Перспективные химические процессы

 

Плазмохимические процессы

 

Плазмохимические процессы протекают в слабоионизированной, или низкотемпературной плазме, при температуре от 1000 до 10 000° С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием ионизированных и неионизированных частиц, столкновения которых приводят к очень высокой скорости химических реакций.

В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей между реагирующими частицами очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет около 10^-13 с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Такая скорость в обычных заводских реакторах из-за обратимости снижается в тысячи и миллионы раз, поэтому плазмохимические процессы высокопроизводительны.

Производительность метанового плазмохимического реактора – плазмотрона крохотных размеров (длиной 65см и диаметром 15см) – составляет 75т ацетилена в сутки. По производительности такой плазмотрон не уступает огромному заводу. В реакторе при температуре 3000–3500° С за одну десятитысячную долю секунды около 80% метана превращается в ацетилен. Степень использования энергии достигает 90– 95%, а энергозатраты составляют не более 3 кВт.ч на 1 кг ацетилена. В то же время в паровом реакторе пиролиза метана энергозатраты вдвое больше.

В последнее время разработан эффективный способ связывания атмосферного азота посредством плазмохимического синтеза оксида азота, который гораздо экономичнее традиционного аммиачного способа. Создана плазмохимическая технология производства мелкодисперсных порошков – основного сырья для бурно развивающейся порошковой металлургии. Разработаны плазмохимические методы синтеза карбидов, нитридов, карбонитридов таких металлов, как титан, цирконий, ванадий, ниобий и молибден, при сравнительно небольших энергозатратах – 1–2 кВт. ч на 1кг готовой продукции. Плазмохимические способы промышленного производства многих видов химической продукции отличаются высокой производительностью при сравнительно небольших затратах энергии.

В 70-х годах XX в. созданы плазмохимические сталеплавильные печи, производящие высококачественный металл. Именно таким печам принадлежит будущее электрометаллургии. В результате ионно-плазменной обработки можно сформировать, например, пористый рельеф на ровной поверхности (см. рис. 6.10). Ионно-плазменная обработка рабочей поверхности инструментов позволяет увеличить их износостойкость в несколько раз. В результате подобной обработки можно сформировать, например, пористый рельеф на ровной поверхности (см. рис. 6.10). Ионно-плазменное напыление в вакууме широко применяется для формирования элементов микронных размеров современных интегральных схем микроэлектроники.

 

 

Рис. 6.10. Подвергнутая ионно-плазменной обработке поверхность монокристаллической меди (увеличение в 3000 раз)

 

Методом плазменного напыления можно нанести пористое покрытие со сложной микроструктурой, которая способствует срастанию эндопротеза с костной тканью. Такие покрытия обладают большой удельной поверхностью. С их помощью можно увеличить эффективность катализатора для дожигания выхлопных газов автомобиля. Пористые покрытия, нанесенные на поверхность теплообменников, увеличивают коэффициент теплоотдачи, а пористые керамические покрытия служат надежной защитой от теплопотерь.

Плазмохимия позволяет синтезировать такие ранее неизвестные материалы, как металлобетон, в котором в качестве связующих материалов используются сталь, чугун, алюминий. Металлобетон образуется при сплавлении частиц горной породы с металлом и по прочности превосходит обычный бетон: на сжатие в 10 раз и на растяжение в 100 раз.

В нашей стране разработан плазмохимический способ превращения угля в жидкое топливо без применения высоких давлений и выброса золы и серы. Кроме основного химического продукта – синтез-газа, извлекаемого из органических соединений каменного или бурого угля, данный способ позволяет получить из его неорганических включений ценные соединения: технический кремний, карбосолилиций, ферросилиций, адсорбенты для очистки воды и т. п., – которые при других способах переработки угля выбрасываются в виде зольных отходов.

Таким образом, плазмохимические технологии, внедрившись в химическую промышленность сравнительно недавно, охватывают все больший круг различных отраслей современной промышленности.

 

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

 

Для производства многих тугоплавких и керамических материалов применяется технология порошковой металлургии, включающая операции прессования при высоком давлении и спекании полученной заготовки при относительно высокой температуре – 1200– 2000^о С. Однако данная технология довольно энергоемкая: создание высоких температур и давления требует больших энергозатрат. Гораздо проще и экономичнее предложенная сравнительно недавно технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, основанная на реакции горения одного металла в другом или металла в азоте, углероде, кремнии и т. п.

