Подготовьте сообщение об истории открытия какого нибудь синтетического полимера
Обновлено: 19.05.2024
В XX веке человечество пережило синтетическую революцию. Ее главным завоеванием можно смело назвать изобретение пластика. Сейчас даже трудно представить себе, что еще в начале прошлого века его просто не существовало и все вокруг делалось из модных нынче натуральных материалов.
Игра в мяч
Индейцы майя делали мяч из кожуры плодов, обернутой в натуральный каучук, который они добывали из фикусов. Похожую технологию использовали жители островов Океании и Юго-восточной Азии. До ума, впрочем, ее довели только европейцы. В XIX веке из Малайзии в Европу было привезено гуттаперчевое дерево, из млечного сока которого стали добывать гуттаперчу. Первым изделием из нового материала стали шары для гольфа (а вовсе не цирковые мальчики). Сегодня этот материал используют для изоляции подводных и подземных кабелей и производства клеев.
От мяча эстафетная палочка перешла к бильярду. В 1862 году британский химик Александр Паркес решил придумать дешевый заменитель дорогостоящей слоновой кости, из которой делались бильярдные шары. Результатом стало открытие первого пластификатора.
Сперва Паркес изобрел нитроцеллюлозу. Однако ее свойства не подходили для игральных шаров, так как материал оказался легкобьющимся. Нужна была добавка, которая смягчила бы его, не уменьшив главное полезное свойство — упругость. Паркес решил добавить камфору. Смесь нитроцеллюлозы, камфоры и спирта подогревалась до текучего состояния, далее заливалась в форму и застывала при нормальном атмосферном давлении. Так на свет появился паркезин — первый полусинтетический пластик. Увы, как это часто бывает, его первооткрыватель не добился коммерческого успеха.
Зато последователь Паркеса, американец Джон Хайт, заработал на первом пластике целое состояние. Он основал компанию и стал производить расчески, игрушки и массу других изделий из целлулоида. К сожалению, материал оказался высоковоспламеняемым, поэтому сейчас из него делают лишь шарики для настольного тенниса да школьные линейки.
В 1897 году немецкие химики открыли казеин — протеин, образующийся при сворачивании молока под действием протеолитических ферментов (тех самых веществ, с помощью которых мы перевариваем пищу). Ученые обнаружили, что казеин придает материалам эластичные свойства, а при остывании — твердость и прочность. Из казеина наладили выпуск пуговиц и вязальных спиц.
Первый полностью синтетический пластик был разработан Лео Беикеландом в США в 1907 году. Беикеланд искал синтетический заменитель для шеллака — воскообразного вещества, выделяемого тропическими насекомыми. Его в огромных количествах потребляла граммофонная и электротехническая промышленность: из шеллака делали пластинки и изоляторы. Ученый изобрел жидкое вещество, напоминающее смолу, которое после застывания превращалось в материал с удивительными свойствами. Изделия из него были прочными и не растворялись даже в кислоте. Первые телефонные аппараты были сделаны именно из находки Беикеланда. Пластик мгновенно (менее чем за год) распространился по всему миру.
Начало биоэры
Однако пластик, кроме всех своих замечательных свойств, имеет два важных недостатка. Во-первых, он производится из невосстанавливаемых природных ресурсов — нефти, угля и газа. Во-вторых, его главное достоинство — долговечность, — за которым так гнались изобретатели пластика в начале прошлого столетия, сегодня обернулось недостатком. Чем больше пластмассы мы используем, тем быстрее растут горы отходов, которые не разлагаются в среде ни при каких условиях. Миллионы тонн пластика скапливаются в природе, загрязняя окружающую среду.
С наступлением нового века ситуация изменилась кардинальным образом. Ученые нашли способ снизить себестоимость изготовления биопластика и утверждают, что в скором времени она приблизится к стоимости изготовления обычной пластмассы. Более того, некоторые эксперты считают, что цена на разлагаемую пластмассу искусственно завышается коммерческими производителями и нефтяными компаниями (нефтяники не жалуют биопластик потому, что его массовое производство может привести к падению цен на нефть). А ведь, если посчитать затраты на переработку пластмассовых отходов и внести эту цифру в стоимость обычного пластика, еще неизвестно, какой из них будет дороже.
Пластиковые плантации
Обычный пластик не поддается разложению в среде из-за того, что он состоит из слишком длинных полимеров, которые тесно связаны друг с другом. Совсем по-иному ведет себя пластик, содержащий более короткие натуральные полимеры растений.
Биопластик можно делать из крахмала, который является природным полимером и производится растениями в процессе фотосинтеза. В большом количестве крахмал содержится в злаковых, картофеле и других неприхотливых растениях. Урожай крахмала с кукурузы доходит до 80% от всей собранной зеленой массы. Поэтому производство пластика нового поколения должно стать достаточно рентабельным. Биопластик ломается и крошится при любой температуре, в которой активны микроорганизмы. Остаточными продуктами этого процесса являются двуокись углерода и вода.
Из-за того что крахмал хорошо растворяется в воде, изделия из него легко деформируются при малейшем контакте с влагой. Для того чтобы придать крахмалу большую прочность, его обрабатывают специфическими бактериями, разлагающими полимеры крахмала в мономеры молочной кислоты. Затем химическим способом мономеры заставляют соединиться в цепочки полимеров. Эти полимеры гораздо прочнее, но при этом не так длинны, как полимеры пластмассы, и могут разлагаться микроорганизмами. Полученный материал назвали полилактидом (PLA). В прошлом году в штате Небраска открылся первый в мире завод по изготовлению PLA.
В 1835 г. А. Реньо присоединением хлороводорода к ацетилену получил винилхлорид. Но лишь много лет спустя это вещество стали использовать для получения поливинилхлорида, ставшего заменителем дерева, металлов, стекла и т. п.
А. М. Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. После создания А.М. Бутлеровым теории химического строения возникла химия полимеров. Наука о полимерах получила свое развитие главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука.
В 1922 г. немецкий химик Герман Штаудингер выдвинул определение макромолекула – длинной конструкции из атомов, связанных ковалентными связями. Он же первым установил взаимосвязь между молекулярной массой полимера и вязкостью его раствора.
Впоследствии американский химик Герман Марк исследовал форму и размер макромолекул в растворе.
Тогда же в 1920—1930-е гг. благодаря работам Н. Н. Семенова в области цепных реакций было обнаружено глубокое сходство механизма полимеризации с цепными реакциями, которые изучал Н. Н. Семенов.
В 30-х гг. было доказано существование свободнорадикального (Г. Штаудингер и др.) и ионного (Ф. Уитмор и др.) механизмов полимеризации.
Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У. Карозерса, который ввел в химию высокомолекулярных соединений понятия функциональности мономера, линейной и трехмерной поликонденсации. Он же в 1931 синтезировал совместно с Дж.А. Ньюландом хлоропреновый каучук (неопрен) и в 1937 разработал метод получения полиамида для формования волокна типа найлон.
В 1930-е гг. развивалось и учение о структуре полимеров. А.П. Александров впервые развил в 30-х гг. представления о релаксационной природе деформации полимерных тел.
В.А. Каргин установил в конце 30-х гг. факт термодинамической обратимости растворов полимеров и сформулировал систему представлений о трех физических состояниях аморфных высокомолекулярных соединений.
В 1940-е гг. американский физико-химик Флори внес значительный вклад в теорию растворов полимеров и статистическую механику макромолекул. Флори создал методы определения строения и свойств макромолекул из измерений вязкости, седиментации и диффузии.
Огромным событием в химии полимеров стало открытие К. Циглером в 1950-е гг. металлокомплексных катализаторов, что привело к появлению полимеров на основе полиолефинов: полиэтилена и полипропилена, которые стали получать при атмосферном давлении. Затем были внедрены в массовое производство полиуретаны (в частности поролон), а также полисилоксаны.
В 1960—1970-е гг. получены уникальные полимеры – ароматические полиамиды, полиимиды, полиэфиркетоны, содержащие в своей структуре ароматические циклы, и характеризующиеся огромной прочностью и термостойкостью.
В 1960-е гг. Каргин В.А. и Кабанов В.А. положили начало новому виду полимерообразования – комплексно-радикальной полимеризации. Так были получены полимеры неактивных мономеров: пиридина, хинолина и др.
Над проблемами химии и технологии полимеров работает в настоящее время около половины всех химиков мира.
А также интересно знать
Американский изобретатель Джон Уэсли Хайятт (1837—1920), пытаясь завоевать приз, установленный за создание заменителя слоновой кости для биллиардных шаров, прежде всего обратил внимание именно на частично нитрованную целлюлозу. Он растворил ее в смеси спирта и эфира, добавил камфору, чтобы новое вещество легче было обрабатывать.
К 1869 г. Хайятт получил то, что он назвал целлулоидом, и завоевал приз. Целлулоид был первой синтетической пластмассой — материалом, который можно отливать в формы.
В дальнейшем выяснилось, что частично нитрованную целлюлозу можно не только формовать в шары, но и вытягивать в волокна и пленки. Французский химик Луи Мари Гиляр Берниго, граф Шардонне (1839—1924), получил такие волокна, продавливая раствор нитроцеллюлозы через тончайшие отверстия. Растворитель при этом почти сразу же испарялся.
Из полученных волокон можно было ткать материал, который своим блеском напоминал шелк. В 1884 г. Шардонне запатентовал полученный им искусственный шелк. Шардонне назвал эту ткань рейон — излучающая свет, так как ткань блестела и казалось, что она излучает свет.
Появлением пластмассовых пленок мы обязаны американскому изобретателю Джорджу Истмену (1854—1932). Американский изобретатель Джордж Истмен Истмену (1854—1932) увлекался фотографией. Пытаясь упростить процесс проявления, он начал смешивать эмульсию соединений серебра с желатиной, чтобы сделать эту эмульсию сухой. Полученную таким образом смесь можно было хранить.
В 1884 г. Истмен заменил стеклянные пластинки на целлулоидные.
Целлулоид невзрывоопасен, но он легко воспламеняется, что может быть причиной пожара, поэтому Истмен начал поиски менее горючих материалов.
Когда в целлюлозу вместо нитрогрупп ввели ацетильные группы, полученный продукт остался столь же пластичным, как и нитроцеллюлоза, но он уже не был легко воспламеняющимся. С 1924 г. ацетилцеллюлозные пленки начали использовать в производстве кинофильмов, так как развивающаяся кинопромышленность особенно остро нуждалась в заменителе целлулоида.
Рубрики: Высокомолекулярные соединения
Первые упоминания о синтетических полимерах относятся к 1838 (поливинилиденхлорид) и 1839 (полистирол). Ряд полимеров, возможно, был получен еще в первой половине 19 века. Но в те времена химики пытались подавить полимеризацию и поликонденсацию, которые вели к “осмолению” продуктов основной химической реакции, т.е. к образованию полимеров (полимеры и сейчас часто называют “смолами”)
В 1833 И.Берцелиусом для обозначения особого вида изомерии впервые был применен термин “полимерия”. В этой изомерии вещества (полимеры), имеющие одинаковый состав, обладали различной молекулярной массой, например этилен и бутилен, кислород и озон. Однако тот термина имел несколько другой смысл, чем современные представления о полимерах. “Истинные” синтетические полимеры к тому времени еще не были известны.
А.М.Бутлеров изучал связь между строением и относительной устойчивостью молекул, проявляющейся в реакциях полимеризации. После создания А.М.Бутлеровым теории химического строения возникла химия полимеров. Наука о полимерах получила свое развитие главным образом благодаря интенсивным поискам способов синтеза каучука. В этих исследованиях принимали участие учёные многих стран, такие как: Г.Бушарда, У.Тилден, немецкий учёный К Гарриес, И.Л.Кондаков, С.В.Лебедев и другие. Большую роль в развитии представлений о поликонденсации сыграли работы У.Карозерса
В 30-х годах было доказано существование свободнорадикального и ионного механизмов полимеризации
С начала 20-х годов 20 века Г.Штаудингер стал автором принципиально нового представления о полимерах как о веществах, состоящих из макромолекул, частиц необычайно большой молекулярной массы. До этого предполагалось, что такие биополимеры, как целлюлоза, крахмал, каучук, белки, а также некоторые синтетические полимеры, сходные с ними по свойствам (например, полиизопрен), состоят из малых молекул, обладающих необычной способностью ассоциировать в растворе в комплексы коллоидной природы благодаря нековалентным связям (теория “малых блоков”). Однако открытие Г.Штаудингера заставила рассматривать полимеры как качественно новый объект исследования химии и физики
Полимеры – это химические соединения с высокой молекулярной массой (от нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или ) координационных валентностей.
История изобретения различных полимерных материалов богата и разнообразна. Расскажем о самых ранних открытиях, а также о тех из термопластов, которые широко используются для производства тары и упаковки как для пищевой, так и для непищевой продукции.
Паркезин
Полученный полимер Паркс скромно назвал в свою честь — паркезином. В 1866 году он основал компанию по выпуску продукции из этого материала. Из паркезина изготавливались небольшие предметы быта и декоративные изделия. Но дело не пошло — на исходных материалах значительно экономили, стремясь покрыть издержки. В результате качество готового продукта оставляло желать лучшего. Спустя два года компания разорилась.
