Полимеры — конструкционные материалы

Авторы научно-фантастических романов рисуют нам конструкционные материалы будущего, в которых сочетаются лучшие свойства известных материалов — прочность стали, прозрачность стекла и в то же время упругость и стойкость к ударам, присущие лучшим пластикам. Можно ли создать такие материалы? Из трех перечисленных материалов наиболее прочны силикаты (стекло), но они хрупки; металлы тяжелы и непрозрачны; пластики упруги, но недостаточно прочны. Уже давно предпринимаются попытки сочетать в одном материале лучшие свойства двух веществ — стекла и пластика. Для этого стекло вытягивают в тонкие нити, из нитей готовят ткани или подобие войлока и пропитывают жидким веществом, которое со временем или при нагревании превращается в упругий полимер. Таким образом, прочность создается стеклянными нитями, а упругость — пропитывающим полимером. Эти замечательные материалы — стеклопластики — широко применяются в машиностроении, для изготовления труб, мебели. В будущем, когда повысят прочность стеклянных нитей, увеличится и прочность стеклопластиков.

Но еще более интересный путь — замена стеклянных нитей нитями из синтетических полимеров. Уже сейчас можно получать полимерные нити с прочностью хорошей стали. Плотность таких нитей в 7—8 раз меньше, чем плотность стали. В недалеком будущем удастся получить еще более прочные искусственные волокна. Применяя стеклянные и органические волокна, химики создадут новые материалы легче и прочнее стали.

Исключительно прочные волокна получаются при осторожном обугливании прочных органических волокон и нагревании до перехода их в кристаллические графитовые волокна. Прочность их достигает 2—3 ГПа и, возможно, будет повышена до 5 ГПа при относительной плотности меньше 2. Очень важно, что такие волокна совершенно не растягиваются при натяжении, а при очень больших усилиях лопаются, как стальная струна.

Группа материалов, состоящих из различных волокон и полимера-связующего, называется армированными пластиками. Пока они с трудом перерабатываются в изделия, но, когда освоят их обработку на машинах, армированные пластики станут важнейшим конструкционным материалом.

Уже сейчас есть полимерные материалы, которые отличаются необычайно высоким сопротивлением к истиранию и износу. Шины, сделанные из них, проходят сотни тысяч километров. Удивительная способность этих полимеров сопротивляться износу вызвана тем, что в них не распространяются трещины: каждая маленькая трещина, являющаяся началом разрушения вещества, быстро залечивается. В любом месте повреждения эти полимеры быстро упрочняются. Основой для этих полимерных материалов служат пока еще дорогие и редкие полиуретанэфиры. Но когда разработают более простую технологию, неизнашивающиеся полимеры прочно войдут в жизнь.

С помощью таких полимеров химики получат еще один класс материалов — прочные и очень легкие полимерные пены. Обычные полимерные пены применяются довольно широко и сейчас; они обладают легкостью и малой теплопроводностью. Но они непрочны и легко истираются. Если же пены приготовить из неистираемого полимерного вещества, то применять их можно будет значительно шире. Уже сей час пены из полиуретанэфиров начинают широко использовать в технике, для сооружения легких домов, а также в быту (мебель, матрацы, легкая и теплая подкладка для одежды).

Однако прочность полимерных пен остается все же невелика. Мы уже знаем, что для упрочнения полимеров в них вводят волокна. Нельзя ли армировать и пены? Жесткими волокнами (стеклянными или даже обычными синтетическими) армировать пены нельзя: слишком велико различие их свойств. Пена будет легко растягиваться, а жесткие волокна растягиваться так не смогут и начнут от нее отрываться. Материал легко разрушится. Поэтому пену армируют упругими и прочными волокнами, которые растягиваются так же, как и она сама. Таким способом можно создать прочные, очень легкие и стойкие к износу пенные полимерные материалы.

по материалам Большой детской энциклопедии

Полимеры в медицине и биологии

Уже сейчас известны полимеры, в первую очередь полиакрилаты и полиэфиры, которые способны как бы срастаться с тканями живых организмов. В будущем появится еще больше таких полимеров. Станет возможным заменять поврежденные сухожилия, части кровеносных сосудов эластичными и прочными полимерными пленками или тканями.

Не менее интересна возможность склеивать полимерными клеями сломанные кости. Пострадавший сможет пользоваться поврежденным органом вскоре после перелома, а клей со временем рассосется и заменится соединительной костной тканью. Наверное, широко будут применять искусственную кровь, которая сможет выполнять все основные функции крови и, главное, переносить кислород от легких ко всем тканям организма.

Уже используют аппараты, выполняющие функции почки. Для этого кровь очищают от накапливающихся в организме вредных примесей, пропуская ее через различные конструкции, в которых струи крови и воды разделены полимерной пленкой. Такие пленки пропускают примеси, но задерживают все необходимые организму вещества крови. Если взять пленки, проницаемые для кислорода и углекислоты, и пропускать по одну сторону их кровь, а по другую — воздух, можно имитировать действие легких.

Со временем люди научатся получать полимерные вещества, вырабатываемые только в организмах, в первую очередь ферменты, хотя бы простейшие. Такие синтетические полимерные вещества являются важной группой лекарств. Они смогут влиять на разнообразные процессы жизнедеятельности так, как на них влияют ферменты, гормоны и другие биологически активные соединения. Научившись синтезировать подобные очень сложные по своему строению полимерные вещества, химики попытаются осуществить процессы, протекающие пока лишь в живых организмах. Наиболее важный из них — это фиксация азота, т. е. поглощение азота из воздуха и превращение его в различные химические соединения.

Второй пример таких процессов — поглощение растениями углекислоты и превращение ее в первую очередь в углеводы. В растениях этот процесс происходит под действием света в обычных условиях, но он, конечно, будет осуществлен при помощи синтетических полимеров-биокатализаторов.

Все шире в химии будут распространяться полимерные реагенты. Уже сейчас существует громадное количество полимерных соединений, среди которых представлены почти все классы органических веществ. Есть полимерные кислоты и основания, полимерные спирты, альдегиды и кетоны, разнообразные ароматические и гетероциклические полимерные соединения. Они могут реагировать с другими веществами подобно тому, как происходят химические реакции в среде обычных низкомолекулярных веществ. Но здесь одним из продуктов происходящих реакций будет полимерное вещество. А полимерное вещество легко отделить от реакционной среды. Это создает новые химические возможности. Такие полимерные реагенты — кислоты и основания — называют ионообменными смолами. Они уже сейчас применяются достаточно широко, в первую очередь для очистки воды.

Но полимерные электролиты или ионообменные смолы могут и будут служить и другой важной цели. Если приготовить из них сплошные или пористые пленки и пропустить через них соленую воду под действием давления или электрического поля, то можно создать условия, когда они не будут пропускать соли. Таким образом, решится проблема опреснения воды. В будущем появятся полимерные реагенты — окислители и восстановители. Такое название дано этой группе веществ потому, что окисление или восстановление всегда связано с переносом электронов. Чтобы окислить или восстановить какое-либо соединение, достаточно будет пропустить его через слой зерен или волокон полимерного окислительно-восстановительного реагента. Иногда такие полимеры называют электронообменниками.

Еще шире будет применяться другая группа этих реагентов — комплексонные смолы. Они способны образовывать комплексы с определенными металлами. Такие комплексонные полимерные реактивы в виде пленок или волокнистых материалов смогут извлекать нужные металлы из растворов очень малых концентраций, даже из морской воды. Когда земные богатые месторождения будут выработаны, придется извлекать металлы из более бедных месторождений. И новые полимерные реагенты помогут найти иные способы добычи цветных и редких металлов.

Возникнет еще много новых типов полимеров. Светочувствительные полимеры, которые дают сразу рельефное изображение, могут применяться в фотографических и полиграфических процессах. Полимерные проводники и полупроводники, особенно плавкие и растворимые, — очень удобный тип электротехнических материалов. Полимерные электролиты станут неотъемлемыми частями химических источников тока — аккумуляторов, элементов и особенно топливных элементов, способных превращать химическую энергию топлива в электрическую (см. ст. «Большая задача электрохимии»). Ученые найдут стойкие и активные полимерные поверхностноактивные вещества, которые будут создавать и разрушать суспензии и эмульсии, регулировать испарение воды с поверхности водоемов. Возникнут полимерные вещества, способные обеспечивать идеальное скольжение или громадное сцепление поверхностей, т. е. фрикционные полимерные материалы. Появится множество полимеров, которые сейчас трудно предугадать, и полимеры станут так же необходимы людям, как ранее необходимы были камень и металлы.

Полимеры в жизни людей

В будущем появится много новых полимерных материалов — легких, прочных, эластичных. Как же будут выглядеть одежда, обувь, жилища, предметы обихода, транспорт?

Мы привыкли одеваться в ткани и обычно уже не думаем, насколько сложно их изготовление. Сначала получают волокна, из волокон делают нити (пряжу), из нитей — ткань. Каждый процесс состоит из десятков отдельных операций, через многие машины проходит каждое.

Конечно, в будущем люди научатся получать материалы для одежды более простыми путями, и некоторые из этих путей уже наметились. Прежде всего, можно использовать тонкие слои полимерных пен. Они исключительно легки и хороши для теплой одежды. Сейчас пены еще недостаточно прочны и из них делают подкладку для утепления одежды. Когда же повысят их прочность, они станут материалом для одежды.

Что же это за материал, который защищает котенка так надежно, что он не обращает внимания на огонь? Этот материал — кремнийорганический полимер, силикон — тонкий, прозрачный, термостойкий, не проводящий тепло (пламя горелки около 1000° С).

Любой материал для одежды должен пропускать воздух и пары влаги, быть пористым. Поэтому обычные сплошные пленки, вероятно, никогда не будут служить материалом для одежды, за исключением плащей и специальных защитных костюмов для работы с вредными веществами. Чтобы пленка «дышала», она должна содержать большое количество очень маленьких дырочек.

Нетканые материалы для одежды будут получать и уже получают из беспорядочно перепутанных волокон, создавая нечто среднее между войлоком, фетром и бумагой. Чтобы эти ткани были тонкими и одновременно достаточно прочными, их делают из очень прочных волокон. Кроме того, чтобы ткань не мялась, как бумага, волоконца должны быть упруги и склеены друг с другом. Склеивающее вещество не должно образовывать сплошную пленку, иначе потеряется пористость, способность пропускать воздух и влагу. Значит, склейка будет точечной только в тех местах, где волоконца соприкасаются друг с другом. Это очень нелегкая задача, но она разрешима. Привычные нам ткани постепенно исчезнут и будут заменены различными неткаными изделиями.

Изменятся не только сами материалы для одежды. Изменятся и волокна, из которых делают ткани. Появятся очень прочные волокна. На первый взгляд может показаться, что прочность не так уж нужна одежде — ведь никто не будет носить одну и ту же вещь десятки лет. Она надоест, выйдет из моды, устареет прежде, чем износится. Но очень прочные волокна нужны и для нетканых изделий, и для смешения с другими волокнами, которые менее прочны, но обладают другими ценными свойствами. Наиболее интересна комбинация из очень прочных и пористых волокон. Пористые волокна можно получить из полимерных пен. Они исключительно легки и хороши для теплой одежды, но не прочны и не могут применяться в чистом виде. В смеси же получатся замечательные легкие и теплые материалы, у которых большое будущее.

Синтетические волокна так быстро совершенствуются, что возникает вопрос: сохранятся ли в будущем натуральные волокна, какие, в каком количестве и в каком виде? Уже сейчас известны химические волокна, свойства которых лучше натуральных, и, главное, они дешевле, чем природные. В первую очередь невыгодным станет производство натурального шелка. Чтобы его получить, затрачивается громадный труд — в десятки раз больший, чем на производство искусственных волокон. Такая же судьба ожидает и лен. Искусственные волокна из целлюлозы уже сейчас очень близки к хорошему льняному волокну, а в будущем превзойдут его. Лен как культуру сохранят не из-за волокна, а из-за льняного масла» получаемого из его семян. Это масло перерабатывают в высококачественную олифу для красок. Пока будут выращивать лен, сохранится, конечно, и льняное волокно. Когда же найдут синтетические вещества для лакокрасочных покрытий, льняное волокно исчезнет окончательно.

Кувалда, вес которой около 4 кг, не может разбить пластину из органического полимерного материала. Толщина пластины всего в мм, но ее не может пробить даже пуля с расстояния 3 м.

Возможно, что шерсть сохранит свое значение несколько дольше. У шерстяного волокна есть замечательное свойство — мелкая извитость, которая придает изделиям из него высокие теплоизолирующие свойства. Совсем недавно удалось выяснить причину такой извитости. Оказалось, что каждое волокно шерсти состоит из множества более мелких волоконец двух разных типов, склеенных друг с другом. Одни из них имеют круглое сечение, другие почти плоское. Неравномерное распределение этих волоконец по сечению волокна и создает мелкую извитость. Когда узнали причину извитости, появилась возможность создать синтетические волокна такого же строения, а следовательно, с такими же свойствами. Но шерсть отличается еще и строением поверхности волокон, покрытых мельчайшими чешуйками, подобно змеиной коже. Именно эта особенность строения поверхности волокон шерсти обусловливает их способность сцепляться друг с другом, благодаря чему шерстяные изделия хорошо сопротивляются истиранию. Вероятно, в будущем создадут синтетические волокна с такими свойствами.

Сохранится надолго и хлопок. Но применять будут только химически обработанные волокна. Уже сейчас поверхность хлопковых волокон покрывают очень тонким слоем синтетических полимеров. И хоте количество нанесенного вещества ничтожно (несколько процентов от массы хлопка), хлопковые волокна после такой обработки приобретают ряд ценных свойств, присущих обычно синтетическим волокнам: хорошо окрашиваются, не мнутся и сохраняют свою форму после стирки. Несомненно, в будущем удастся повысить их прочность и стойкость к износу, а может быть, создать и извитость, как у шерсти.

На века сохранится и древесина — великолепный материал нашего времени. Но и его будут применять только в модифицированном виде. Древесину станут пропитывать мономерами — легкоподвижными жидкостями, проникающими в мельчайшие поры древесины и затем превращающимися в полимеры. Прекрасные природные качества дерева будут превосходно сочетаться с качествами пластиков. Древесина станет негниющей, не будет набухать в воде и трескаться при высушивании, станет прочнее и красивее.

Вероятно, гораздо шире, чем сейчас, будут использовать синтетический клей. Склеивание — это самый удобный способ соединять части любой конструкции, будь то мебель, машина или одежда. Но дело не только в прочности клея или в его способности соединяться с материалами. Важно, что в тонком слое клея, отличающемся по своим механическим свойствам от склеиваемых материалов, как бы концентрируются те напряжения, которые испытывает склеенное изделие. Поэтому часто слои клея разрушаются в первую очередь. В будущем удастся найти такие приемы склеивания, когда один материал постепенно будет переходить в другой. Для этого применят либо склеивающие промежуточные пленки, либо клей, проникающий глубоко в материал.

Бумага станет более прочной. Для приготовления бумаги из древесины будут извлекать целлюлозу, почти ее не разрушая, во всяком случае разрушая гораздо меньше, чем сейчас. Чтобы получить очень прочную, эластичную, немнущуюся бумагу, в бумажную массу добавят синтетические волокна, а потом проклеят бумагу синтетическими полимерами. Такая бумага станет похожа на тонкую ткань. Так, вероятно, наступит переход от бумаги к текстильным материалам, особенно нетканым, о которых уже говорилось. Конечно, в будущем бумагу станут использовать и для одежды, легкой, красивой, необычно дешевой. Такую одежду будут надевать один или несколько раз.

Изменится и вид жилищ. Полы уже сейчас покрывают эластичным материалом из полихлорвинила. В будущем стены и потолки будут делать из слоистых пластиков — слоев бумаги или ткани, пропитанных полимерным связующим. Такие материалы не только красивы — к ним не пристает пыль, они легко моются. Широко будут применяться и армированные пластики, особенно для легких зданий. Для легких построек будут использоваться тонкие и толстые пленки и пены. Сейчас такие дома-палатки из пленки, натянутой на каркас, недолговечны. Их разрушает влага, ветер, солнце. Но со временем создадут долговечные полимерные пленки. А пены из полимеров уже сейчас — прекрасный строительный материал. Множество легких жилищ и в теплых краях, и на далеком севере будут делать из пленок и пен.