книги из ГПНТБ / Нестареющие полимеры

Во всех же сортах синтетических каучуков, . получаемых до самого последнего времени, звенья поли­ мерных молекул чередовались со­ вершенно случайно, соединялись всеми возможными способами. Для примера приводим схему строения молекулы дивинилового синтетиче­ ского каучука (см. рис. 2).

Впервые в мире получить синте­ тический каучук с регулярными мо­ лекулами удалось недавно советско­ му ученому члену-корреспонденту Академии наук СССР А. А. Корот­ кову.

Итак, свойства полимеров зави­ сят от того, какие исходные веще­ ства были взяты для их получения, от числа звеньев в молекуле поли­ меров, от порядка чередования раз­ нородных звеньев, от ориентировки в пространстве составных частей гигантских молекул.

Стоит нарушиться хотя бы одно­ му из этих условий, как вместо ма­ териала, обладающего определен­ ными свойствами, окажется нечто совсем иное.

Рис. 1. В больших молекулах природного каучука, состоящих из множества изопре­ новых звеньев, все звенья расположены в строгом порядке, подобно раскрашенным бусинкам, подобранным в определенной

последовательности.

20

Рис. 2. Дивиниловые звенья синтетического каучука соединяются друг с другом четырьмя различными способами без всякого порядка. Они напоминают этим раскрашенные бусинки, нанизанные на нитку слепым человеком.

«Маленькие слабости больших молекул»

Изучение сложной структуры больших молекул за­ труднено уже тем, что и эти гиганты микромира на са­ мом деле очень малы. Многое в строении и свойствах полимерных молекул удалось выяснить только с по­ мощью электронной микроскопии и других' современных методов исследования. Но сверхмалые размеры —■это не единственная трудность.

Белковые молекулы существуют в живой клетке, тесно .(взаимодействуя с другими белковыми и небелко­ выми веществами. Извлеченная из состава протоплазмы, выделенная химическим путем, белковая молекула очень быстро изменяет свою структуру, иногда быстро рас­ падается на части.

Полимерные молекулы каучука, искусственных и синтетических волокон, пластмасс и синтетических смол более устойчивы. Но и они рано или поздно видоизменя­

21-

В одних случаях такими уязвимыми местами оказы­ ваются сохранившиеся с момента «рождения» молекулы или появившиеся в ней при определенных условиях двойные связи — потенциальные «точки роста» молекул; в других — активные в химическом отношении группы атомов, или, как говорят химики, активные радикалы;

шими молекулами образуются «мостики», нежелатель­ ные связи (химики говорят: происходит структурирова­ ние полимера). Чем сложнее молекула, тем больше шансов, что она окажется разрушенной под воздействи­ ем повышенной температуры, или света, или кислорода воздуха, или механической нагрузки. •

Ради чего же тогда химики добиваются, несмотря на трудности, получения именно больших молекул? По­ чему природа, которой подражают химики, отвела та­ кую большую роль во всех биохимических процессах «ненадежным» полимерным молекулам?

У химиков свои соображения': они знают, что, подо­ брав соответствующие мономеры и обеспечив нужные размеры полимерных цепочек, можно создать вещества с разнообразными и с заранее заданными свойствами.

Природа... Но о целях природы говорить не прихо­ дится. Можно только отметить, что полимеризация обес­ печивает природе (а также, и химикам) возможность получать из сравнительно небольшого числа исходных веществ гигантское разнообразие продуктов. Достаточно привести такой пример. По подсчетам биохимиков, из 20 аминокислот может быть синтезировано 1019 (десять миллиардов миллиардов) различных по своему строе­ нию, а значит, и по химическим свойствам, белковых молекул! Но, пожалуй, еще важнее другое соображение.

22

форменные, что их внешний вид и строение кажутся случайными. Однако специальные оптические и рентге­ ноструктурные методы исследования выявили, что фор­ ма клубков белковых молекул никогда не бывает слу­ чайной: все молекулы одного вида белка' свернуты со­ вершенно одинаковым образом. Только при характерном для данного вида белка способе «укладки» полимерной цепочки образуются белки, которые обладают нужными ввойствами для выполнения определенной работы з организме.

И белок е этом отношении не исключение. Эластические свойства каучука зависят от того,

что каждая каучуковая молекула похожа в некоторых отношениях на крохотную пружинку, способную растя­ гиваться и сокращаться. Стальная лента в тысячи раз менее эластична, чем сделанные из нее пружинки. Свой­ ства каучука также определяются не только химиче­ скими особенностями молекул, но и их структурой.

Многие ценные качества пластмасс определяются тем, что между их большими молекулами проявляются не химические, а физические силы взаимодействия. Иногда бывает легче разорвать углеродную цепочку молекул полимера, чем оторвать друг от друга две соседние большие молекулы. Однако при нагревании силы меж­ молекулярного взаимодействия ослабевают, молекулы начинают скользить одна вдоль другой — масса стано­ вится пластичной.

Создавая полимеры, химики как бы превращаются в

23

возможности химики соглашаются иметь дело с чрез­ вычайно сложными, неустойчивыми, подверженными тысячам опасностей большими молекулами.

Оговоримся: пластмасса может обладать огромной механической прочностью, специальный сорт синтетиче­ ского каучука может отлично сопротивляться трению или разъедающему действию сильных кислот. Но в то же время отдельные молекулы пластмассы и каучука бывают очень неустойчивыми в совершенно, казалось бы, безобидной обстановке. Они легко разрушаются, вступают в непредусмотренные химические соединении и так далее. Часто бывает, что, выдерживая очень вы­ сокие температуры, пластмасса постепенно разрушается под воздействием солнечного света, кислорода, озона- и других факторов. Полимеры, приспособленные к сопро­ тивлению кислотам, щелочам, органическим раствори­ телям, оказываются беспомощными перед самыми обык­ новенными факторами окружающей среды: воздухом, комнатной температурой, рассеянным солнечным светом.

Во власти противоречий

В 1961 году о СССР было произведено около 70 мил­ лионов тонн стали. Статистики подсчитывают количество выпущенных за год автомобилей, тракторов, радиоприем­ ников, стульев, вечных ручек, пар обуви, чулок и сотен тысяч других предметов. Но, подсчитав годовую выработ­ ку больших и малых заводов и фабрик, мы не можем ска­ зать, что к 1 января 1962 года, по сравнению с состоя­ нием на 1 января 1961 года, в стране стало больше металлических и -всяких других изделий ровно на столь­ ко, сколько их было выпущено промышленностью в те­ чение года. Сталь ржавеет, обувь изнашивается, тракто­ ры Bbixoflaf из строя, стаканы бьются, чулки рвутся, бумага исписывается— короче говоря, происходит не­

24

прерывный процесс амортизации всех сооружений, ма­ шин, предметов домашнего обихода — любых продуктов и изделий.

Вот почему, когда планирующие органы определяют темпы роста народного благосостояния, они учитывают не только количество населения, не только мощность промышленности, но и скорость износа. При этом для каждого изделия и сооружения, машины и материала есть свои сроки службы: дома возводят на десятилетия и века, подметки же на башмаках или электрические лампочки в люстре можно сменить несколько раз в те­ чение одного года. Но каков бы ни был срок жизни изделия, существует очевидный для всех принцип: чем менее прочно изделие, чем менее стоек материал, тем тщательнее следует, при прочих равных условиях, обе­ регать его от толчков, от всех вредных влияний. И дей­ ствительно, стальные фермы мостов и железные листы крыш красят, металлические части машин покрывают лаком, стены Домов штукатурят, точные и хрупкие при­ боры окружают защитными чехлами, шерстяные изде­ лия пересыпают нафталином, железнодорожные 'шпалы пропитывают противогнилостными растворами — можно без конца перечислять приемы, способы, средства борь­ бы за долговечность изделий.

А как же быть с полимерами? Ведь большие моле­ кулы подвержены разрушению на воздухе, на свету, во влажной атмосфере. В то же время важной областью применения полимеров является, например, изготовление пленочных изделий. Прозрачные дождевые плащи, тон­ кие, но прочные пленки, служащие для упаковки, —- во всех этих случаях полимеры оказываются открытыми для всех стихий!

Свет разрушает полимеры, — как именно, мы узнаем дальше. Но укрыть их отсвета часто нельзя. Наоборот, некоторые из них используются для замены стекол в пар­

25

никах, где на них с утра и до ночи воздействуют губи­ тельные солнечные лучи.

Молекулы полимеров «боятся» воздуха, сырости, а мы готовим из полиэтилена плащи!?

Чтобы уберечь полимеры от разрушения, их следо­ вало бы полировать, красить. Но весь набор соответ­ ствующих красок и лаков не удовлетворяет производ­ ственников, во-первых, потому, что лаки и краски не­ достаточно стойки, а, во-вторых, петому, что часто нанесение их на поверхность изделия оказывается не менее трудоемким процессом, чем выпуск самого изде­ лия, Полимеры требуют защиты. Но вместо того, чтобы и их' покрыть лаками и эмалями, производственники за­ меняют лаки и краски полимерными веществами. Взы­ вающий о помощи вынужден сам защищать кого-то!

Но полимеры — это возможность создавать вещества с разнообразными и притом заранеезаданными свой­ ствами! Поэтому химики недаром занялись синтезирова­ нием молекул, нестойких п0 самой своей природе, но обладающих механической прочностью, удобством обра­ ботки, доступностью и дешевизной. Казалось бы, неприми­ римое противоречие: вещество должно длительно сущест­ вовать в условиях, в которых оно существовать не мо­ жет. Однако, как ни сложно положение, следует пом­ нить: наука и техника уже не раз находили выход из самых тр|удных технических противоречий.

По отношению к -полимерам задачи, которую пред­ стоит решить, называется борьбой со старением поли­ меров.

Износ и старение

Мы говорим: дом. обветшал, костюм износился, кни­ га истрепалась, автомобиль отжил свой век.

Во всех этих случаях предполагается, что сооруже­ ния, машины, предметы домашнего обихода славно

26

поработали: по лестницам дома в течение десятков лет спускались и поднимались жильцы, в доме топились печи, в его стены вонзались гвозди; защищая людей от непогоды, он — его стены, крыша, фундамент — проти­ востоял все четырем стихиям: дождю и ветру, жаре и

>холоду. Костюм износился именно потому, что его но­ сили. Книга истрепалась —ведь ее страницы листали

руки тысяч читателей. Автомобиль отжил свой век ( после того, как его колеса прошли сотни тысяч кило метров, а поршни цилиндров миллиарды раз проделали

свой путь: туда-сюда, вверх-вниз.

Во-всех этих случаях износ наступил в результате напряженной работы. Он пришел, как приходит нор­ мальная старость, преддверие естественной смерти. И если бы изделия из полимеров гибли в положенный срок, израсходовав весь отпущенный им запас прочно­ сти, никто не упрекнул бы их в «ненадежности». Но старение полимеров — это нечто иное.

Вы можете, купив капроновую сеточку-авоську, ни­ чего в ней не носить. Повесьте ее на гвоздик, храните в шкафу, даже под стеклом,, как музейную ценность,— все равно через некоторое время мягкая и гибкая сетка

дождем, превращается постепенно в нечто, как бы сши­ тое из жести.

Резина, не испытав ни разу растяжения, никогда не проявив своих замечательных эластических. свойств, становится ломкой, негнущейся, иногда липкой, никуда не годной.

■ Детали машин выходят из строя задолго до того, как будет исчерпан их запас прочности.

Когда в 1930 году в некоторых странах началось производство полиэтилена, химики надеялись, что это вещество окажется достаточно стойким: его близкие

27