Процесс горения чаще всего представляется в виде взаимодействия кислорода с горючим веществом: углем, нефтепродуктами, древесиной и др. Обычно принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что с точки зрения окислительно-восстановительного процесса означает перераспределение электронов между атомами восстановителя–горючего тела и окислителя–кислорода. В таком смысле процесс горения возможен не только в кислороде, но и в других окислителях.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез – тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора или порошка циркония в порошке кремния.

В результате самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получено множество тугоплавких соединений высокого качества:

· карбиды металлов: TiC, ZrC, HfC, VC, NbC,

· Ta₂C, TaC;

· бориды: TiB, TiB₂, HfB₂,VB, V₃B₂, NiB;

· силициды: TiSi₃, ZrSi, ZrSi₂, MoSi₂;

· алюминиды: NiAl, CoAl;

· селениды: NbSe₂, MoSe₂, TaSe₂, WSe₂,.

Технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не требует громоздких процессов и печей и отличается высокой технологичностью. Данная технология легко поддается автоматизации. Промышленной установкой, производящей многотоннажную продукцию, может управлять всего лишь один оператор

 

Химические реакции при высоких давлениях

 

Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм – к химии сверхвысоких давлений. Идея активизации химических реакций при высоком давлении возникла сравнительно давно: еще с 1917г. аммиачное производство осуществлялось при давлении 300 атм и температуре 600° С. В последние десятилетия с развитием космической технологии и синтезом искусственного алмаза произошли существенные изменения в химии высоких и сверхвысоких давлений. Во многих опытно-промышленных установках достигается 5000 атм. Уже проводятся испытания при давлении выше 600 000 атм, которое возникает за счет ударной волны при взрыве в течение миллионной доли секунды. Ядерные взрывы сопровождаются еще более высоким давлением.

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, вследствие чего повышается химическая реакционная способность реагентов. При давлении 10²–10³ атм исчезает различие между жидкой и газовой, а при 10³–10⁵ атм– между твердой и жидкой фазами. При повышении давления до 10⁶ атм образуется металлическая связь. Более высокое давление приводит к образованию неупорядоченного конгломерата электронов и ядер, подобного плазме.

Высокое давление ведет к существенному изменению физических и химических свойств вещества. Например, сталь при давлении 12 000 атм становится ковкой и гибкой, а при 20 000 атм металл эластичен, как каучук. При давлении 400 000 атм элементная сера – диэлектрик при обычном давлении – приобретает электропроводящие свойства. Обычная вода при высоких температурах и давлениях становится химически активной, и растворимость солей в ней становится в 3–4 раза выше, чем при нормальных условиях.

С повышением давления многие вещества переходят в металлическое состояние. Таким необычным свойством обладает даже газообразный водород – его металлическое состояние наблюдалось в 1973 г. при давлении 2,8 млн. атм. Металлический водород уже при 100 К переходит в сверхпроводящее состояние. С применением твердого водорода в качестве ракетного топлива полезный груз ракеты увеличивается с 10 до 60%.

 

Синтез алмазов

 

Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений – синтез алмазов. Искусственные алмазы были синтезированы в 1954 г. (после длительной, пятидесятилетней поисковой работы) почти одновременно в США и Швеции. Синтез осуществлялся при давлении 50 000 атм и температуре 2000°С. Первые искусственные алмазы стоили в 30 раз дороже природных, но уже к началу 60-х годов их стоимость существенно снизилась. В последние десятилетия ежегодно производятся тонны синтетических алмазов, по своим свойствам незначительно отличающихся от природных. Различия между синтетическими и природными алмазами можно определить только с помощью точных физических приборов. Доля искусственных алмазов на мировом рынке превышает 75%, от объема всей алмазной продукции.

В недалеком прошлом по производству и потреблению алмазов первое место в мире занимал бывший СССР. Более 8000 предприятий в нашей стране пользовались алмазным инструментом, причем советская промышленность производила более 2500 видов таких инструментов – от крошечных волочильных устройств до громадных режущих дисков для крупных каменных блоков.

Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления (рис. 6.11). Катализатором при таком превращении служат различные вещества: металлический никель, сложные смеси железа, никеля и хрома, смеси карбида железа Fe₃C с графитом. Кристаллизация алмазов происходит при давлении 50 000–60 000 атм и температуре 1400–1600° С. Алмазы можно синтезировать и с применением ударных волн.

Обычно в реакторах высокого давления синтезируются алмазные кристаллы размером не более 1 мм. Такие мелкие камни вполне пригодны для промышленных целей, но из них трудно изготовить украшения. Сравнительно недавно разработана новая технология, позволяющая выращивать кристаллы алмаза размером до 6мм. По такой технологии небольшие кристаллы алмаза вначале растворяют в расплавленном катализаторе и затем в более холодные области расплава помещают в качестве затравки крошечные алмазинки. Процесс кристаллизации алмазов при этом длится несколько суток при давлении 55 000–60 000 атм и температуре 1400–1500° С. Данная технология позволяет выращивать монокристаллы алмаза относительно крупных размеров и высокого качества. Синтез алмазов, которые можно было бы превратить в крупные бриллианты так сложен и дорог, что синтезированные бриллианты не могут конкурировать с природными: кристалл искусственного алмаза массой 50–60 г (250– 300 карат) стоит столько же, сколько 1 т золота.

Искусственные алмазы применяют преимущественно для промышленных целей. Алмазные порошки и пасты, режущее и буровое оборудование с алмазными кристаллами оказались незаменимыми во многих отраслях промышленности. Алмазная технология позволяет повысить производительность труда на 30–50, а в некоторых случаях и на 100%. Искусственные алмазы находят применение при изготовлении часов, прецизионных приборов. Ими режут и обрабатывают твердые металлы, керамику, стекло и т. д. С их помощью изготовляют тончайшую проволоку.

Синтезирована особая разновидность черных алмазов, называемая карбонадо, которая тверже алмазов, встречающихся в природе. Карбонадо синтезирован методом порошковой металлургии – путем спекания обычного алмазного порошка при давлении 30–80 тыс. атм и температуре 1000° С. Карбонадо позволяет обрабатывать сами алмазы, из него изготавливаются сверхтвердые буровые коронки.

По своей структуре алмаз отличается от графита более плотной упаковкой атомов углерода в кристалле (рис. 6.11). В 1985 г. была синтезирована новая разновидность многоатомных молекул углерода в виде шаров и состоящая из очень большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Самой устойчивой оказалась молекула С₆₀, названная фуллероном (рис.6.12). За открытие новой формы многоатомных молекул углерода – фуллеронов – английскому ученому Гарольду Крото и двум его американским коллегам – Роберту Керлу и Ричарду Смелли присуждена Нобелевская премия по химии в 1996 г. К этому открытию привели многолетние работы по расшифровке спектральных линий поглощения межзвездного вещества. Было ясно, что они связаны с углеродом, но в какой форме объединяются атомы углерода – долго оставалось загадкой. И только в результате моделирования в лабораторных условиях так называемой углеродной звезды удалось синтезировать молекулы углерода в виде шаров.

 

 

Рис. 6.11. Синтез алмаза

 

 

Рис. 6.12. Структура молекулы фуллерона

 

Фуллероны имеют исключительно высокую удельную емкость по водороду. В результате реакции присоединения водорода по ненасыщенным двойным связям углерода при высоких давлениях и температуре можно осуществить модификацию фуллеронов, что представляет практический интерес при создании перспективных аккумуляторов водорода.

Дальнейшие работы привели к созданию не только сферических молекул, но и эллипсоидальных (барелленов), трубчатых (тубеленов) и молекул других конфигураций. Из таких молекул можно создавать материалы невиданной прочности, элементы компьютеров XXI в., получать сита, способные разделять отдельные атомы по размерам.

Несмотря на рост производства искусственных алмазов и их широкое применение, обычные твердые материалы в виде различных карбидов металлов не утратили своей практической значимости. Хотя карбиды металлов менее тверды, чем алмазы, зато они более термостойки.

