцвета электроники, придали развитию техники особую стремительность. В свою очередь наука стала получать от техники новые, все более сложные задания. Все чаще они касаются создания материалов с невиданными доселе, небывалыми свойствами, а главное с непривычным сочетанием свойств.

Однако, даже когда выяснены способы удовлетворения этих новых потребностей, продвижение в желательном направлении затруднено, если производство новых материалов не обеспечено доступным сырьем. И ученым удалось за последние годы открыть такие богатые источники наиболее подходящего для производства полимеров сырья, что и это важное условие их продвижения в жизнь оказалось выполненным.

Основой основ современной техники продолжают оставаться металлы, в первую очередь черные. Сейчас сталь облагораживают различными добавками, которые укрепляют ее структуру, придают ей повышенную упругость, твердость, жаростойкость, помогают сопротивляться химическим разрушениям — коррозии, улучшают ее магнитные свойства. Этим целям служат ванадий и марганец, хром и молибден, вольфрам и никель.

Особое место в технике отвоевали себе «крылатые» металлы — алюминий, магний, титан — и их сплавы, благодаря прочности и легкости ставшие основой авиации. Но долог путь от руды до готовой детали!

Во всех случаях, когда металл удается заменить материалом равной прочности, но более пластичным, легко обрабатываемым, промышленность охотно на это идет, — настолько охотно, что, скажем, в пассажирском самолете ТУ-104 имеется уже около 120 тыс. деталей, изготовленных из пластических масс и резин.

Но пластическим массам в машиностроении обеспечен такой радушный прием не только потому, что они более «технологичны», т. е. легко превращаются в готовые изделия. Оказывается, что и по своим качествам они часто не только заменяют металл, но и превосходят его.

Пластические массы — это либо чистые полимеры, вроде полиамидной смолы — нейлона, из которой отливают, например, нержавеющие, не нуждающиеся в окраске и чистке, не ломающиеся при столкновении с плавающими предметами или с грунтом на мелях судовые гребные винты, либо сложные композиции, в которых в качестве удешевляющего и упрочняющего наполнителя участвуют древесная мука, минеральные порошки, асбест, бумага, стеклянное волокно, стеклоткань или дерево, а полимеры исполняют в этом своеобразном пластичном «бетоне» роль связующего вещества — клея или цемента. Чистый выигрыш от применения пластмасс в машиностроении измеряется не только количественными показателями. Пластмассы позволяют конструкторам создавать более совершенные машины.

Незаменимые качества

Давайте проследим, за счет каких качеств пластмассы побеждают сталь в машиностроении. Для изготовления подшипников из полиамидной смолы — нейлона — не требуется столь высокой точности, как при изготовлении подшипников металлических. А работают они дольше. Мало того, они способны гасить вибрации вращающихся деталей, которые приносят подчас много неприятностей. С переходом на нейлоновые подшипники удалось, например, вдвое повысить скорость веретен прядильных машин, где опасные вибрации были погашены в материале подшипника. Эти достоинства пластмассовых деталей объясняются высокой упругостью капрона и его малым коэффициентом трения. Податливость пластмассы предотвращает сосредоточение нагрузок на малых участках; подобно подушке, подшипник приспосабливается к любой форме опорной поверхности вала, плотно к ней прилегая.

пластмассовая башня Силосную башню можно изготовить из пластмассы. Она представляет собой чехол из виниловой пленки, который помещается в собираемый из отдельных секций проволочный сетчатый каркас. После заполнения силосом (а башня вмещает его 40 Т) чехол сверху завязывают. Пластмассовая пленка предохраняет силос от попадания воздуха и влаги, и он хорошо сохраняется. Башня очень портативна: в сложенном состоянии она умещается в коробке размерами 60x120 см. Ее легко можно перевезти в нужное место и быстро собрать. Диаметр башни в собранном виде более 4 м, а высота 3,5 м.

Пластмассовые шестерни работают бесшумно. Сопрягаясь с металлическими, они не искрят, а это очень важно в тех случаях, когда машина работает на взрывоопасном производстве. Пластмассы в 5-8 раз легче стали и поэтому незаменимы для быстродвижущихся деталей машин и самолетного оборудования, конструируя которые инженеры стараются выгадать каждый грамм веса.

Болты из спрессованного нейлона не нужно изолировать от электрического тока. Благодаря своей упругости они незаменимы при соединении неподвижных деталей. Из них можно изготовлять «равнопрочные» детали, в то время как металлические детали машин срабатываются в разные сроки, что ведет к частым поломкам и усложняет ремонт. Кузова автомашин и катеров, изготовленные из армированных пластмасс, не боятся ударов при столкновении. Если даже в них образуются вмятины, их можно выпрямить, просто нажав на них с противоположной стороны. Сейчас уже появились пластмассовые пружины, не подверженные коррозии и не теряющие эластичности долгое время.

Искусственные полимерные материалы способствуют более полноценному использованию природного полимера — дерева. Каждый знает, что дерево легко расколоть вдоль, разделяя волокна, и трудно перерубить их поперек. Хотя древесина неплохо поддается обработке, затраты труда на все процессы обработки весьма велики и относительно мало продуктивны, потому что остается много отходов. Не использовались ветки, горбыли, стружки, опилки — больше половины исходного материала пропадало, пока на выручку не пришли полимерные материалы. Ими пропитывают и оклеивают размолотые или превращенные в стружку былые «отходы», и под горячим прессом получаются древесно-волокнистые или древесно-стружечные плиты.

Свойства их во всех направлениях одинаковы: их не «поводит» при повышенной влажности, они не рассыхаются и не подвержены загниванию. Для наружной отделки изделий из древесно-волокнистых или древесно-стружечных плит могут служить тонкие слои ценной породы натуральной древесины (так называемый шпон) или их многокрасочные печатные
воспроизведения, защищенные от повреждений тонкой прозрачной пленкой из того или иного полимера. Таким образом, при помощи полимеров не только используются былые отходы, но и не утрачиваются декоративные качества дерева.

В судостроении древесина очень давно уступила главные позиции металлу, защищаемому от разрушающего воздействия морских солей и биологического обрастания полимерными пленками с добавкой ядовитых веществ. Сейчас и в конструкции малых судов ее окончательно вытесняют легкие и прочные полимерные материалы с каркасной основой из стеклоткани. Склеенные из пропитанной полимерами стеклоткани корпуса судов отделывают изнутри еще более легкими, плавучими обшивками из пористых полимеров.

Прочность всех этих древесных и стекловолокнистых материалов на полимерной основе поразительна, в особенности если принять во внимание их малый удельный вес. Например, слоистые бумажные пластики, пропитанные одним из самых старых и самых распространенных видов полимеров — смолами, изготовляемыми из формальдегида и фенола, при удельном весе 1,3-1,4, имеют прочность на разрыв 7-10 кГ на 1 мм².

Пластические массы, изготовленные из стеклянной ткани, пропитанной другим видом полимеров — полиэфирными смолами, которые получаются при реакции фталевого ангидрида с глицерином (глифталь или глипталь), прп удельном весе 1,6-1,8 обладают разрывной прочностью в 30-70 кГ на 1 мм². Дерево при удельном весе 0,5-0,8 имеет прочность на разрыв 7 кГ на 1 мм². Прочность обычной стали 60 кГ на 1 мм², зато удельный вес 7-8. Уступая дереву по удельному весу, пластические массы превосходят по прочности не только дерево, но и многие металлы.

Строительные материалы, изготовленные на основе полимеров, благодаря своему небольшому удельному весу гораздо выгоднее камня. Они расширяют области полезного применения искусственных камней, к которым относятся и давно известные материалы — обожженная глина, стекло, бетон.

Многие полимеры, среди которых наибольшее распространение получили акриловые смолы (полимеры акриловой, метакриловой кислот и их производных — эфиров и нитрилов), успешно заменяют обычное стекло во всех случаях, когда высокий удельный вес и природная хрупкость стекла — этого превосходного во всех остальных отношениях материала — препятствуют его использованию. Например, полиметакрилат (полимер метилового эфира и метакриловой кислоты), широко известный под названием плексигласа, позволил остеклить самолеты непробиваемой прозрачной броней.

Из полиметакрилата, который называют также «органическим стеклом», изготовляют увеличительные небьющиеся стекла для часов, циферблаты, прозрачные сосуды, не говоря уже о многих изящных и красивых изделиях народного потребления. Для прослоек в безопасных стеклах автомашин начинают применять прозрачную виниловую смолу — поливинил-бутираль, Она не изменяет своего цвета под действием ультрафиолетовых лучей и сохраняет прочность при низких температурах.

Полиуретан и смолы

Природный каучук — эластичное, горючее, легко растворимое в маслах и бензине вещество. Синтетические каучуки сохранили лишь главное качество природного — эластичность, но приобрели много новых полезных свойств. Из новых бензино- и маслоустойчивых синтетических каучуков так называемый полиуретановый по химической природе вообще не имеет ничего общего с натуральным. Он необыкновенно прочен к истиранию.

В ряду «классических» материалов, которые человек использует для техники, нам осталось коснуться только волокон и кожи. У этих материалов много достоинств; прежде всего они прочны и гибки. Это объясняется их полимерной основой. Целлюлоза, из которой состоят в основном волокна хлопка, льна, конопли и других текстильных материалов, так же как кератин шерсти и белок натурального шелка (фиброин) или кожи (коллаген),— это природные полимеры.

Полимерная основа для создания синтетического подобия кожи уже «сконструирована». Труднее всего было воспроизвести тончайшую сеть капиллярных пор, которые не пропускают холод и влагу извне и позволяют свободно испаряться избыточной влаге внутри обуви, образующейся при ее носке. После того как удалось преодолеть это затруднение (чаще всего поры образуются в синтетическом заменителе кожи путем испарения заранее заделанных в него твердых частичек газообразователя), изящная, легкая и ноская искусственная кожа в сочетании с пористыми, стойкими к истиранию резиновыми подошвами стала полноценным материалом для массового изготовления обуви.

Занялись химики и созданием новых полимеров, пригодных для изготовления волокон разного назначения. Они стремились также найти способ изготовления высококачественных полимерных цепей, пригодных для вытягивания из них синтетических волокон из наиболее доступного сырья. В этом отношении достигнуты исключительные успехи.

Наиболее широко применяются для изготовления синтетических волокон полиамидные смолы: капрон, нейлон, энант и др.— вещества, молекулы которых имеют линейное строение. Их название связано с тем, что отдельные звенья молекулы соединены амидными группами. Эти группы НСО содержатся также в природных веществах белкового характера, в кератине шерсти и фиброине шелка. Именно поэтому капрон и нейлон обладают ценными техническими свойствами, близкими к свойствам животных волокон.

Ряд преимуществ по сравнению с капроновым волокном имеет энантовое волокно, метод производства которого разработан советскими учеными.

Ценными качествами обладает полиэфирная смола, получаемая в результате взаимодействия терефталевой кислоты с этиленгликолем. В Советском Союзе эта смола известна под названием лавсана. Волокно из нее отличается высокой прочностью, устойчиво к действию высоких температур, кислот и окислителей, не изменяется под действием солнечного света. Кроме того, лавсан нашел интересное применение в хирургии: из него изготовляют протезы отдельных кровеносных сосудов и даже целых пучков сосудов. Главная отличительная черта волокна из лавсана — большая упругость, напоминающая упругость шерсти, и высокая устойчивость к сминанию. Костюмы, изготовленные из него, не нужно гладить даже после длительной носки, они не теряют складок при сырой погоде.

Радиодетали из капрона О том, что из капрона изготовляют красивые чулки, знают, пожалуй, все. Многие, вероятно, слышали и о прочных, не поддающихся гниению капроновых рыболовных сетях. Но знаете ли вы, что скоро можно будет купить радиоприемник, многие детали которого изготовлены из капрона? Держатели катушек, корпуса сопротивлений и некоторые другие детали, обычно изготовлявшиеся из других пластмасс, будут прессоваться из капрона. Такие детали эластичнее и дешевле других пластмассовых, их легче обрабатывать.

Подобными же свойствами обладает волокно, известное в СССР под названием нитрона (в других странах оно называется орлоном). Оно создано на основе полимера нитроакриловой кислоты — полиакрилнитрила. Нитрон — прочное красивое и шелковистое волокно, по своим свойствам приближающееся к натуральной шерсти. Из него также изготовляют немнущиеся ткани.

Прочность на разрыв капрона — далеко не лучшего синтетического вещества — во много раз больше, чем у шерсти, вдвое больше, чем у шелка, и почти не уступает прочности стали.