книги из ГПНТБ / Нестареющие полимеры

которых сделаны из легко очищаемых полимерных по­ крытий.

Есть все основания полагать, что полимерные дымы и туманы помогут человеку воздействовать на природу, регулировать метеорологические условия, создавать микроклимат, защищаться от сильных морозов и других неблагоприятных воздействий».

Еще раз: эти грандиозные перспективы близкого ' будущего полимеров не наша фантазия и не вымысел досужего писателя, попытавшегося перенести нас на несколько десятилетий вперед. Это научные прогнозы крупных специалистов, стремящихся наметить основные задачи, которые следует решать уже сегодня. И если сказанное нами в начале главы о значении полимеров в связи с программой их производства, предусмотренной перспективным планом развития народного хозяйства, и могло показаться преувеличением, то теперь, мы на­ деемся, читатель поверит: полимеры изменят наши при­ вычные представления о материалах и способах их обработки.

Наступил ли «век полимеров»?

Не только в специализированных магазинах «синте­ тической химии», но и в любом универмаге вы насчи­ таете десятки изделий-из синтетических волокон, пласт­ масс и других полимеров: нейлоновые кофточки и кап­ роновые чулки, штапельные ткани, пластмассовая посуда, авторучки с пластмассовыми футлярами, поли­ этиленовые мешочки для хранения продуктов и многое, многое другое.

На основании этого можно, казалось бы, утверждать, что полимерные изделия прочно вошли в наш быт, что они уже теперь стали важнейшим материалом для про­ мышленности, что «век полимеров» наступил. Однако

11

до сих пор примерно 80—90 процентов всех деталек машин изготовляют и у нас, и за границей не из плаетмасс и других полимерных материалов, а из металла,. Отчасти это можно объяснить привычкой, косностью некоторых конструкторов. Один крупный машинострои­ тель недавно писал: «На протяжении столетий машины строили из металла; и во всех учебниках говорилось об этом.

Когда я был студентом, меня тоже учили строить машины из металлов и сплавов. Теперь я сам читаю лекции в институте по расчету и конструированию ма­ шин и пишу учебники; как и все мои коллеги, я убеж­ денно утверждал, что машины следует создавать метал­ лическими».

Привычка столетий — не малая сила! Но разве могла бы она устоять перед стремлением инженеров и кон­ структоров улучшить машины, применив пластмассы, если бы что-то не препятствовало этому?

Ведь у пластмасс очень много достоинств: они до­ статочно дешевы, легко обрабатываются, работают бесшумно, «гасят» вибрации. Химики предлагают ма­ шиностроителям богатейший выбор пластмасс с самыми разнообразными свойствами. Советским ученым удалось, например, получить пластмассу огромной прочности: стержень сечением в один квадратный сантиметр, изго­ товленный из этой пластмассы, выдерживает двухтон­ ную тяжесть. Не существует -в мире другого материала столь же прочного и в то же время столь легкого.

Созданы пластмассы, которые могут постоянно ра­ ботать при температурах до 290°, тысячи часов при температурах от 315 до 370° и короткое время—-пусть это звучит совершенно фантастически — при темпера­ турах, чуть ли не вдвое превышающих жар на поверхно­ сти Солнца — от 10 000 до 11 000°С!

Еще недавно инженер-конструктор, наслушавшийся

связью — двумя валентностями, двойной порцией сил сцепления. Это очень важное обстоятельство, так как при определенных условиях двойная связь может быть

распадется на части!), а освободившиеся силы сцепле­ ния активизируют молекулу этилена, сделают ее спо­ собной вступать в связь с другими молекулами. С акти­ визации молекул 'мономера— исходного вещества для получения «больших молекул» ■— и начинается процесс производства полимеров.

С помощью высоких температур и больших давлений или специально подобранных катализаторов добиваются разрыва двойной связи в молекулах этилена. Теперь они выглядят так:

ч- СНг—СНг —

Условимся, что короткие стрелки обозначают свобод­ ные, ничем не замкнутые связи.

В химическом реакторе установки находятся мириа­ ды и исходных и уже активизированных молекул. По­ следние, образно говоря, атакуют первых и «захваты­ ваю!» эти обыкновенные, не имеющие свободных связей молекулы этилена:

ч- СНг—СНг ->-+СН2=СН2 —ч <—СНг—СНг—СНг—СНг - * ■

Присмотритесь внимательно: ведь это два «звена» этилена «сцепились» вместе, причем разорвалась еще одна двойная связь. А раз это так, то при соответствую­ щих условиях реакция может продолжаться:

- СНг—СНг—СНг—СНг—СНг—СНг -*

Перед нами уже три «уцепившихся» звена, готовых «поглотить» четвертую, пятую... сотую молекулу этиле­ на с двойной связью. Постепенно возникает множество

14

длинных цепочек из одинаковых звеньев, и так продол­

пластмассу.

Получение полимеров способом полимеризации за­ ключается в том, что много (иногда несколько десятков тысяч) молекул взаимодействуют друг с другом, обра­ зуя новое вещество, имеющее такой же элементарный состав, как и исходные молекулы мономеров. В самом деле: при образовании полиэтилена в реакции не участ­ вовало никаких молекул кроме молекул этилена и ни­ какие побочные вещества не выделились. Поэтому, еслщ в этилене на каждый атом углерода приходится два атома водорода, то таким же будет соотношение этих атомов и в полиэтилене.

Иначе обстоит дело при поликонденсации. В приве­ денных выше сообщениях из газет и журналов за 1940" год упоминалось о получении полиамидных смол — сырья для изготовления нейлонового волокна. На при­ мере получения этих смол мы и познакомимся с про­ цессом поликонденсации.

На этот раз исходными продуктами служат молеку­ лы не одного, а двух веществ — адипиновой кислоты и гексаметилендиамина.

Химическая формула адипиновой кислоты пишется так:

НООС—СНг—СНз—СНг—СНг—СООН

Химическая формула гексаметилендиамина, второго’ исходного вещества для синтеза полиамидных смол, вы­ глядит так:

Н—N—СНг—СНг—СН2—СН2—-СН2—СНг—N—Н

15

Буквой N обозначают атомы азота. Группа атомов -МГЬ называется аминогруппой. Именно она принимает участие в дальнейших превращениях. Цепочка же звень­ ев СНг «бездействует».

Если смешать оба вещества, подвергнуть их воздействию повышенных температур в присутствии необходи­ мых -катализаторов, то между ними начнется реакция: кислотная группа СООН и аминная группа ЫНг про­ реагируют. В результате этого выделится вода, а остат­ ки молекул адипиновой кислоты и гексаметилендйа*мина польются в одну большую молекулу:

NH—СН2—СНг—СН2—СН2—СНг—СНг—NH2

.СО—СНг—'СНг—СНг—СНг—СООН

В результате реакции выделилась молекула воды,

процесс присоединения, наращивания молекул мономе­ ров, продолжится, пока не возникнут гигантские цепочки молекул полиамида.

Итак, поликонденсация, как и полимеризация, приводиГ'к образованию полимерных молекул. Однако ёГ процессе поликонденсации непрерывно выделяются мо­ лекулы побочных' веществ — в данном случае молекулы воды. Поэтому элементарный состав конечных продук­ тов поликонденсации оказывается иным, чем он был у исходных молекул.

Наша постоянная оговорка «реакция пойдет при со­ ответствующих' условиях» освободила нас от необходи­ мости подробно рассказывать о сложности производства: о подборе подходящих температур и давлений, об уст-

16

ройстве химических реакторов, о поисках катализато­ ров, на что нередко уходят годы работы целых иссле­ довательских коллективов. Но если бы мы даже описали внешний вид и устройство химических реакто­ ров, в которых рождаются полимеры, назвав десятки различных катализаторов, объяснив, как можно пре­ рвать реакцию полимеризации или поликонденсации в тот момент, когда молекулы полимеров достигли нужной величины, — если бы мы и сделали все это, рассказ о рождении полимеров все равно оказался бы неполным.

Нанизывая на нитку даже самые мелкие бусинки, мы можем каждую из них рассмотреть, выбрать нуж­ ную нам, сделать так, чтобы на нитке вслед за красной, например, всегда шла зеленая, а потом синяя бусинка. Но как обеспечить регулярное чередование разных звеньев в цепочке полимерной молекулы?

Многие молекулы мономеров несимметричны, они напоминают бусинки, одна сторона которых окрашена в синий, а другая в желтый или зеленый цвет. А свойства полимеров зависят не только от его состава, не только от порядка чередования различных звеньев, но и от ориентировки каждого звена в пространстве. Изучение строения природных полимеров: белков, Натуральных каучуков и других — показало, что их молекулы имеют правильное, регулярное строение. Успех во многом зави­ сит от того, сумеют ли химики получить искусственным путем регулярные молекулы полимеров.

«Лаборатория» природы очень сложна. Подсмотреть за тем, что в ней происходит, удалось совсем недавно. В частности, большой интерес представляют работы ака­ демика I I. М. Сасикяна и его сотрудников по выяснению того, как образуются в растениях одни из самых слож­

дуясь в определенном порядке, около 20 аминокислот.

Оказалось, что в живой клетке, как и в реакторах химиков, прежде всего происходит активизирование аминокислот. Главная роль в управлении реакциями принадлежит катализаторам и некоторым другим ве­ ществам, поскольку здесь нет ни высоких температур, ни больших давлений. «Жизненная» энергия ставших необычайно активными молекул аминокислот требует применения,- и начинается второй этап синтеза белковых молекул.

Главная роль на этом этапе принадлежит рибосо­ мам— особым клеточным образованиям, содержащим рибонуклепротеидные соединения (специфические бел­ ки, играющие очень большую роль во многих биохими­ ческих процессах). С помощью целого набора энзимов и других вспомогательных веществ, рибосомы «сшива­ ют» аминокислоты в так называемые пептидные цепи, из которых в конце концов образуются белковые моле­ кулы. Именно на этом этапе устанавливается (опятьтаки с помощью специфических катализаторов — энзи­ мов!) порядок соединения друг с другом аминокислот.

Белковая молекула возникла. Но, как сказал бы инженер, она требует еще «окончательной доводки». Кроме того, она связана с рибосомой, а для того, чтобы она могла стать строительным материалом для тканей организма, необходимо оторвать ее от рибосомы, как бы снять со станка, на котором она была изготовлена.

Последний этап синтеза белка и заключается в том, что молекула белка, как бы распластанная на рибосоме, освобождаясь, приобретает специфическую для каждого белка объемную структуру — характерное расположе­ ние молекулярных групп в трехмерном пространстве...

Мы проследили, конечно, в самых общих чертах, за процессом рождения сложнейших полимерных молекул, синтез которых не удалось до сих пор воспроизвести ни • в одной химической лаборатории мира. Однако и при

18