Век пластмасс

Пятьдесят лет назад Нобелевскую премию по химии получили учёные, открывшие двери прогрессу

Сегодня в мире ежегодно производится в разы больше (260 млн. тонн) различных видов пластмасс, нежели алюминия, цинка, меди и прочих цветных металлов вместе взятых. При этом примерно половина из этой четверти миллиарда приходится на полиэтилен (ПЭ) и его ближайшего «родственника» – полипропилен (ПП), что делает их самым распространенным пластиком на земле.
Большинству из нас данные полимеры знакомы по фирменным пакетам супермаркетов и предметам ширпотреба, хотя этим, конечно, область их применения не ограничивается. Помимо неплохих физико-химических свойств и легкости механической обработки, в полиэтилене/полипропилене промышленность привлекает не в последнюю очередь простота и дешевизна получения.
Меж тем так было не всегда. По-настоящему масштабное, крупнотоннажное производство полиэтилена и полипропилена стало возможным лишь в середине ХХ века с появлением так называемых катализаторов Циглера-Натта.
О том, как из лабораторной диковинки ПЭ и ПП превратились в неотъемлемую часть нашей жизни, читайте сегодня в «Открытой».

Первые шаги
Немецкий химик Ганс фон Пехман (1850-1902) был первым, кто синтезировал полиэтилен (1898). Однако следующие тридцать с лишним лет это белое воскоподобное вещество пребывало в забвении, пока в 1933-м его не открыли заново ученые британской компании «Империал Кемикал Индастриз».
Им понадобилось два года, чтобы разработать промышленный метод получения данного полимера в условиях высокого давления и температуры (2000 атм., 2000С). И хотя получаемый таким образом пластик был относительно дорогим, а его механические свойства весьма посредственными, доступ страны к полиэтилену, по мнению историков, сыграл важную роль в положительном исходе «битвы за Британию» – масштабном сражении королевских ВВС с немецким люфтваффе летом-осенью 1940 года.
Благодаря своим отличным диэлектрическим (электроизоляционным) характеристикам полиэтилен оказался незаменимым при производстве высокочастотных коаксиальных (соосных) кабелей – важной составной части радиолокационных установок.
Сеть последних, построенная англичанами в годы Второй мировой войны, а также создание компактного самолетного радара и оснащение им своей авиации дали военно-воздушным силам Великобритании явное преимущество над противником.

Пластик – навсегда
Как известно, твердый полиэтилен получается в ходе реакции полимеризации из газообразного этилена. Молекулы последнего, крошечные по меркам органической химии, объединяются в длинные цепочечные структуры – макромолекулы. В зависимости от внешних условий, те, в свою очередь, могут состоять как из нескольких сотен, так и десятков и даже сотен тысяч «звеньев» (молекул этилена).
Именно это, а также то, насколько плотно «упакованы» (прилегают друг к другу) данные цепи, определяет физико-механические свойства синтезированного полимера. Существование полиэтилена различных марок есть прямое следствие такой разницы в свойствах.
Ранее мы упоминали, что англичане «заставили» соединяться отдельные молекулы этилена в цепочки, используя высокие давление и температуру. Получаемый подобным образом пластик (так называемый полиэтилен высокого давления) состоит из относительно коротких макромолекул и, как следствие, обладает малой механической прочностью, легко деформируясь при внешних воздействиях.
Исправить ситуацию здесь удалось благодаря работам немецкого химика Карла Циглера (1898-1973) и его итальянского коллеги Джулио Натта (1903-1979). В 1953-1954 годах они сообщили об открытии металлоорганических каталитических систем (от греч. katalusis – облегчать, растворять), в присутствии которых реакция полимеризации протекает при комнатной температуре и атмосферном давлении.
Иначе говоря, вместо дорогостоящих стальных автоклавов синтезировать ПЭ и ПП стало возможным в обычной колбе, просто пробулькивая исходные этилен или пропилен через раствор катализатора (обычно смесь солей алюминия и титана). Образующийся полимерный продукт здесь просто выпадает в виде осадка и может быть легко собран.
Благодаря этому открытию ученые разных стран разработали впоследствии множество других подобных систем, называемых обычно катализаторами Циглера-Натта. Это, а также внедрение новых технологий синтеза полимеров (в газовой фазе, в псевдоожиженном слое и т.д.) привели к тому, что сегодня промышленное получение полиэтилена/полипропилена является дешевым, чрезвычайно эффективным процессом, дающим минимум побочных продуктов и вредных отходов.
И что еще важнее, синтезируемые таким образом пластмассы (так называемого низкого давления) обладают превосходными механическими свойствами.
Значимость и потенциал открытия Карла Циглера и Джулио Натта быстро признало и оценило по достоинству международное научное сообщество. В 1963 году оно наградило немецкого и итальянского ученых Нобелевской премией в области химии за «вклад в изучение свойств и методов получения высших полимеров».

Крепче стали
Привыкшие ассоциировать полиэтилен с пакетами из магазина и дешевой пластмассовой всячиной, трудно представить, скажем, корабельные якорные цепи или броневую обшивку боевых десантных машин, изготовленные из этого пластика. Меж тем никакой выдумки здесь нет.
Речь идет об известном с конца 1950-х годов так называемом сверхвысокомолекулярном полиэтилене (СВМПЭ). В отличие от «обычного» ПЭ, макромолекулы которого состоят из 2-20 тыс. мономерных звеньев, каждая «цепь» сверхвысокомолекулярного полиэтилена образована 100-250 тыс. молекул этилена.
Кроме того, что особенно важно, эти молекулярные «суперцепи» не скручены как попало, а плотно прилегают друг к другу на всем своем протяжении.
Следствием подобного компактного «внутреннего устройства» являются без преувеличения уникальные свойства СВМПЭ – инертность по отношению к ультрафиолету и практически всем видам химикатов, низкий, сравнимый с тефлоном, коэффициент трения при скольжении, превосходная абразийная устойчивость, а самое главное – потрясающие физико-механические характеристики (износостойкость, ударная вязкость, предел ползучести и т.д.).
Так, при одинаковой массе изделие из сверхвысокомолекулярного полиэтилена будет прочнее стального в 7-15 раз, а кевларового – в половину. Обеспечивающие равную защиту бронеплиты из СВМПЭ будут весить вдвое-втрое меньше стальных или керамических.
Неудивительно, что военные сегодня все чаще отдают предпочтение пластику, а не старому доброму железу, будь то строительство фрегатов или ударных вертолетов.
А в конце 1970-х годов ученые голландской компании DSM нашли способ изготавливать прядильное волокно, сохраняющее все свойства СВМПЭ: прочность на разрыв, водостойкость и т.д. Известные сегодня под торговой маркой «Дайнима» (Dyneema), нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена широко применяются при изготовлении бронежилетов и парашютных строп, якорных канатов и альпинистского снаряжения.
Даже компания «Ливайс» (Levi’s), известный американский производитель джинсов, не удержалась и включила в свой каталог две модели, усиленные 4% волокон «Дайнима».
По данным производителя, этого оказалось достаточно, чтобы увеличить в два с половиной раза стойкость к истиранию классической хлопковой джинсовой ткани.

Александр ЛЕОНТЬЕВ