Сравнительно недавно из нитрида бора синтезирован материал, который тверже алмаза. При давлении 100 000 атм и температуре 2000° С нитрид бора превращается в боразон – материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень высоких температурах.

К настоящему времени налажено промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.

 

Синтетические материалы

 

Общие сведения

 

Материалы – это вещества из которых изготавливается различная продукция: изделия и устройства, машины и самолеты, мосты и здания, космические аппараты и микроэлектронные схемы, ускорители заряженных частиц и атомные реакторы, одежда, обувь и многое другое. Для каждого вида продукции нужны свои материалы с вполне определенными характеристиками. К свойствам материалов всегда предъявлялись и предъявляются высокие требования. Хотя современные технологии и позволяют производить множество разнообразных высококачественных материалов, однако проблема создания новых материалов с лучшими свойствами остается актуальной и по сей день.

При поиске нового материала с заданными свойствами важно установить его состав и структуру, а также обеспечить условия для управления ими. Результат поиска во многом зависит от чувствительности и разрешающей способности приборов, с помощью которых определяются состав и структура синтезируемого материала. Такие приборы создаются на основе только самых последних достижений естествознания и прежде всего физики. При обработке материала и изготовлении окончательной продукции, необходимой для потребления, не менее важны инженерно-технические достижения, позволяющие производить продукцию высокого качества.

В последние десятилетия синтезированы материалы, обладающие удивительными свойствами, например, материалы тепловых экранов для космических аппаратов, высокотемпературные сверхпроводники и т. п. Вряд ли можно перечислить все виды современных материалов. С течение времени их число постоянно возрастает. В глубокой древности наиболее широко применялся преимущественно один вид материала – камень, из которого изготавливались топоры, наконечники для стрел. В камне выдалбливались пещеры для жилья. Следующий важный шаг был сделан несколько тысячелетий назад, когда удалось из оксида железа получить металлическое железо. Появились металлические изделия в виде оружия, предметов быта, несложных приспособлений для обработки земли. И вот заканчивается второе тысячелетие от рождества Христова. Железо как материал по объему производства начинает уступать другим материалам полимерам. С 1980 г., например, в США их производят больше, чем железа. Разнообразная одежда из полиэфира, полиэтиленовая посуда, ковры из полипропилена, мебель из полистирола, шины из полиизопрена и т. п.– все это примеры чрезвычайно большого многообразия применений полимеров. Многие конструкционные элементы современных самолетов изготовлены из композиционных полимерных материалов. Один из таких материалов – кевлар – по важному показателю – отношению прочность/масса – превосходит многие материалы, в том числе и самую высококачественную сталь.

В последние десятилетия активно обсуждается вопрос об изготовлении автомобиля полностью из полимерных материалов, которые помогут уменьшить его массу и тем самым экономнее расходовать топливо.

К современным материалам относятся и древесина, и стекло, и силикаты, каждый из которых обычно считают традиционным материалом. Древесина служит не только строительным материалом, но и сырьем для производства ценной многообразной продукции. Стекло – материал не новый, но перспективный: в последнем десятилетии изготовлены стекла с удивительными свойствами. Силикатные материалы до сих пор составляют основу строительной индустрии.

 

Современные пластмассы

 

Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера, пластмассы могут содержать наполнители, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты. Иногда употребляются другие названия пластмасс – пластики, пластические массы.

Пластмассы различаются по эксплуатационным свойствам (например, антифрикционные, атмосферо-, термо- или огнестойкие), виду наполнителя (стеклопластики, графитопласты и др.), а также по типу полимера (аминопласты, белковые пластики и т. п.). В зависимости от характера превращений, происходящих в полимере при формовании изделий, пластмассы подразделяются на термопласты (важнейшие из них создаются на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола) и реактопласты (наиболее крупнотоннажный вид из них – фенопласты). Основные методы переработки термопластов – литье под давлением, вакуумформование, пневмоформование и др. Реактопласты формуются прессованием и литьем под давлением.

К настоящему времени налажено массовое промышленное производство различных видов пластмасс.

И пластмассы вполне можно отнести к традиционным материалам, хотя поиск пластмасс с новыми свойствами продолжается.

Прошло более ста лет с момента появления на свет первого органического материала – целлулоида. Сегодня многообразие синтетических веществ настолько велико, что вряд ли возможно их перечислить. Когда идет речь об искусственных материалах, многие имеют в виду прежде всего пластмассы – вещества, созданные в искусственных условиях. В 1980 г. американские ученые впервые обнаружили природную полиэфирную пластмассу в гнездах пчел, живущих в земле.

Массовое производство пластмасс началось во второй половине нашего века. В 1900г. мировое производство пластмасс составило около 20 тыс. т, а в 1970 г. – уже 38 млн. т. Предполагается, что к концу тысячелетия объем производства пластмасс достигнет уровня выпуска стали и составит сотни млн. т в год.

Часто к одному и тому же материалу предъявляются взаимоисключающие требования. Например, материал для зимней одежды должен обладать хорошим теплоизолирующим свойством и эластичностью, но в то же время быть прочным. Строителей интересуют материалы с хорошими тепло- и звукоизоляционными, прочностными и другими свойствами. Всем перечисленным требованиям среди множества материалов в наибольшей степени удовлетворяют искусственные органические соединения – полимеры.

Полимеры построены из макромолекул, состоящих из многочисленных малых основных молекул – мономеров. Процесс их образования зависит от многих факторов, вариации и комбинации которых позволяют получить огромное множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами. Основные процессы образования макромолекул – полимеризация и поликонденсация.

Около 2/3 всего мирового производства полимеров составляют материалы массового промышленного потребления: полиэтилен, политетрафторэтилен, поливинилхлорид, полипропилен и др. Области применения данных полимеров весьма разнообразны – от текстильной промышленности до микроэлектроники. Стоимость их сравнительно невысокая. К остальной части полимерных материалов, составляющей 1/3, относятся полиэфирные смолы, полиуретан, аминопласты, фенопласты, поликрилаты, полиформальдегид, поликарбонаты, фторополимеры, силиконы, полиамиды, эпоксидные смолы и другие виды полимеров.

Изменяя структуру молекул и их разнообразные комбинации, можно синтезировать пластмассы с заданными свойствами. Примером может служить АБС-полимер. В его состав входят три основных мономера: акрилонитрил (А), бутадиен (Б) и стирол (С). Первый из них обеспечивает химическую устойчивость, второй – сопротивление удару и третий – твердость и легкость термопластической обработки. Основное назначение данных полимеров – замена металлов в различных конструкциях.

Термопласты обратимо твердеют и размягчаются, поэтому из них легко формуются изделия разной конфигурации. Искусственные органические вещества, которые не размягчаются при нагревании, называются термореактивными пластмассами или реактопластами. Это фенольные, карбомидные и полиэфирные смолы. Чаще всего в исходном состоянии они представляют собой жидкости, которые при добавлении катализатора или нагревании необратимо затвердевают.

Наиболее перспективными материалами с высокой термостойкостью оказались ароматические и гетероароматические структуры с прочным бензольным кольцом: полифениленсульфид, ароматические полиамиды, фторполимеры и др. Данные материалы можно эксплуатировать при температуре 200–400°С. Раньше такими термостойкими свойствами обладали только неорганические вещества. Разработанные специально для сверхзвуковых самолетов полиимидные пластмассы могут выдерживать температуру до 465°С в течение 30 мин. Главные потребители термостойких пластмасс – авиационная и ракетная техника. Такие пластмассы также находят применение и в автомобиле- и станкостроении, в электротехнике (например, для изоляции проволоки в электродвигателях) и т. п.

С каждым днем растет доля полимерных материалов в строительной индустрии. Пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля, теплоизоляционные и другие искусственные материалы применяются все чаще в современном строительстве.

Все большую долю материалов составляют разнообразные виды пластмасс для изготовления деталей автомобиля, первенец которого – самодвижущаяся повозка – появился в 1886 г. на улицах Маннгеймера.

За более чем столетнюю историю развития автомобилестроения применялось множество материалов, производимых химической промышленностью, среди которых пластмассы постепенно вытесняли и продолжают вытеснять металл. Так, в 1965 г. на один легковой автомобиль приходилось в среднем 15 кг пластмасс, в 1970 – 25–45 кг. Предполагается, что в ближайшем десятилетии на изготовление одного легкового автомобиля потребуются сотни килограммов пластмассовых материалов, среди которых будут преобладать полиэтилен, поливинилхлорид, АБС-полимеры, полипропилен и др.

Уже производятся легковые автомобили с полностью пластмассовым кузовом. Изготовить весь автомобиль и особенно его двигатель из пластмасс пока не удается. Тем не менее в 1980г. американская фирма демонстрировала автомобильный двигатель из термостойкого пластика, в котором лишь коленчатый вал и поршневые кольца выполнены из металла. Масса данного двигателя оказалась в 2 раза меньше, чем металлического, и потреблял он горючего примерно на 15% меньше, чем обычный. Изготавливаются, кроме того, автомобили с ведущим валом и рессорами из полимерных материалов. В последнее время ведутся работы по массовому внедрению керамических двигателей.

 

Эластомеры

 

К полимерным материалам относится и каучук. Многочисленные изделия из данного материала, в том числе и широко распространенная резина, обладают отличительным свойством – эластичностью. Такое свойство объединяет многие эластичные материалы в одну группу эластомеров. Долгое время был известен только один эластичный материал – природный каучук. Он еще и до сих пор добывается из каучукового дерева – бразильской гевеи – таким же способом, как и смола в хвойных лесах, т. е. путем подсечки.

Химия завладела каучуком еще в первой половине XIX в. – в 1841 г., когда американский изобретатель Гудьир предложил способ вулканизации. Хрупкий при низкой температуре и липкий при нагревании сырой каучук при вулканизации переходит в эластичное состояние. При этом его макромолекулярные цепи образуют сетчатую структуру, соединяясь мостиками из атомов серы.

Статистика мирового производства каучука начинается с 1850 г., когда его было добыто около 1500 т. В 1900 г. бразильские леса давали уже 53 900 т каучука. В том же году появился каучук из деревьев, выращенных на плантациях. В последние годы большая часть натурального каучука добывается на крупных плантациях Индокитая. В 1970 г. потребление каучука в мире составило 7,8 млн. т, доля натурального каучука в котором составила около 38%.

Натуральный каучук имеет сравнительно невысокую термостойкость, не отличается высокой маслостойкостью и подвержен старению. Современные методы синтеза позволяют получить синтетический каучук с заданными свойствами. К настоящему времени разработано более 10 видов синтетических каучуков и не менее 500 их различных модификаций. Превосходным качеством отличается силиконовый каучук. Он менее эластичен, чем натуральный каучук, но его свойства в интервале температур от -55 до 180° С очень мало зависят от температуры, и к тому же он физиологически безвреден. Гомогенные и ячеистые полиуретановые эластомеры проявляют отличную износостойкость, высокую химическую стойкость и не подвергаются быстрому старению.

Сфера применения эластомеров весьма разнообразная – от машиностроения до обувной промышленности, но все же значительная их доля идет на изготовление шин, потребность в которых с ростом потока автомобилей постоянно возрастает.

Производя синтетические каучуки, химическая промышленность восполняет дефицит природного сырья – каучука. Точно так же производство синтетической кожи сохраняет сырье животного происхождения. По своим свойствам и качеству многие разновидности современной синтетической кожи мало чем отличаются от натуральной кожи высшего качества.

 

Синтетические ткани

 

Внедрение химических технологий в текстильную промышленность началось сравнительно давно – около 200 лет назад, когда с помощью соды и хлорной извести удалось существенно улучшить процессы стирки и отбеливания. Например, с применением хлорной извести продолжительность отбеливания хлопковой ткани сократилась с трех месяцев (при луговой отбелке) до шести часов. Во второй половине XIX в. широко внедрялись синтетические органические красители тканей. С начала XX в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. К настоящему времени многообразные искусственные волокна изготавливаются в основном из четырех видов химических материалов: целлюлозы (вискозы), полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние 50–60 лет.

На практике широко применяются химическое облагораживание и отделка тканей. Разработаны технологии химической обработки шерсти для обеспечения устойчивости против моли. Найдены способы, позволяющие уменьшить усадку материала, и придающие ему качества несминаемости. Уделяется большое внимание разработке эффективных способов обработки материалов для обеспечения антистатических, антимикробных, грязеотталкивающих и других важных свойств.

Около 50% основных текстильных изделий способны сгорать при нормальных условиях. Снизить горючесть волокон можно двумя путями; специальной обработкой волокон и созданием новых волокнистых жаростойких полимеров. К наиболее перспективным жаростойким полимерам можно отнести ароматические и гетероароматические соединения, длительное время выдерживающие температуру 250–300° С. Содержащие графит волокнистые материалы не теряют своих качеств даже при 1000–2000° С. Разработанные полиэфирные волокна путем включения атомов титана при сохранении механической прочности и гибкости могут противостоять нагреванию до 1200° С.

Среди всех выпускаемых в 70-е годы материалов доля искусственных тканей для одежды составляла около 50%, для товаров домашнего обихода – примерно 25% и столько же для технических целей. Налажено массовое производство высокопрочных кордовых нитей из полиамидов, полиэфиров и вискозы для шинной промышленности.

Объем производства синтетических материалов для изготовления одежды определяется потребительским спросом, в котором за последние годы наметилась тенденция к снижению. Такая тенденция вполне оправдана, ибо синтетические волокна не обладают всем комплексом свойств, присущих естественным волокнам. И одна из важнейших задач химиков – приблизить по свойствам и качеству искусственные материалы к естественным.

Новое поколение тканей, над которыми сегодня работают специалисты, может перестроить наше представление об одежде и ее функциях. Такие ткани сотканы из волокон, которые их изобретатели называют «интеллигентными». За столь обязывающим определением скрываются материалы, обладающие полезными для человека свойствами. При холоде они греют, при жаре – охлаждают, удаляют пот и отвечают другим нуждам кожи. Уже имеются в продаже легкие ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей. Есть также ткани, пропускающие ультрафиолетовые лучи.

Американский концерн «Дюпон» первое чисто синтетическое волокно – нейлон – выпустил более 60 лет назад. Затем появились акрил, полиамид, полиэстр и другие волокна, родившиеся в лабораторных ретортах. Однако потребители сравнительно быстро оценили как достоинства, так и недостатки синтетических тканей той поры. Рубашка, не нуждающаяся в утюге, вместе с тем летом не давала дышать телу, а зимойнесогревала. Эйфория, поднятая первыми синтетическими изделиями, закончилась в основном мусорным ящиком, а не шкафом для одежды.

Немало времени прошло, прежде чем удалось понять и преодолеть границу между природными и синтетическими волокнами. Теперь химия легко воспроизводит лучшие свойства льна, хлопка, шерсти, а естественные материалы давно уже стали предметом многократной химической обработки, придающей, например, хлопку упругость или делающей льняную ткань не столь мнущейся.

Новшества сегодняшнего дня затронули геометрию волокон. Изготовители текстильного сырья стремятся сделать нити возможно тоньше. Тончайшие синтетические нити ткани хорошо видны на фотографии, сделанной под микроскопом (см. рис. 6.13).

 

 

Рис. 6.13. Структура ткани из синтетических нитей

 

Излюбленный материал сегодняшних модельеров – эластик удобен не только в спортивной одежде, но и в повседневных костюмах. Уже существует ткань, в основе которой размещены мельчайшие стеклянные шарики, отражающие свет; одежда из такой материи – хорошая защита для тех, кто ночью находится на улице, например, для регулировщиков автотранспортного движения.

Одна из разновидностей синтетика – кевлар в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь, и используется для изготавления пуленепробиваемых курток.

Весьма оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта, которая способна уберечь его за пределами атмосферы от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды в миллионах микроскопических капсул, встроенных в ткань или в пенопластмассу (см. рис. 6.14).

 

 

Рис. 6.14. Синтетическая ткань с микрокапсулами

 

Капсулы содержат парафины. При нагревании они плавятся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом. В конечном счете костюм из подобной ткани становится преградой на пути солнечных лучей к телу человека. Решая обратную задачу – охлаждение, те же парафиновые шарики начинают отвердевать под действием холода, пришедшего снаружи; застывание сопровождается выделением тепла, которое согревает ткань и тело космонавта.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: