НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА


Про<р.С.Р. РАФИКОВ
Пластмассы
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
В Ы П У С К 42
Проф. С. Р. РАФИКОВ
ПЛАСТМАССЫ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1952 ЛЕНИНГРАД
16-2-1
Редактор В. А. Мезенцев.
Техн, редактор С. С. Гаврилов.	Корректор Ц. С. Варшавская.
Подписано к печати 27/VI 1952 г. Бумага 84Х108/и. 0,75 бум. л. 2,46 печ. л.
2,23 уч.-изд. л. 37 000 тип. зн. в печ. л. Тираж 100 000 экз. Т-02145. Цена книги 70 коп. Заказ № 3558. Номинал по прейскуранту 1952 г.
Первая Образцовая типография имени А. А. Жданова Главполиграфиздата при Совете Министров СССР. Москва, Валовая, 28.
ВВЕДЕНИЕ
Оа последние годы для различных нужд техники и для изготовления разнообразных предметов широкого потребления всё больше и больше стали применяться новые материалы — пластические массы или, как их часто называют, пластмассы.
Промышленность пластических масс, как самостоятельная отрасль химической промышленности, была создана лишь накануне первой империалистической войны. Однако уже к 1929 году мировая продукция её достигла 50 тысяч тонн, а к 1937 году — 250 тысяч тонн.
В 1949 году основных видов пластмасс производилось уже более одного миллиона тонн!
Особенно разителен рост выпуска пластмасс в Советском Союзе. Производство пластмасс в крупных масштабах началось у нас в годы сталинских пятилеток. И уже в настоящее время пластмассы завоевали заслуженное место в технике и промышленности, прочно вошли в быт советских людей.
Сотни разнообразных деталей всевозможных машин и станков, изоляция проводов и электрических машин, окна современных автомобилей, троллейбусов и трамваев, различные детали самолётов, телефонной, телеграфной и радиоаппаратуры, разноцветная лёгкая небьющаяся посуда, изящные вазы, чернильные приборы и корпуса настольных часов, красивые и удобные коробочки для самых разнообразных целей, абажуры, плащи, чулки
3
«капрон», всевозможные игрушки — всё это делается из пластических масс.
Пластмассы успешно заменяют металлы и дерево, стекло и драгоценные камни, хрусталь и фарфор. Мало того, пластические массы стали теперь часто незаменимыми материалами в самых различных отраслях техники и быта.
Рис. 1. Чернильный прибор и часы, изготовленные из прозрачной пластмассы «плексиглас».
Мы уже привыкли к пластмассам, а ведь всего 20— 30 лет назад эти новые материалы использовались редко, да и само слово «пластмасса» многим не было знакомо.
В чём же причина того, что пластические массы за такой короткий срок завоевали себе широкую известность?
Причин этих несколько, но главной из них является разнообразие ценных свойств у пластмасс.
Известные нам материалы — сталь, железо, дерево, камни, цемент, кирпич, цветные металлы, стекло, фарфор, керамика, ткани, кожа, резина и другие — уже давно применялись в технике для строительства всевозможных сооружений, в машиностроении, для изготовления предметов домашнего обихода и т. д.
Однако с развитием автомобильного транспорта, воздушного флота, электротехники, радиотехники и некоторых других отраслей промышленности возникла потреб
4
ность в новых материалах, свойства которых должны были удовлетворять особым требованиям. Так, например, для автомобилей и самолётов в первую очередь требовались лёгкие материалы, обладающие высокой прочностью; требовались новые виды небьющегося стекла, масло- и бензостойкие трубопроводы и т. д. Радиотехника и электротехника нуждались в большом разнообразии хороших электроизоляционных материалов, легко поддающихся механической обработке (сверлению, резке, шлифовке
Рис. 2. Различные изделия из пластмасс
и т. д.). Именно эта возрастающая потребность техники в новых материалах вызвала развитие промышленности пластмасс.
Оказалось, что в пластических массах часто сочетается несколько ценных свойств. Так, примером наиболее прочного материала является сталь; образцами лёгких твёрдых веществ служат дерево и алюминий; примером прозрачного материала — стекло. Сталь прочна, она выдерживает огромные нагрузки; усилие, необходимое для разрыва стали, составляет от 80 до 160 килограммов на каждый квадратный миллиметр её сечения *). Но сталь не обладает прозрачностью, она быстро ржавеет и в 8 раз тяжелее воды. Кроме того, сталь трудно поддаётся некоторым видам механической обработки. Дерево легче воды,
*) О свойствах металлов см. брошюру в серии «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата: Д. О. Славин, «Свойства металлов».
5
но оно не прочно, не обладает прозрачностью, быстро гниёт, является плохим изолятором электричества. Стекло прозрачно, но оно обладает чрезвычайной хрупкостью, трудно поддаётся обработке в холодном виде и в 2,7 раза тяжелее воды.
Иначе обстоит дело с пластическими массами. Так, например, пластмасса «плексиглас» прозрачна, как стекло, и в то же время в 2,5 раза легче обычного стекла, не бьётся, легко поддаётся штамповке и другим видам механической обработки, является хорошим изолятором электричества. Изделия из пластмассы «бакелита» являются хорошими электроизолирующими материалами, лишь немного уступая в этом отношении фарфору, в то же время они легки, не бьются и без труда поддаются обработке. Некоторые типы искусственных волокон, изготовленные из так называемых полиамидных смол, которые являются разновидностью пластмасс, имеют такую же прочность на разрыв, как и сталь, но в то же время полиамидные смолы в 5—6 раз легче стали.
Свойства пластмасс весьма разнообразны. Это зависит от химической природы пластмасс и от способов их изготовления. Но есть общие свойства, присущие большинству пластмасс, которые отличают их от обычных материалов. Это — лёгкость и хорошие изоляционные свойства при высокой прочности.
Помимо этого некоторые виды пластмасс обладают также ещё прозрачностью.
Многие материалы, обычно применяемые в технике, за исключением дерева, имеют высокий удельный вес, они в несколько раз тяжелее воды. Так, железо в 7,8 раза тяжелее воды, свинец в 11,3 раза, бетон в 2—2,5 раза. Пластмассы же обычно лишь незначительно тяжелее воды (в 1,05—1,5 раза). Более того, можно приготовить пластмассы даже в несколько раз легче воды и дерева. Это так называемые пенопластические или микропористые материалы, в которых имеется очень большое число мелких, еле заметных глазу, пор, заполненных каким-нибудь газом. Благодаря этим порам пенопластические материалы в десять и более раз легче воды; при их изготовлении получается огромная экономия материала, стоимость изделия удешевляется, а прочность сохраняется. Если сделать из такой пластмассы лодку,
6
то сё может нести даже ребёнок, но потопить такую лодк? невозможно — наполните её до краёв водой, она всё равно будет плавать!
Весьма ценным свойством пластмасс является их стойкость к действию кислот и щелочей, к действию морской воды и солёных грунтов. Большинство видов пластмасс не ржавеет и не гниёт. Так, пластмассы, содержащие хлор (поливинилхлорид, поливинилиденхлорид и др.) употребляются для облицовки кислотных резервуаров. Фторосодержащая пластмасса «тефлон» по своей химической стойкости превосходит золото и платину, не растворяясь даже в «царской водке» (смесь трёх частей соляной и одной части азотной кислот).
Сверх того, пластмассы обладают ещё одним замечательным свойством — они легко подвергаются механической обработке — их можно обтачивать и резать, сваривать и клеить, прессовать и отливать в формы, шлифовать и полировать, вальцевать и вытягивать. Можно также их расплавлять и продавливать через отверстия различных форм —для получения лент, нитей или трубок.
Благодаря лёгкости обработки промышленное производство различных изделий из пластмасс чрезвычайно упрощается. Так, чтобы изготовить дверцу автомобиля из металла, требуется 7 различных штампов, а если её изготовить из пластмасс, то всего 2 штампа. Для изготовления крыльев самолёта из лёгких металлических сплавов требуются десятки тысяч заклёпок, а из пластмасс можно изготовить их без единой заклёпки. Чтобы сделать простой чернильный прибор из металла или камня, требуется огромная затрата труда, а из пластмасс прибор штампуется в один приём в течение 2—3 минут.
Хорошие электроизоляционные свойства пластмасс при сочетании с лёгкостью механической обработки делают их незаменимыми для изоляции проводов в обмотках электромоторов, радиодеталей, телефонной и телеграфной аппаратуры.
Все эти свойства позволяют применять пластические массы в самых разнообразных конструкциях и даже там, где не могут быть использованы металлы и дерево, бетон и стекло.
Вот почему пластмассы по праву занимают исключительное место среди известных нам материалов.
7
В этой брошюре будет рассказано о том, что такое пластмассы, каково их внутреннее строение и какими путями учёные добились получения разнообразных пластмасс, исходя из таких простейших видов сырья, как нефть и уголь.
1. ЧТО ТАКОЕ «ПЛАСТМАССА»
Вещества, изменяющие свою форму под влиянием температуры и давления и сохраняющие впоследствии приданную им форму, называются пластичными. Например, из увлажнённой глины можно изготовить различную посуду, кирпичи и другие изделия; канифоль или некоторые смолы при нагревании становятся мягкими и им можно придать также различные формы, которые сохраняются после охлаждения.
Однако к пластмассам, в современном смысле этого слова, относят лишь те пластичные вещества, главной составной частью которых являются органические соединения *) и которые, после придания им требуемой формы, обладают достаточно высокой прочностью, упругостью и стойкостью к нагреванию. Так, казеин — белковое вещество молока — в увлажнённом виде обладает пластичными свойствами, но он превращается в пластмассу с высокими механическими свойствами (называемую галалитом) лишь после обработки формалином и нагревания.
Большинство современных типов пластических масс представляет собой смесь нескольких веществ, взятых в различных соотношениях. Разные составные части пластмасс выполняют различные задачи. В каждом отдельном случае составные части могут быть различными, но большая часть пластмасс содержит следующие три группы веществ:
1.	Вещества, которые являются основой или связующим материалом. Такой основой в пластмассе
♦) Органические соединения—это соединения химического элемента углерода с водородом, кислородом и с некоторыми другими элементами. Подробно о химических элементах и способах образования химических соединений см. брошюру «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: А. М. Рубинштейн, «Химия вокруг нас».
8
эбоните является каучук, в галалите — казеин молока, в бакелите — фенолформальдегидная смола, органическое соединение, в целлулоиде — нитроцеллюлоза — продукт взаимодействия клетчатки с азотной кислотой и т. д. (об этих веществах в дальнейшем будет рассказано подробнее) .
Без связующего материала нельзя изготовить ни одну пластмассу. Другие же составные части во многих видах пластмасс могут отсутствовать. Так, например, при изготовлении прозрачного, бесцветного, небьющегося стекла «плексиглас» введение посторонних добавок является нежелательным, так как они ухудшают прозрачность и другие свойства этого вида пластмассы.
2.	Вещества, которые придают связующей основе пластичность, то-есть способствуют превращению твёрдых и хрупких материалов в тестообразное состояние, удобное для придания им желаемой формы. Эта группа веществ называется пластификаторами. Казеин, например, является твёрдым и хрупким продуктом; но при смешении с 30—35% воды и 1—2% глицерина он становится мягким и в таком виде его легко обрабатывать на вальцах и штамповать из листов.
Хлорвиниловая смола, которая является связующим материалом хлоросодержащих пластмасс, представляет собой роговидную массу или мелкий белый порошок. При обработке на вальцах с некоторыми пластификаторами эта смола становится мягкой и гибкой и широко применяется для изготовления различных изделий (обуви, сумок, плащей, клеёнок и др.).
3.	Вещества, которые являются наполнителями. Наполнитель позволяет сократить расход основного связующего вещества и тем самым удешевить стоимость получаемой пластмассы. Кроме того, он заполняет пространство между отдельными частицами связующего вещества и усиливает их взаимную связь; это приводит к повышению прочности, гибкости и т. д. В качестве наполнителей применяются древесная мука, ткань, бумага, древесная щепа, асбест, песок (кремнезём), стеклянная вата и другие материалы.
Различные наполнители по-разному влияют на изменение свойств связующей основы. Для примера можно привести данные об изменении механических свойств
9
фенолформальдегидной смолы в зависимости от вида наполнителя:
Наполнитель	Сопротивление растяжению в кг/см2	Сопротивление изгибу в кг/см?	Прочность на удар, кг.см/см*
Без наполнителя		350	750	1,2
Древесная мука		400	800	1,7
Асбестовое волокно ....	350	800	27
Бумажные ленты		750	1500	20
Ленты из ткани 		750	2000	25
Кроме вышеприведённых трёх основных групп веществ, являющихся главными составными частями пластмасс, отдельные их виды содержат различные красители для придания изделию желаемой окраски.
При изготовлении некоторых видов пластмасс требуется также добавка таких веществ, которые способны вступать в химическое взаимодействие со связующей основой, улучшая её прочность, гибкость и другие механические свойства. Так, при изготовлении эбонита к смеси каучука с сажей добавляется до 35% серы; часть этой серы в процессе нагревания вступает во взаимодействие с молекулами каучука и прочно связывает их между собой. А при получении галалита такой же эффект достигается продолжительной обработкой формалином предварительно нагретого и увлажнённого казеина.
Основной составной частью любого вида пластмассы является связующее вещество. Его физические и химические свойства обусловливают в значительной мере свойства получаемой пластмассы. Поэтому для общей характеристики пластмасс их разделяют на большие группы, исходя прежде всего из природы связующего вещества.
В приложении, на стр. 46, мы приводим классификацию пластмасс, предложенную советскими учёными Г. С. Петровым, И. П. Лосевым и Б. Н. Рутовским.
Какая же связь существует между химической природой вещества и его способностью служить связующей основой при изготовлении пластмасс?
10
2.	МОЛЕКУЛЫ-КАРЛИКИ И МОЛЕКУЛЫ-ГИГАНТЫ /^казалось, что не всякое химическое соединение может " быть связующей основой для получения пластмасс. Эту роль могут выполнять вещества только одного определённого типа. Характерным для этих веществ являются огромные размеры их молекул. Поэтому их называют высокомолекулярными веществами. Таковы органические соединения: клетчатка, или целлюлоза (основная составная часть древесины) и многие её эфиры, получаемые при химической переработке клетчатки; таковы белковые вещества, природный и синтетический (искусственный) каучук, различные природные и синтетические смолы.
Молекулы большинства органических соединений — сахара, красителей, спиртов, кислот и т. д.— имеют очень малые размеры и содержат небольшое число атомов. Это — молекулы- карлик и. В большинстве случаев такие соединения легко растворяются в соответствующих растворителях. Если такое низкомолекулярное соединение жидкое, то при нагревании оно превращается в пар; твёрдое при нагревании расплавляется, а при охлаждении горячих и насыщенных растворов эти вещества выпадают в виде кристаликов определённой формы. Так, мы знаем, что такие жидкости, как винный спирт, скипидар, уксусная кислота, керосин, бензин легко превращаются в пар при нагревании. Сахар, стеариновая кислота, уротропин и другие твёрдые вещества при нагревании расплавляются. Если растворить сахар или поваренную соль в воде при нагревании до полного насыщения, то при охлаждении полученного раствора выпадают кристалики сахара или соли.
Все эти свойства твёрдых и жидких низкомолекулярных органических соединений обусловлены малыми размерами их молекул, благодаря чему сила сцепления между отдельными молекулами очень слаба. При повышении температуры движение молекул жидкости усиливается и они легко отделяются друг от друга, образуя пар, В подходящем растворителе молекулы жидкого или твёрдого низкомолекулярного вещества также легко отделяются друг от друга и равномерно распределяются между молекулами растворителя.
11
Благодаря слабой связи между отдельными молекулами низкомолекулярные органические вещества не могут служить связующей основой при изготовлении пластмасс.
Иную природу имеют молекулы высокомолекулярных веществ — клетчатки, белков, синтетических смол и др. Они состоят, как правило, из тысяч, а иногда и десятков тысяч атомов, прочно связанных между собой. Это — молекулы-гиганты.
Высокомолекулярные вещества растворяются обычно медленно, а некоторые из них совершенно нерастворимы.
Рис. 3. Распределение молекул низкомолекулярных и высокомолекулярных веществ в растворах.
Растворы их, в большинстве случаев, являются очень вязкими, клееподобными или, как говорят, представляют собой коллоидные растворы*). Столярный и конторский клей, клейстер из муки или крахмала, различные лаки и резиновый клей — все они являются типичными коллоидными растворами высокомолекулярных соединений.
На рисунке 3 схематически представлена картина распределения маленьких и больших молекул в растворе. На левом рисунке мы видим, что большое число маленьких молекул совершенно свободно размещается в растворителе. Поэтому растворы низкомолекулярных веществ (например, раствор сахара в воде) обладают почти такой
*) Подробно о коллоидах и их роли в технике и быту см. брошюру «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: Б. Н. Суслов, «Между пылинками и молекулами».
12
же подвижностью, как и чистый растворитель. Из правого же рисунка видно, что сравнительно небольшое число больших, длинных молекул (раствор желатины в воде или раствор каучука в бензине) при своём движении могут легко зацепиться друг за друга. Поэтому резиновый или столярный клей обладают очень малой подвижностью или, как принято говорить,— высокой вязкостью.
При упаривании растворов высокомолекулярных веществ на дне чашки остаётся твёрдый остаток в виде плотной смолы (например, при упаривании столярного клея или киселя). При охлаждении горячих насыщенных растворов высокомолекулярных веществ кристаллического осадка не получается: выпавший осадок представляет собой или студнеобразную массу или мелкий некристаллический порошок.
При нагревании твёрдые высокомолекулярные соединения размягчаются постепенно и лишь некоторые из них превращаются в жидкость.
Все эти свойства высокомолекулярных веществ являются следствием больших размеров их молекул.
Сила сцепления между большими молекулами очень велика, они прочно связаны между собой. Поэтому большинство высокомолекулярных веществ является хорошей связующей основой при изготовлении пластмасс.
Конечно, свойства того или иного материала зависят не только от величины молекулы, но также и от формы молекул и от химической природы самого вещества. Поэтому разные высокомолекулярные вещества обладают различными механическими свойствами, и не всякое высокомолекулярное соединение имеет одинаковую ценность в качестве связующей основы при изготовлении пластмасс.
Современная наука имеет достаточно ясное представление о химическом составе, строении и форме молекул различных высокомолекулярных веществ, а также о влиянии химического состава и строения молекулы на механические свойства вещества.
Установлено, что молекулы большинства высокомолекулярных веществ (клетчатка, каучук, хлорвиниловая смола и др.) имеют цепеобразное строение. Такие молекулы называют линейными молекулами. Если мо
13
лекулу низкомолекулярного органического соединения сравнить с одним звеном цепи, то линейную молекулу высокомолекулярного вещества можно сравнить с длинной цепочкой, состоящей из сотен звеньев.
Для наглядности на рисунке 4 показан принцип построения низкомолекулярных веществ (а) и высокомолекулярного соединения линейного строения (б).
Длина таких цепеобразных молекул может достигать очень большой величины — до 1/1000 доли миллиметра.
О с>
Рис. 4. Схема строения низкомолекулярного вещества (а) и высокомолекулярного вещества цепеобразного строения (б).
Однако эти молекулы имеют очень малые размеры в поперечном сечении (порядка 1/1 000 000 доли миллиметра), поэтому их не удаётся разглядеть даже под самым сильным микроскопом.
Многие наблюдали, как буксирный пароход тянет за собой баржу. Несмотря на большое расстояние между пароходом и баржей, буксирного каната издали не видно. Он невидим из-за малого поперечного сечения. Подобную картину мы наблюдаем и для больших цепеобразных молекул.
Если взять кусок какого-нибудь вещества, состоящего из длинных цепевидных молекул (например, кусок каучука), то в нём цепеобразные молекулы различной формы переплетены между собой и имеют очень много точек соприкосновения. Вследствие этого между молекулами существует очень большая взаимная связь, и требуется значительное усилие, чтобы отделить их друг от друга. Такой кусок каучука можно сравнить с войлоком, где отдельные волокна шерсти переплетены, и, вследствие силы трения между ними в точках их соприкосновения, превратить войлок в шерсть трудно.
14
Могут быть и такие случаи, когда отдельные линейные молекулы не переплетены, а расположены параллельно друг другу и плотно соприкасаются друг с другом. Такое строение имеют, например, волокна льна и других волокнистых материалов (рис. 5).
Между параллельно расположенными длинными молекулами волокнистых материалов существует огромная сила сцепления, так как они плотно соприкасаются друг с другом по всей длине молекулы. Поэтому волокнистые материалы обладают высокой прочностью. Например, для
Рис. 5. Схема строения волокнистого материала.
разрыва волокна льна необходимо приложить силу свыше 100 килограммов на квадратный миллиметр его сечения (напомним, что для разрыва стальной проволоки необходимо приложить силу от 80-ти до 160-ти килограммов на квадратный миллиметр сечения).
Сила сцепления между цепеобразными молекулами может быть значительно увеличена, если между отдельными цепями осуществляется химическое взаимодействие. Усилие, необходимое для разрыва химической связи, то-есть связи, образованной при химическом взаимодействии отдельных атомов, во много раз больше, чем для разрыва связи взаимодействия отдельных молекул между собой при простом их соприкосновении. Поэтому во многих случаях при получении пластмасс стремятся к созданию поперечных химических связей, или «мостиков», между отдельными цепями. В этом случае образуются громадные так называемые трёхмерные молекулы. Так, например, резиновый мяч или покрышка автомобильной шины представляют собой как бы одну гигантскую молекулу, образованную путём связывания отдельных цепеобразных молекул каучука мостиками из атомов серы.
На рисунке 6 показана схема построения трёхмерной молекулы, на которой пунктирными звеньями изображены
15
мостики между отдельными цепеобразными молекулами. Разделение такой громадной трёхмерной молекулы на отдельные цепочки без разрыва химических связей невозможно. Поэтому такие вещества при нагревании не плавятся, а подвергаются разложению; не растворяются в растворителях, а только набухают.
Из природных продуктов примером такого вещества может служить кожа.
Механические свойства веществ, состоящих из больших цепеобразных молекул, при превращении их в вещества с трёхмерными молекулами, сильно изменяются: повышается прочность, стойкость к высоким и низким температурам и т. п.
Например, сырой каучук, который является типичным представителем высокомолекулярных веществ, имеющих цепеобразные линейные молекулы, ещё не пригоден для изготовления изделий. Он легко разрывается при растяжении, при нагревании до 40—50° превращается в липкую смолу, а на морозе замерзает в хрупкую массу, которую можно легко разбить молотком. Если же сырой каучук нагревать с серой и наполнителями, то происходит соединение отдельных линейных молекул каучука друг с другом посредством «мостиков» из атомов серы. Этот процесс называется вулканизацией.
16
При вулканизации смеси каучука, содержащей около 1—2% серы, получается мягкий эластичный продукт — резина. При вулканизации с 30—35% серы образуется твёрдая упругая пластмасса — эбонит. Как известно, резина и эбонит имеют совершенно другие свойства, чем сырой каучук.
Резина обладает более высокой эластичностью и прочностью по сравнению с сырым каучуком, выдерживает значительное нагревание и охлаждение без потери своей эластичности и упругости. Сырой каучук легко растворяется в бензине, бензоле и некоторых других растворителях, образуя «резиновый клей». Если же вместо каучука взять кусочек резины, то он будет только набухать, впитывая в себя молекулы растворителя, но не растворится. Полному растворению, то-есть отделению отдельных цепевидных молекул друг от друга, препятствуют поперечные «мостики» из атомов серы, связующие соседние цепи.
Эбонит же ни в чём не растворяется и набухает в незначительной степени, так как он содержит большее число поперечных «мостиков», чем резина.
Изменение свойств при переходе линейных молекул в трёхмерные можно проследить на многих других примерах, которые часто встречаются в практике приготовления пластмасс. Так, при взаимодействии фенола с формальдегидом вначале получаются смолы, имеющие цепеобразное строение молекул. Они нестойки к действию воды, отличаются плавкостью и хорошей растворимостью во многих растворителях (их растворы известны под названием бакелитовых лаков). Но при дальнейшем нагревании этих смол происходит химическое взаимодействие между отдельными линейными молекулами и образуется нерастворимый и неплавкий продукт, стойкий к действию воды и других растворителей.
Способностью многих высокомолекулярных соединений образовывать трёхмерные молекулы широко пользуются в промышленности пластмасс. Процесс получения пластмасс делится на две стадии. Первую ступень процесса ведут до образования высокомолекулярных веществ цепеобразного типа, которые ещё сохраняют способность растворяться и плавиться при нагревании. В дальнейшем к полученному соединению (смоле) прибавляют соответствующие пластификаторы, наполнители, и в некоторых
2 Пластмассы
17
случаях и химические вещества, способные связывать отдельные цепи между собой. При быстром нагревании такой смеси под высоким давлением в специальных пресс-формах образуется готовое изделие из пластмассы; последняя уже является нерастворимой, неплавкой и обладает высокой прочностью.
Имеется ещё один тип высокомолекулярных веществ,
которые отличаются
Рис. 7. Строение кустообразной разветвлённой молекулы.
тем, что молекулы их имеют вид сильно разветвлённого кустика (рис. 7). К веществам такого типа относится крахмал, который, как известно, содержится в клубнях картофеля, а также в корнях, плодах и зёрнах многих растений. Вещества такого строения являются плохими связующими материалами при получении пластмасс, так как между отдельными кустообразными молекулами сравнительно мало точек соприкосновения, и связьмеждуними получается слабой.
Необходимо указать, что резкой грани между низкомолекулярными и высокомолекулярными соединениями нет. Имеются соединения и промежуточного типа, которые можно отнести как к тому, так и к другому типу.
С другой стороны, эти две группы соединений могут переходить друг в друга. При расщеплении или разложении высокомолекулярных веществ образуются низкомолекулярные. Например, при сухой перегонке каучука образуются низкомолекулярные соединения (изопрен, ди-пентон и другие). Установлено также, что при нагревании многих синтетических смол без доступа воздуха
они превращаются в низкомолекулярные вещества, из которых они были получены.
Некоторые виды высокомолекулярных веществ расщепляются при нагревании их с водными растворами кислот и щелочей. Этот процесс носит название гидролиза.
18
Академик Н. Д. Зелинский показал, что при гидролизе природных белковых веществ в присутствии кислот под высоким давлением и при высокой температуре образуются различные простейшие соединения (например, аминокислоты). Таким образом сложнейшее высокомолекулярное соединение, каким является белковое вещество живой клетки, состоит из сотен и тысяч аминокислот и их продуктов превращения, соединённых между собой в большие молекулы.
Такие высокомолекулярные природные продукты, как крахмал и клетчатка, при действии на них водных растворов кислот, также подвергаются гидролизу; при этом образуется простейшее вещество, называемое глюкозой, или виноградным сахаром, способное превращаться при брожении в спирт. Этой реакцией теперь широко пользуются в промышленности для получения винного спирта из древесины.
В противоположность реакциям расщепления имеются также реакции, приводящие к искусственному получению высокомолекулярных веществ из простейших низкомолекулярных соединений. Об этих реакциях, имеющих большое значение для промышленности пластмасс, о путях превращения простейших соединений в более сложные, а также об источниках сырья для получения молекул-гигантов, будет рассказано в следующих разделах нашей книжки.
3.	ИЗ ИСТОРИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЛАСТМАСС
Некоторые виды пластических материалов были известны в глубокой древности. Такие простейшие и доступные природные пластичные материалы, как глина, ископаемая смола (так называемый битум) и смолы многих растений применялись для изготовления украшений, посуды и различных предметов обихода в течение многих веков. Так, глины различных сортов применялись для изготовления керамических изделий (изделий из обожжённой глины) ещё в древнем Египте, около 10 тысяч лет назад. За 700 лет до нашей эры вавилоняне пользовались природным битумом в качестве водостойкого материала при строительстве каналов, а египтянам были знакомы
2*
19
способы приготовления лаков и красок. Для этой цели они пользовались растительными смолами и восками. Для изготовления украшений широко применялся янтарь.
Изучение истории материальной культуры народов, населявших территорию СССР, показывает, что более 2000 лет назад им были известны способы изготовления высококачественной керамики, художественных изделий из янтаря и т. д. Древние русские мастера славились искусством составлять различные лаки и краски из природных смол и растительных масел.
В XIX веке, в связи с усиленным строительством дорог, сильно повышается спрос на пластичные материалы типа асфальта. Наряду с природным асфальтом начинают применяться искусственные смолы и так называемые пеки, которые образуются при перегонке каменноугольной смолы или нефти в виде легко застывающего смолистого остатка. Значительно расширяется применение канифоли для мыловарения, для приготовления смазочных масел, сургуча и т. п. Природная смола — шеллак — потребляется в значительных количествах для изготовления граммофонных пластинок и специальных лаков.
Однако число известных природных пластичных материалов было сравнительно небольшим и их свойства не могли удовлетворить потребностям новых отраслей техники. Электротехническая, машиностроительная, автомобильная, авиационная и другие отрасли промышленности нуждались в новых материалах с разнообразными свойствами. Всё возрастающий рост техники вызвал развитие новых отраслей химической промышленности, способных производить искусственным путём различные пластические массы с весьма разнообразными свойствами.
Первой пластической массой в современном значении этого слова явился эбонит. Способ изготовления эбонита был открыт около 100 лет назад. Благодаря высокой механической прочности и хорошим электроизоляционным свойствам, эбонит нашёл широкое применение в электротехнической и радиотехнической промышленности.
В 1865 году был открыт способ приготовления другого вида пластмассы — целлулоида. Для получения целлулоида клетчатка обрабатывается азотной кислотой. Продукт взаимодействия клетчатки с азотной кислотой — 20
нитроцеллюлоза — смешивается на специальных вальцах с камфорой, спиртом и растительными маслами, которые придают нитроцеллюлозе пластичные свойства.
Целлулоид применялся для изготовления галантерейных изделий, игрушек, лаков и т. д.
Однако чрезвычайная огнеопасность целлулоида не способствовала его широкому внедрению в технике. Позднее целлулоид стал заменяться другими пластмассами, которые изготовляются не из нитроклетчатки, а из других, менее огнеопасных продуктов переработки клетчатки (из ацетилцеллюлозы, этилцеллюлозы, бензилцел-люлозы и других).
В разработке способов получения этих новых видов продуктов, а также их применения в производстве пластических масс и искусственного шёлка исключительно важную роль сыграли исследования русских учёных А. М. Настюкова, П. П. Шорыгина, С. Н. Ушакова, С. Н. Данилова и других. Благодаря фундаментальным исследованиям этих учёных ацетилцеллюлоза, бензилцел-люлоза и другие продукты химической переработки клетчатки производятся и теперь в крупных масштабах и применяются для получения киноплёнок, фотографических пластинок, для изготовления высококачественных лаков и т. д.
В 1900 годах был получен новый вид пластмассы, названный галалитом. Галалит изготовляется из казеина путём его пластифицирования (т. е. придания ему пластичности) водой и глицерином, нагревания и последующей обработки формалином.
Галалит применяется главным образом для изготовления галантерейных изделий (пуговиц, гребёнок, коробочек и др.). Прочность галалита низка, а сырьевые ресурсы получения галалита ограничены, поэтому галалит не используется для изготовления больших изделий, например деталей машин.
Вновь возникающие и развивающиеся отрасли техники, такие как радиотехника, авиация и др., не довольствовались пластмассами типа галалита и целлулоида. Нужно было искать новые пути и новые доступные сырьевые источники, которые позволили бы производить большое количество разнообразных пластических масс с использованием искусственных смол.
21
Эта задача была блестяще разрешена промышленностью органического синтеза *), развитие которой основывалось на достижениях органической химии.
Органическая химия, сложившаяся как самостоятельный раздел химии ещё в начале XIX века, сделала большие успехи благодаря выдающимся работам русских учёных.
В 1859 году профессор Казанского университета А. М. Бутлеров открыл новое соединение — муравьиный альдегид (формальдегид). Формальдегид известен многим по его применению для протравливания семян в виде 40% водного раствора под названием «формалин».
Формальдегид стал в настоящее время одним из основных видов сырья для получения различных синтетических смол, пластических масс и других ценных продуктов. В то же время он является доступным химическим соединением. Современная промышленность производит его в огромных масштабах путём окисления метилового спирта, природных газов, газообразных отходов коксохимической или нефтеперарабытывающей промышленности кислородом воздуха.
Один из выдающихся современных представителей бутлеровской школы химиков, академик А. Е. Арбузов в следующих словах характеризует значение этого открытия для химии синтетических смол:
«А. М. Бутлеров открытием формальдегида и изучением его главнейших свойств, как бы впервые открыл двери в область высокомолекулярных соединений, той категории химических веществ, которым суждено в современной жизни и технике играть совершенно исключительную по значению роль».
Бутлеров подробно изучил многочисленные реакции взаимодействия формальдегида с другими химическими соединениями. Он установил, что при известных условиях молекулы формальдегида способны соединяться друг с другом, а также и с молекулами других веществ, образуя молекулы более сложного состава. Он показал, на
*) Об органическом синтезе рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: О. А. Реутов, «Органический синтез».
22
пример, что при действии гашёной извести *), шесть молекул формальдегида, соединяясь между собой, образуют одну молекулу сахаристого вещества. Схематически эта реакция изображена на рисунке 8, где кружками пока-
Александр Михайлович Бутлеров (родился в 1828 году, умер в 1886 году).
заны отдельные атомы, входящие в состав молекул. Чёрточки, соединяющие отдельные кружочки, обозначают химическую связь между отдельными атомами внутри одной молекулы. Если на соединение двух атомов друг
♦) Гашёная известь в данном случае в реакции не участвует, но оказывает на неё ускоряющее действие. Такие ускорители реакции принято называть катализаторами.
23
с другом затрачены две единицы сродства (химической связи), то на рисунке это показано двумя параллельными чёрточками.
Химическую реакцию, приводящую к образованию больших молекул путём присоединения друг к другу многих (иногда сотен и тысяч) простейших молекул, принято
4+Н+1+Н~ Формальдегид
© — Атом углерода
О — » кислорода о — » водорода
Сахаристое вещество
Рис. 8. Схема реакции полимеризации формальдегид.
называть реакцией полимеризации. В реакцию полимеризации особенно легко вступают такие органические соединения, в молекуле которых имеются двойные или тройные связи. Как говорят, такие молекулы имеют ненасыщенный характер; это выражается в том, что они легко соединяются с другими молекулами и атомами, образуя более сложные вещества.
А. М. Бутлеров широко использовал эту способность ненасыщенных органических соединений для получения сложных веществ из простейших соединений. Так, он установил, что простейшие ненасыщенные газообразные углеводороды (соединения углерода с водородом), какими являются пропилен, изобутилен и другие составные части газов, образующихся при переработке нефти, соединяясь друг с другом, образуют жидкие и каучукоподобные вещества.
Бутлеров показал, что реакция полимеризации ненасыщенных углеводородов протекает с большой лёгкостью в присутствии некоторых кислот и солей, являющихся катализаторами этой реакции.
Современная химическая промышленность широко пользуется изученной впервые Бутлеровым реакцией полимеризации для искусственного получения смазочных 24
масел, синтетических смол и каучуков. Так, путём полимеризации простейшего ненасыщенного газообразного углеводорода — этилена — под высоким давлением получают твёрдую роговидную смолу под названием «политен». Политен обладает высокой прочностью, гибкостью и является лучшим электроизоляционным материалом.
Зтцлен	Политен
Рис. 9. Схема реакции полимеризации этилена.
Реакция образования политена при полимеризации этилена изображена на рисунке 9. Из рисунка видно, что большое число (А") молекул этилена, которые имеют ненасыщенную двойную связь между атомами углерода,
Рис. 10. Строение молекулы полиизобутилена.
соединяются друг с другом, образуя длинную цепевидную молекулу. Подобной же схемой можно изобразить полимеризацию изобутилена, винилхлорида и других ненасыщенных соединений. Строение цепевидных молекул, полученных при полимеризации изобутилена (полиизобутилен), можно изобразить схемой, приведённой на рисунке 10.
А. М. Бутлеровым был изучен также другой тип реакции взаимодействия органических веществ — так называемая реакция конденсации.
25
Простейшим примером реакции конденсации является изученная Бутлеровым реакция между формальдегидом и аммиаком (известный в обиходе нашатырный спирт является раствором аммиака в воде). При взаимодействии шести молекул формальдегида с четырьмя молекулами аммиака образуется известный лекарственный препарат уротропин. Как видно из схематического изображения этой реакции (рис. 11), от молекул формальдегида отщеп-
Формальдегид Аммиак 0 — Ртом углерода О — ” кислорода 0 —	„	азота
о — о	водорода
Рис. И. Схема реакции конденсации формальдегида с аммиаком.
ляются атомы кислорода, а от молекулы аммиака — атомы водорода, и остатки обоих типов молекул, соединяясь между собой, образуют сложную молекулу уротропина. Образующиеся при этой реакции продукты — вода и уротропин — низкомолекулярные вещества.
Для образования высокомолекулярного соединения необходимо участие большого числа молекул исходных веществ — многократная их конденсация, или, как принято говорить, поликонденсация. При реакции поликонденсации образование высокомолекулярного вещества из простейших соединений протекает с одновременным отщеплением какого-нибудь низкомолекулярного соединения (например, воды, спирта, хлористого водорода и др.).
Типичным примером реакции поликонденсации является взаимодействие адипиновой кислоты с гексаметилендиамином, изображённое на рисунке 12. Как видно из рисунка, какое-то большое число (X) молекул адипиновой кислоты вступает во взаимодействие с таким же 26
числом молекул гексаметилендиамина. При этом образуется одна большая молекула нового вещества — полиамида — с одновременным выделением молекул воды, число которых равно числу всех вступивших в реакцию молекул (2Х). Молекулы воды образуются за счёт атомов кислорода и водорода, стоящих на концах молекул исход-
@—Атом углерода.
О — ” кислорода ® — »» азота О — • водорода
Рис. 12. Схема реакции поликонденсации адипиновой кислоты с гексаметилендиамином.
ных веществ. По этой схеме протекает очень большое число реакций образования смол, применяемых в промышленности пластмасс (полиамидные, полиэфирные, фенолальдегидные, мочевино-альдегидные и другие смолы).
Последующие поколения русских и советских химиков развили дальше и приумножили открытия Бутлерова новыми работами. Они изучили реакции формальдегида и ненасыщенных углеводородов и синтезировали много новых органических соединений, которые могут служить исходным материалом для изготовления синтетических смол и пластических масс.
А. М. Настюковым, Е. И. Орловым, Г. С. Петровым, С. Н. Ушаковым, И. П. Лосевым, А. А. Ваншейдтом, А. И. Луньяком и другими русскими и советскими учёными были разработаны способы конденсации формаль
27
дегида с ароматическими углеводородами, с фенолами и анилином. Все эти реакции позволили получать новые виды синтетических смол. Из этих смол в настоящее время
Алексей Евграфович Фаворский (родился в 1860 году, умер в 1945 году).
изготовляются десятки видов пластических масс (бакелит, карболит, текстолит и др.).
Особенно важное значение для развития промышленности синтетических смол имели работы ученика Бутлерова, академика А. Е. Фаворского.
28
A. E. Фаворский изучил реакции простейшего газообразного ненасыщенного углеводорода с тройной связью, называемого ацетиленом. Ацетилен является весьма доступным продуктом, он широко известен на практике по его применению для газовой сварки и резки металлов.
А. Е. Фаворский и его ученики установили, что ацетилен легко соединяется со спиртами, кислотами и другими органическими соединениями. Полученные при этом продукты служат исходным сырьём для производства многих видов синтетических смол.
Работы А. Е. Фаворского, С. В. Лебедева и других легли в основу производства таких широко распространённых пластмасс, как поливинилхлорид, плексиглас и др.
Говоря о синтетических смолах и пластмассах, необходимо упомянуть вкратце о синтетических каучуках, которые являются ближайшими «родственниками» синтетических смол.
Подразделение синтетических смол на каучуки и собственно смолы чисто условное; резкой грани между ними нет. Каучуки — это особый вид высокомолекулярных веществ, которые отличаются очень высокой эластичностью. Некоторые виды синтетических смол (например, поливинилхлорид) можно отнести по этому признаку к каучукам. Исходным сырьём для получения синтетических каучуков являются те же простейшие углеводороды, которые применяются для получения синтетических смол и которые получаются при переработке каменного угля и нефти. Поэтому развитие промышленности синтетического каучука теснейшим образом связано с промышленностью пластмасс.
Родиной синтетического каучука является Советский Союз.
Основываясь на многочисленных исследованиях А. М. Бутлерова, И. Л. Кондакова и других русских учёных, советский академик С. В. Лебедев разработал в 1928 году промышленный способ получения одного из важнейших видов синтетического каучука из винного (этилового) спирта. Впоследствии академиком Н. Д. Зелинским, академиком А. Е. Фаворским и другими были разработаны способы получения нескольких новых видов синтетических каучуков.
29
В настоящее время известно около 40 различных типов синтетических каучукоподобных веществ, производство которых освоено современной промышленностью. Каждый из видов синтетического каучука обладает своими особыми, присущими ему свойствами, поэтому перед
Сергей Васильевич Лебедев (родился в 1874 году, умер в 1934 году).
резиновой промышленностью открываются чрезвычайно большие возможности.
Академик С. В. Лебедев указывал, что «синтез каучуков — источник бесконечного разнообразия. Теория не кладёт границ этому многообразию. А так как каждый новый каучук является носителем своей оригинальной шкалы свойств, то резиновая промышленность,
30
пользуясь, наряду с натуральным, также и синтетическими каучуками, получит недостающую ей широкую свободу в выборе нужных свойств».
Это указание С. В. Лебедева является путеводной звездой в работе советских химиков, которые с каждым годом
Николай Дмитриевич Зелинский (родился в 1861 году).
осваивают производство новых типов каучуков. Синтетические каучуки, наряду с пластмассами, являются важными новыми материалами, удовлетворяющими возрастающие требования промышленности. Современная резиновая промышленность, используя синтетические каучуки,
31
изготовляет резиновые изделия, стойкие при высоких температурах, а также к действию бензина, смазочных масел, кислот и щелочей.
Приведённый выше краткий исторический обзор показывает, что развитие промышленности синтетических смол, пластмасс и синтетического каучука неразрывно связано с достижениями органической химии.
Выдающиеся русские и советские химики А. М. Бутлеров, В. В. Марковников, А. Е. Фаворский, С. В. Лебедев, Н. Д. Зелинский своими научными трудами заложили фундамент этой отрасли науки и на многие годы вперёд определили пути её дальнейшего развития. В разработке способов синтеза новых веществ, важных для промышленности синтетических материалов, ведущую роль играли и играют русские и советские учёные.
Об этом свидетельствует то, что среди лауреатов Сталинских премий всё чаще и чаще встречаются имена учёных, изобретателей и инженеров, удостоенных этого высокого звания за открытие новых видов пластмасс (С. Н. Ушаков, Г. С. Петров, К. А. Андрианов, И. Л. Кнунянц, В. В. Коршак, 3. А. Роговин, А. А. Берлин, М. В. Соболевский, М. Ф. Шостаковский и др.).
Созданная за годы сталинских пятилеток мощная промышленность органического синтеза осваивает производство новых, всё более совершенных видов синтетических смол, каучуков и пластических масс.
4.	ЧТО МОЖНО ПОЛУЧИТЬ ИЗ УГЛЯ и НЕФТИ?
ДЛы уже говорили о том, что лишь в начальный период своего развития промышленность пластмасс потребляла в качестве сырья такие природные продукты, к которым относятся клетчатка, казеин, а также битум и пеки, добываемые из недр земли.
Последующие этапы развития промышленности пластмасс, начиная с начала XX века, связаны с широким применением синтетических смол, получаемых искусственным путём из простейших органических соединений. При этом оказалось, что искусственным путём можно приготовить почти неограниченное число разнообразных смол, тогда как из природных продуктов путём их химической пере-
32
работки можно получить только весьма ограниченное число веществ, способных служить связующей основой в пластмассах. Следовательно, лишь путь синтеза позволяет достигнуть бесконечного разнообразия в свойствах материалов.
Благодаря огромным успехам науки и техники в области органического синтеза, современная промышленность способна производить в больших масштабах сложнейшие химические вещества, в том числе и пластмассы, путём последовательного химического превращения простейших и доступных видов сырья.
Уголь, нефть и продукты их переработки, воздух и вода, поваренная соль и речной песок стали основными видами сырья для получения синтетических смол и пластмасс. Как известно, эти источники практически неисчерпаемы.
Наличие огромных запасов доступных сырьевых источников явилось также одной из важных причин бурного развития промышленности пластмасс.
Много чудесных превращений должны претерпевать эти сырые материалы, прежде чем превратиться в прочную, лёгкую и прозрачную пластмассу. Путей этих превращений множество, и одни и те же материалы могут быть получены различными способами и из различных источников.
В настоящее время из нефти получают искусственным путём свыше 20 000 различных органических веществ; многие из них являются полупродуктами для получения пластических масс. Из каменного угля можно получить ещё большее число соединений. Современная химическая промышленность не стремится использовать составные части нефти или угля только для одной какой-либо цели, например, нефть—только для получения бензина, а уголь — только для получения кокса. Экономически более выгодным считается комплексное, то-есть многостороннее, полное использование всех продуктов, получающихся при переработке нефти или каменного угля. Такое использование сырьевых источников, с утилизацией всех отходов производства, позволяет получать новые материалы по низкой стоимости, и одновременно с этим понизить стоимость основного продукта. Так, например, при получении из нефти авиационного бензина путём крекинга и
3 Пластмассы
33
пиролиза*) свыше половины нефти превращается в газообразные отходы и смолистые остатки. Ещё недавно газообразные «отходы» сжигались в топках или просто выбрасывались на воздух. Однако эти газы содержат большое количество метана, этилена, пропилена, изобутилена и других углеводородов, являющихся ценнейшим сырьём для многих синтезов, в том числе и для получения пластмасс.
Метан, как было показано советским химиком С. С. Медведевым, при окислении воздухом переходит в формальдегид — одну из главных составных частей фенолальдегидных смол.
Этилен по реакции, открытой ещё А. М. Бутлеровым, можно превратить в этиловый спирт, который служит сырьём для синтеза каучука по способу академика С. В. Лебедева. Этилен является также исходным сырьём для получения полихлорвиниловых смол, применяемых при изготовлении электроизоляции, трубопроводов для перекачки кислот и масел, рулевых колёс для автомашин и тракторов, обуви, обивки для мебели, клеёнок, цветных плащей, сумок и т. д.
Из пропилена, по реакции Бутлерова, получают изопропиловый спирт, а из него ацетон, который является сырьём для получения полиакриловых смол, известных под названием небьющегося стекла плексиглас. На рисунке 13 приведена примерная схема использования газов крекинг-заводов для органического синтеза.
Не меньшую ценность имеют также смолистые отходы и жидкие продукты пиролиза и крекинга, так как из содержащихся в них ароматических углеводородов можно получить фенолы, кислоты и другие продукты, необходимые в промышленности пластмасс, для получения дубителей и т. д.
Каменный уголь и продукты его переработки также являются неисчерпаемыми источниками для получения
♦) Крекингом и пиролизом называют разложение нефтей и мазута при нагревании их в аппаратах специального устройства. В результате этих процессов из нефти получается значительно больше бензина, керосина, бензола и других ценных нефтепродуктов, чем при обычной перегонке. Кроме того, образуется большое количество газов. Более подробные сведения об этих процессах можно найти в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостех-издата: Д. А. К а т р е н к о, «Чёрное золото».
34
co
Рис. 13. Примерная схема использования крекинг-газов для получения синтетических смол.
сю сд
самых разнообразных органических соединений. При сухой перегонке (перегонке без доступа воздуха) каменного угля получается целый ряд газообразных и жидких продуктов и остаётся твёрдый кокс. На современных коксохимических заводах коксовые газы используются для получения синтетического аммиака. Однако они могут быть использованы более полно, так как содержат различные углеводороды, которые, как и газы крекинга, могут быть употреблены для получения синтетических смол, пластмасс и других ценных продуктов. А из жидких каменноугольных смол извлекаются ароматические углеводороды, фенол, нафталин и другие соединения, из которых получают растворители, красители и синтетические смолы.
Мы уже видели, что при конденсации фенола (карболовой кислоты) с формалином образуются смолы, которые применяются на практике или для составления бакелитового лака или для получения бакелитовых пластмасс, из которых изготовляются детали автомобилей, штепсельные розетки, телефонные аппараты, детали радиоприёмников, музыкальных инструментов и т. д. В последующие годы фенол нашёл широкое применение для синтеза адипиновой кислоты и гексаметилендиамина. При конденсации этих двух соединений образуется так называемая полиамидная смола, схема получения которой приведена на рисунке 14.
Полиамидная смола отличается высокой прочностью, гибкостью и стойкостью к действию кислот и щелочей. Кроме того, она выдерживает значительное нагревание, расплавляясь лишь при 250° С. Наличие таких ценных свойств позволяет применять её для изготовления литых изделий высокой прочности (трубки, болты, гайки, конвейерные ленты, медицинские инструменты и т. д.). Покрытия из полиамидной смолы обладают хорошими электроизоляционными свойствами и исключительно высокой прочностью. Медную проволоку, изолированную этой смолой, можно сломать при многократном изгибании или разорвать при растяжении, но изоляция при этом сохранится в неповреждённом виде. Особенно ценным свойством полиамидной смолы является её способность подвергаться «прядению». Для этой цели смолу расплавляют и продавливают через узкие отверстия металлического сита (так
36
называемая «фильера») и получают таким путём тонкие непрерывные нити. Такие нити обычно применяют взамен щетины для изготовления щёток. Но если эти нити подвергнуть сильному растяжению в холодном состоянии, то они сильно вытягиваются и превращаются в полупрозрачные тонкие (толщиной менее 1/100 миллиметра) блестящие как шёлк нити, которые по своей прочности
Рис. 14. Схема получения полиамидной смолы.
превосходят натуральный шёлк. Из них изготовляются тончайшие и прочные чулки, они применяются при изготовлении покрышек для самолётных шин, для парашютов и при изготовлении других ответственных изделий.
Широко распространённый вид синтетического шёлка — «капрон»,— из которого изготовляются чулки и другие трикотажные изделия, также получается из фенола. Метод получения этого ценного вида синтетического во-
37
локна был разработан советскими учёными И. Л. Кнунянцем, 3. А. Роговиным и другими.
Таким образом, мы видим, что из угля, воздуха и воды можно получить и прочные детали машин и лучший вид шёлка.
Другая составная часть каменноугольного дёгтя — нафталин, известный в обиходе для уничтожения моли, также является ценным видом сырья для промышленности пластмасс.
При окислении кислородом воздуха при высокой температуре нафталин превращается в новый продукт — фталевый ангидрид. Последний при поликонденсации с глицерином образует глифталевые смолы, которые применяются для изготовления лаков (автомобильные эмали, авиационные эмали) и пластмасс, отличающихся высокой прочностью, блеском и стойкостью к действию бензина и масел.
Одна из главных составных частей каменноугольной смолы и коксового газа — бензол — является исходным сырьём для производства фенола, анилина и других веществ, из которых, в свою очередь, получают различные виды синтетических смол, пластмасс, пластификаторов, красителей и т. п.
Кокс, применявшийся раньше только для металлургии, теперь во всё больших масштабах начинает потребляться химической промышленностью. При сплавлении кокса с известью в специальных электрических печах при температуре около 3000° С образуется твёрдое белое вещество — карбид кальция, который при разложении водой даёт ацетилен. Такой способ получения ацетилена при наличии дешёвой электроэнергии считается самым экономичным и имеет все перспективы дальнейшего развития в нашей стране. Ацетилен легко вступает во всевозможные химические реакции и из него можно получить сотни различных продуктов. Но особенно широкое применение он находит для производства различных синтетических смол, каучуков и пластмасс.
На рисунке 15 показана схема получения ацетилена из кокса и его применения в промышленности пластмасс.
Из ацетилена и уксусной кислоты получают ценный продукт для промышленности пластмасс — поливинилаце-38
тат. Он находит широкое применение для изготовления фотографических и кинематографических плёнок, клеющих веществ, прозрачного броневого стекла и других изделий.
Ацетилен употребляется также для получения различных типов синтетического каучука и синтетических смол,
Рис. 15. Схема получения и применения ацетилена для синтеза синтетических смол.
не говоря о его применении для синтеза сотен других органических веществ.
Немаловажную роль в качестве сырья для промышленности пластмасс играет и обычная поваренная соль. Она служит источником хлора и таким образом является важным видом сырья для получения смол, содержащих хлор.
39
Приведённые примеры показывают, что при современном уровне развития науки и техники такие простейшие и доступные природные источники сырья как воздух и вода, уголь и нефть, известь и поваренная соль, путём различных химических реакций могут быть превращены в синтетические смолы, пластмассы и другие химические соединения сложнейшего строения, имеющие широкое применение в технике и быту.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
О промышленности Советского Союза и в быту совет-ских людей пластмассы завоевали себе прочное место.
Хотя в настоящее время из пластмасс изготовляются преимущественно лишь мелкие детали и предметы, но перечень этих предметов и объём их производства уже сейчас поражает своим разнообразием и количеством. Самые разнообразные детали различных машин, радиотелефонной и электрической аппаратуры, небьющиеся стёкла, десятки различных деталей для автомобилей и самолётов, всевозможные предметы широкого потребления изготовляются из синтетических смол и пластических масс.
Партия и Правительство Советского Союза уделяют исключительно большое внимание развитию всех отраслей химической промышленности. В Законе о послевоенном сталинском пятилетием плане было записано: «Создать новые отрасли органического синтеза на базе переработки углей и побочных продуктов нефтепереработки. Обеспечить выпуск широкого ассортимента химических полупродуктов для промышленности пластических масс, анилокра-сочной, лакокрасочной, фармацевтической и других отраслей народного хозяйства.
Организовать производство новых видов пластических масс и синтетических смол».
Недалеко то время, когда пластические массы будут основным материалом в тех областях техники и строительства, где в настоящее время употребляются преимущественно дерево и металлы, кирпич и бетон.
Изящная и удобная мебель, бесшумно работающие машины, автомобили и автобусы, большая часть деталей
41
самолётов и судов, детали домов и других сооружений — всё это будет изготовляться в огромных масштабах из пластических масс.
Разнообразие свойств пластмасс и лёгкость обработки открывают необычайно широкие возможности перед конструкторами во всех отраслях техники и перед архитекторами, которые призваны создавать новые величественные сооружения, достойные украшать города и сёла эпохи социализма и коммунизма.
В Советском Союзе имеются все условия для осуществления самых небывалых темпов развития промышленности пластмасс — достаточное количество сырья, развитая химическая промышленность и тесно связанная с ней передовая советская химическая наука.
В своей исторической речи от 9 февраля 1946 года товарищ Сталин раскрыл перед советским народом величественные перспективы развития основных отраслей народного хозяйства СССР в течение ближайших трёх пятилеток. «Нам нужно добиться того,— говорил товарищ Сталин,— чтобы наша промышленность могла производить ежегодно до 50 миллионов тонн чугуна, до 60 миллионов тонн стали, до 500 миллионов тонн угля, до 60 миллионов тонн нефти».
Осуществление грандиозных сталинских планов развития основных отраслей промышленности открывает широкую перспективу и перед промышленностью пластмасс как в смысле обеспечения сырьём, так и по линии обеспечения совершенным оборудованием.
Побочные продукты переработки угля и нефти вместе с элементами воздуха и воды будут составлять основную сырьевую базу будущей мощной промышленности пластмасс всех видов. Окружённая сталинской заботой и тесно связанная с практикой советская наука разрабатывает всё новые и новые способы получения разнообразнейших видов пластмасс с невиданными до сих пор свойствами.
До настоящего времени одним из недостатков пластмасс считалась их способность размягчаться или разлагаться при сравнительно низких температурах (100— 250° С. Однако в последние годы открыты способы получения таких синтетических смол и пластмасс, свойства которых не изменяются и при более высоких температу-
42
pax. К таким веществам относятся, в частности, высокомолекулярные соединения, содержащие в своём составе фтор или кремний. Способ получения таких кремнийорга-нических смол был разработан советским химиком К. А. Андриановым. Эти смолы стойки к действию высокой температуры и влаги, обладают хорошими электроизоляционными свойствами и не горючи. Механические свойства кремнийорганических смол весьма различны в зависимости от способа их получения и химического строения. Эти смолы могут быть получены в виде жидких масел, резиноподобных эластичных масс или твёрдых порошков.
Область их применения чрезвычайно обширна: жидкие смолы могут быть использованы в качестве смазочных и трансформаторных масел, а твёрдые служат для изготовления электроизоляционных лаков, огнестойких и влагостойких пропиток для дерева, для изготовления одежды для пожарных и т. д.
Сырьём для получения кремнийорганических соединений служат речной песок, поваренная соль и газы нефтеперерабатывающих заводов.
Это только один из новых видов пластмасс, который найдёт самое широкое применение.
Нет сомнения, что в ближайшем будущем будут открыты десятки новых видов теплостойких пластмасс с высокой механической прочностью и стойкостью к действию кислот, щелочей, воды и органических растворителей.
Применение пластмасс для постройки различных типов судов открывает широкие возможности перед судостроительной промышленностью. Изящные и лёгкие лодки, шлюпки и детали судов можно штамповать из пластмасс в один приём.
Большинство видов пластмасс не подвержено действию морской и речной воды, пластмассы не боятся микроорганизмов, не ржавеют и не гниют.
Чрезвычайно обширны перспективы применения различных синтетических смол и в производстве искусственного волокна. Уже сейчас большой популярностью пользуются трикотажные изделия, изготовленные из синтетической смолы полиамидного типа «капрон». А ведь это только один, и далеко ещё не совершенный, вид синте
43
тического волокна. Известно несколько видов таких волокон с весьма различными свойствами, и число их увеличивается с каждым годом. Они могут быть применены для самых различных нужд техники и быта. Так, например, волокна из полихлорвиниловых смол являются незаменимыми для изготовления негниющих рыбацких сетей, волокна из полиамидных и полиэфирных смол — лучшими для трикотажных изделий, а волокна из полимеризованных ненасыщенных углеводородов незаменимы для изготовления электроизоляционных тканей.
Трудно сейчас точно охарактеризовать будущие масштабы производства пластмасс и все те новые области применения, которые будут открыты при дальнейшем развитии науки и техники. Но и те краткие сведения, которые были приведены на страницах этой брошюры, показывают, что перед промышленностью пластмасс открыты небывалые перспективы дальнейшего развития по увеличению объёма производства и усовершенствованию качества различных видов пластмасс.
Капиталистический мир расценивает производство пластмасс лишь с двух точек зрения: как производство материала, необходимого для войны, и как отрасль промышленности, дающую крупную прибыль. Чтобы сохранить на высоком уровне цены на производимые виды пластмасс, капиталисты искусственным путём тормозят внедрение в производство новых видов синтетических смол и пластмасс. С этой же целью ограничивается объём производства.
В настоящее время ведущая роль в развитии науки, техники и промышленности принадлежит Советскому Союзу.
В нашей стране особенно развиваются те отрасли народного хозяйства, которые являются наиболее важными для развития экономики и культуры страны и для поднятия материального благосостояния трудящихся.
Поэтому в Советском Союзе в небывало короткий срок выросла огромная отрасль химической промышленности, которая с каждым днём осваивает производство всё новых и новых видов высококачественных синтетических смол, синтетических каучуков и пластических масс.
44
Можно сказать с полной уверенностью, что в будущем синтетические материалы, к каким относятся основные виды современных пластмасс, будут играть такую же важную роль, как и использование атомной энергии в мирном строительстве.
Приложение
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАСТМАСС ПО ПЕТРОВУ, ЛОСЕВУ И РУТОВСКОМУ
1.	Пластмассы на основе продуктов конденсации. К этой группе можно отнести пластмассы, полученные на основе фенолальдегидных смол, полиамидов, аминоальдегидных смол, полиэфиров (алкидные смолы).
2.	Пластмассы на основе продуктов полимеризации: поливинилхлорид, полиакрилаты, полимеры этилена, изобутилена, стирола и других углеводородов.
3.	Пластмассы на основе эфиров клетчатки (целлюлозы). К этому типу относятся различные виды целлулоида, изготовленные из продуктов взаимодействия клетчатки с азотной кислотой (нитроцеллюлозы), уксусным ангидридом (ацетилцеллюлоза) и т. д.
4.	Пластмассы на основе белковых веществ растительного и животного происхождения (на основе казеина, соевой муки, крови и др.).
5.	Пластмассы на основе битумов и пеков, то-есть природных или искусственных смол, которые обычно применяются при изготовлении асфальтовой массы для покрытия тротуаров и мостовых.
6.	Пластмассы на основе растительных масел.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .............................................. 3
1.	Что такое «пластмасса».............................. 8
2.	Молекулы-карлики и молекулы-гиганты................. И
3.	Из истории производства пластмасс.................. 19
4.	Что можно получитъ из угля и нефти? ............... 32
Заключение............................................ 41
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Москва, Орликов пер., д. 3
ИМЕЕТСЯ В ПРОДАЖЕ:
1.	С. Г. Суворов. О чём говорит луч света, 1952.
2.	М. С. Тукачинский. Как считают машины, 1952.
3.	Д. О. Славин. Свойства металлов, 1952.
Цена 70 коп.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
Вып. 20. Проф. Б. Б. КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул.
Вып. 21. Г. Н. БЕРМАН. Счёт и число.
Вып. 22. О. А. РЕУТОВ. Органический синтез.
Вып. 23. Н. Г. НОВИКОВА. Необыкновенные небесные явления.
Вып. 24. К. А. ГЛАДКОВ. Дальновидение.
Вып. 25. Н. В. КОЛОБКОВ. Грозы и бури.
Вып. 26. А. И. ПОГУМИРСКИЙ и Б. П. КАВЕРИН. Производственный чертёж.
Вып. 27. Проф. Р. В. КУНИЦКИЙ. День и ночь. Времена года.
Вып. 28. Е. В. БОЛДАКОВ. Жизнь рек.
Вып. 29. А. В. КАРМИШИН. Ветер и его использование.
Вып. 30. Г. А. ЗИСМАН. Мир атома.
Вып. 31. В. С. СУХОРУКИХ. Микроскоп и телескоп.
Вып. 32. Н. В. ГНЕДКОВ. Воздух и его применение.
Вып. 33. А. Н. НЕСМЕЯНОВ. Меченые атомы.
Вып. 34. В. Д. ОХОТНИКОВ. В мире застывших звуков.
Вып. 35. С. Г. СУВОРОВ. О чем говорит луч света.
Вып. 36. Г. В. БЯЛОБЖЕСКИЙ. Снег и лёд.
Вып. 37. М. С. ТУКАЧИНСКИЙ. Как считают машины.
Вып. 38. С. Д. КЛЕМЕНТЬЕВ. Управление на расстоянии.
Вып. 39. Л. К. БАЕВ и И. А. МЕРКУЛОВ. Самолёт-ракета.
Вып. 40. Д. О. СЛАВИН. Свойства металлов.
Вып. 41. Проф. В. П. ЗЕНКОВИЧ. Морской берег.