Справедливости ради нужно сказать, что Паркс был выдающимся ученым и изобретателем. На его счету множество открытий, он сыграл огромную роль в совершенствовании технологии гальванизации, изобрел технику холодного отверждения при вулканизации каучука и первым создал фтористую бронзу. Только с первым в мире пластиком, как сейчас говорят, что-то пошло не так.
Целлулоид
Тем не менее, спустя несколько лет патент на изобретение был выкуплен у Паркса американцем Джоном Хайатом. Изначальная цель Хайата была достаточно скромна — создать дешевый аналог бильярдных шаров, которые в 19 веке изготавливались исключительно из очень дорогой слоновой кости. А бильярд был крайне популярной игрой как в Старом Свете, так и в Америке.
Экспериментируя с нитратом целлюлозы и добавляя в него различные пластификаторы и наполнители (камфору и другие), Хайат создал и запатентовал в 1870 году целлулоид, который производится и поныне. Со временем из него стали изготавливаться не только шары для бильярда, но и огромное количество другой продукции — кино- и фотопленка, игрушки, шары для настольного тенниса, линейки, планшеты и многое другое.
ПВХ (винил, поливинилхлорид)
Впервые винил был использован в производстве обуви (каблуки) и шаров для гольфа. Уже в 50-е годы в США из него стали делать сегодня всем известные пластиковые окна. В настоящее время это второй в мире полимер по объемам выпуска, востребованный во многих отраслях.
В качестве пищевой упаковки и тары ПВХ и раньше использовался крайне редко. Сегодня он полностью запрещен для пищевого применения, поскольку в определенных условиях может выделять бисфенол, фталаты и другие токсичные вещества. В ряду минусов и неспособность материала к переработке — в силу той же токсичности.
Полиэтилен (РЕ)
Открытие и усовершенствование этого материала было многоэтапным. Собственно открыли его в 1935 году британцы Эрик Фоссет и Реджинальд Гибсон. Под огромным давлением в 1900 атмосфер и при температуре 170 градусов произошла реакция этилена и бензальдегида. Так был получен первый полиэтилен низкой плотности (он же полиэтилен высокого давления, ПЭВД/LPDE). В дальнейшем их опыты не сопровождались удачей, они были весьма небезопасны и их пришлось свернуть.
Эксперимент с положительным результатом повторил 2 года спустя их коллега по корпорации ICI Майкл Перрин, но и его последующие опыты не были безоговорочно успешны. Загадку наконец разгадал химик из Оксфордского университета Пол Хиншелвуд — именно он понял, что для полимеризации РЕ необходимо строго определенное количество кислорода. Почти сразу после успешных испытаний выпуск изделий из полиэтилена низкой плотности был налажен в промышленном масштабе.
Но. такой полиэтилен был достаточно легкоплавким и мягким и подходил далеко не для всех целей. Большей частью ПЭВД шел на производство изоляции для электропроводов. Настоящую революцию в работе с этим материалом совершил химик из Германии Карл Циглер — он изобрел специальные катализаторы, благодаря которым получил современный полиэтилен высокой плотности (то есть низкого давления - HDPE/ПЭНД) — твердый, плотный и прочный, при этом гибкий и эластичный материал, без которого, как это ни громко звучит, сегодня не обходится современный мир.
Сфер использования ПЭНД — множество. Среди них огромную долю занимает как пищевая, так и непищевая тара и упаковка. В ряду термопластов это один из наиболее химически стойких материалов, что напрямую сказывается на сохранности и безопасности содержимого такой упаковки. В ряду подобной продукции — пищевые контейнеры, одноразовая посуда, всевозможные флаконы для жидкой пищевой продукции, бытовой и профессиональной химии, косметики, медицинских препаратов, а также многочисленные канистры разного объема. В маркировке пластиков материал имеет индекс 2.
С этой аббревиатурой в первую очередь ассоциируются бутылки из прозрачного пластика — с минеральной водой, соками, газированными напитками. Сегодня ПЭТ, или полиэтилентерефталат — один из самых распространенных полиэфиров в мире.
Работы над его синтезом параллельно велись в разных странах еще с первой половины XX века. Отсюда — множество разных коммерческих названий, которые материал получил в той или иной стране. В их числе — полиэстер, терилен, тергал и другие. В России это был лавсан (от: лаборатории Института высокомолекулярных соединений Академии наук СССР, где полиэфир был открыт в 1949 году). Со временем общепринятой аббревиатурой стало ПЭТ (также ПЭТФ — в СССР и России). К слову, у нас он стал выпускаться в промышленных масштабах с 1960 года — после открытия завода в Курске.
Читайте также: