Основные этапы развития химии и технологии полимеров

В 1878 г. русский химик А.А. Кракау открыл способность полимеризации непредельных соединений под действием щелочных металлов.

В 1884 г английский химик  У. Тилден доказал, что получал изопрен при термическом разложении скипидара, он же установил состав и строение изопрена, высказал мысль о том, что склонность изопрена к полимеризации может быть использована для получения синтетического каучука. В 1870-е гг. французский химик Г. Бушарда выделил из продуктов термического разложения каучука изопрен, действием на него высокой температуры и соляной кислоты он получил каучукообразный продукт.

В 1901-1905 гг. В. Н. Ипатьев синтезировал бутадиен из этилового спирта при  высоких 400-500 атм давлениях. Он же сумел первым в 1913 г. заполимеризовать этилен, что не удавалось до этого никому из исследователей.

В 1908 г. М.К. Кучеров получил  натрий-изопреновый каучук (результат опубликовал в 1913 г.).

В 1909 г. С.В. Лебедев впервые  продемонстрировал каучук, полученный из дивинила.

Еще в 1899 г И. Л. Кондаков разработал метод получения диметилбутадиена и доказал, что последний способен превращаться в каучукоподобное вещество под воздействием света, а также некоторых реагентов, например натрия. На основе работ Кондакова в Германии в 1916 г. Фриц Гофман организовал производство т.н. метилкаучука: твёрдого ("Н") и мягкого ("W") синтетического каучука.

В 1910 г Карл Дитрих Гарриес запатентовал способ полимеризации изопрена под воздействием металлического натрия. Он же в 1902 г. разработал метод озонирования каучука и этим методом установил строение различных видов каучуков.

В 1911 г. И. И. Остромысленский  получил бутадиен из ацетальдегида. В 1915 г. Бызов Б. В. получил патент на получение бутадиена пиролизом нефти.

 

 История создания  и развития технологии синтетического  полимеров.

Начиная еще со второй половины XIX века, усилия многих химиков разных стран были направлены на изучение способов получения мономеров и  способов их полимеризации в каучукообразные соединения. В 1911 г И. И. Остромысленский предложил получение бутадиена из спирта в три стадии с выходом 12%. В России эта работа была оценена очень высоко. Дело в том, что российские химики в противовес западным химикам стремились получить синтетический каучук из бутадиена, а не изопрена. Возможно, что именно благодаря этому и наличию в России большой спиртовой базы, в России стало возможно создание технической базы по производству синтетического каучука.

В 1926 г. ВСНХ СССР объявил  конкурс на разработку технологии получения  синтетического каучука, в соответствии с условиями которого 1 января 1928 г. необходимо было представить описание процесса и не менее 2 кг каучука полученного по этому способу. Наиболее разработанными оказались проекты Лебедева С. В. и Бызова Б.В. И в той, и в другой проектных работах предусматривалось получение синтетического каучука из бутадиена. Лебедев предлагал получение бутадиена из спирта в одну стадию на разработанном им катализаторе, обладающим дегидрирующими и дегитратирующими свойствами. Бызов предлагал получение бутадиена из углеводородов нефти. Несмотря на большие достижения российских и советских химиков в области переработки нефти, сырьевой базы для производства бутадиена по методу Бызова не было. Поэтому в январе 1931 года Совет труда и обороны принял решение построить три больших однотипных завода СК по методу Лебедева. Был создан Ленинградский опытный завод «Литер Б» (ныне ВНИИСК) на котором в 1931 году была получена первая партия дивинильного каучука. В 1932-1933 гг. заработали заводы СК в Ярославле, Воронеже, Ефремове, Казани.

В 1941 г. был пущен завод  хлоропренового каучука в Ереване.

В 1935 г. наступила новая  эра в производстве синтетических каучуков — их стали делать из сополимеров, получаемых радикальной полимеризацией 1,3-бутадиена в присутствии стирола, акрилонитрила и других соединений. В 1938 было организовано промышленное производство бутадиен-стирольных каучуков в Германии, в 1942 — крупное производство синтетического каучука в США.

Здесь следует отметить, что после 1945 г. наметился постепенный  отход от получения бутадиена  из пищевого спирта с постепенным  переходом к получению мономеров  из нефти.

Каучуки на основе бутадиена  и его сополимеров, решив основную задачу по налаживанию производства покрышек, камер и других изделий  все же не обеспечивали того уровня эксплуатационных свойств, которые  характерны для изделий из натурального каучука. Поэтому поиск путей  выхода на полимеры на основе изопрена не прекращался. В СССР в этой области  следует отметить исследования Ставицкого и Ракитянского по изучению полимеризации изопрена в присутствии лития, натрия и их органических производных. Полученные полимеры превосходили по своим эластическим свойствам и прочностью при растяжении дивинильному каучуку, но все же уступали по показателям натуральному каучуку.

В 1948 г. Коротков установил, что физико-механические свойства полимера улучшаются с увеличением содержания звеньев присоединения в положения  цис-1,4, наибольшее количество цис-звеньев образуется в присутствии литийорганических соединений.

В 1955 г. К. Циглер открыл новые каталитические системы, ведущие процесс полимеризации по ионному механизму с получением полимерных материалов, подобных тем, которые получены в присутствии лития. В дальнейшем эти исследования были углублены в Италии в лаборатории Джулио Натта.

Отечественный промышленный полиизопрен, полученный на литиевых катализаторах, был назван СКИ, а полученный в  присутствии каталитических систем Циглера-Натта был известен под аббревиатурой СКИ-3.

В 1956 г. был предложен метод  получения стереорегулярных полибутадиеновых каучуков (СКД), которые по морозостойкости, устойчивости к истиранию превосходили резины, полученные из натурального каучука и СКИ-3.

Были получены полимеры на основе двойных сополимеров этилена  и пропилена – СКЭПы (1955-1957). В этих каучуках отсутствуют двойные связи в структуре полимера, по этой причеине резины на их основе оказываются очень устойчивыми в агрессивных средах, вдобавок они прочны на истирание.

В 1960-е гг. был освоен промышленный выпуск каучуков СКД и СКИ-3 в Стерлитамаке, Тольятти, Волжске. В целом все  эти предприятия использовали в  качестве исходного сырья мономеры, полученные уже из нефти, а не из спирта.

Сополимеры бутадиена  и изопрена начали быстро вытеснять натуральный каучук в производстве автомобильных шин. Так, если в 1950 доля К. с. в общем объёме производства натурального и синтетического каучуков составляла около 22%, в 1960 около 48%, то к 1971 она возросла до ~60% (5 млн. т синтетического и 3 млн. т натурального каучука), в 1985 г. в мире было произведено 12 млн т синтетического каучука и только 4 млн т натурального. К началу 1970-х гг. сложилось мнение, что синтетические каучуки вытеснят натуральные. Однако в результате нефтяного эмбарго в 1973 г. цены на нефть резко возрасли и одновременно в Малайзии были достигнуты большие успехи в производстве натурального каучука, позволявшие резко снизить его цену. И по сей день избавиться от натурального каучука в шинной промышленности не удается. Так, Японии, не имеющей собственных природных запасов нефти, выгоднее закупать натуральный каучук в Малайзии и Индонезии. России же, располагающей большими запасами нефти, ни в коем случае не следует пренебрегать имеющимися технологиями и мощностями по производству синтетического каучука.

Напряженные разработки в  области технологии СК в СССР и  Германии до Второй мировой войны  объснялись тем, что указанные страны понимали, что в случае войны они будут отрезаны от поставок натурального каучука. США подходило к вопросу по-другому. США стремилось создать у себя стратегический запас натурального каучука. Как показала жизнь, запасов оказалось недостаточно, когда Япония вторглась в 1941 г. в Юго-Восточную Азию. Из уже написанного ясно, что каучук играл важную роль в мировой политике.

Фенолформальдегидные  смолы.

Первый в мире процесс  промышленного производства полностью  синтетического полимера был запатентован Л. Бакеландом в 1907 г. Л. Бакеланд запатентовал т.н. бакелитовую смолу – продукт конденсации фенола и формальдегида, превращающийся при нагревании в трехмерный полимер. В течение десятилетий бакелит использовался в качестве материала для корпусов электротехнических приборов, сейчас используется как связующее и адгезивный материал.   Первооткрывателем же реакции между фенолом и формальдегидом был А. Байер, наблюдавший образование смолы в этой реакции еще в 1872 г, но он результатом не заинтересовался. Начиная с 1940-х и до середины 1970-х гг. в связи с появлением новых видов пластмасс доля фенольных смол быстро сокращалась. Но начиная с 1975 г. вновь начался стремительный рост производства этих полимеров для нужд авиации, ракетной техники, космонавтики и др., а также в связи с уменьшением запасов нефти. Дело в том, что фенол получают из каменного угля, запасы которого несравненно превосходят запасы нефти. Кроме того, на основе фенолформальдегидных смол существовал(ет) большой ассортимент материалов для нужд теплоизоляции (ДСП, ДВП), что стало актуальным в борьбе с энергетическим кризисом.

Полиэтилен и  полипропилен.

Впервые полимеризация этилена  наблюдалась в 1933 г. как побочная реакция. Уже в 1937 г. английские химики разработали первый промышленный способ производства полиэтилена, а в 1946 г. начался выпуск полиэтиленовых бутылок.

В 1954 г. Карл Циглер и Джулио Натта открыли новый металлоорганический катализатор, благодаря чему им удалось осуществить ионную полимеризацию полиэтилена при атмосферном давлении и температуре 60 °С.

Они же получили стереорегулярный полипропилен, используя металлокомплексный катализатор.

Политетрафторэтилен (тефлон).

Был случайно открыт в 1938 г  Р. Планкеттом, который наблюдал спонтанное образование в баллонах с тетрафторэтиленом белой порошкообразной массы. В 1941 г. он запатентовал свою технологию (США, фирма DuPont). В 1954 г. французский инженер Марк Грегор предложил использовать тефлон в качестве покрытий для посуды. Тефлон чрезвычайно инертен химически, а его температура размягчения почти достигает 3000С.

Полистирол.

В 1866 г. М. Бертло идентифицировал образование твердой массы из стирола при нагревании как процесс полимеризации. В 1946 г. Г. Штаудингер установил механизм этой реакции. Впервые полистирол начали выпускать в Германии в 1931 г.

Полиметилметакрилат.

Полиметилметакрилат (ПММА), или плексиглас, или оргстекло был создан в 1928 г. В 1933 г. началось производство ПММА в Германии, в 1936 г. ПММА был получен в СССР в НИИ Пластмасс. Полимер широко применяется в авиационной промышленности, в автомобильной промышленности, в строительстве.

Поливинилхлорид.

Впервые полимеризацию винилхлорида осуществил в 1872 г. немецкий химик Эйген Бауман. Заслугой этого исследователя стала разработка способа радикальной полимеризации винилхлорида в присутствии органических пероксидов. Активное практическое использование поливинилхлорида (ПВХ) началось только с середины XX в. Проблема была в том, что чистый ПВХ обладает многими недостатками. Например, при комнатной температуре он очень хрупок и неэластичен. Кроме того, его трудно растворить или расплавить, а это сильно затрудняет переработку полимера. В 30-х гг. учёным удалось найти стабилизаторы, увеличивающие стойкость ПВХ к действию тепла и света. Новый материал — пластифицированный поливинилхлорид получил широкое распространение.

Синтетические волокна.

В 1892 г. был освоен вискозный  метод производства волокон. Первые ацетатные волокна начали выпускаться  в это же время в Англии и  США.

Поливинилхлоридные волокна  начали выпускаться в 1934 г., а волокна  на основе сополимера винилхлорида с  винилацетатом (виньон) с 1937 г. В 1939г. появились полиамидные волокна, а в 1943 г. полиакрилонитрильные (орлон).

Создание технологии волокон  связано с именами таких ученых как Клоте, еще в 1913 г. предсказавшим возможность получения волокон из поливинилхлорида и Г. Штаудингера, получившего в 1927 г. волокна из расплава полиоксиметилена и полиэтиленоксида.

В СССР независимо от США  и Германии в 1947 г.были опубликованы результаты исследований Кнунянца, Роговина и Ромашевского по получению полиамидных волокон.

В 1936 г была создана технология синтетического полигексаметиленадипамида, на основе которой в 1939 г. началось производство волокна «найлон».

В США в 1939 г. началось производство волокна «найлон-6,6» на основе капролактама.

Технология полиакрилонитрильных волокон разрабатывалась одновременно и независимо в США и Германии, с 1934 г США на заводе фирмы Дюпон  начали производство полиамидного волокна. В ФРГ его выпуск начали несколько  лет спустя.

В СССР первая партия волокна  «капрон» была выпущена в 1948 г., в 1957 г. начала работать первая установка по получению волокна «лавсан», в 1960-е  гг. началось производство волокна  «нитрон» на основе полиакрилонитрила.

В самом начале предприятия  по выпуску химических волокон были узкоспециализированными, но по мере наращивания  ассортимента волокон расширялся и  профиль заводов химических волокон, они выпускали уже по 3-4 вида волокон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература.

 

1. Энциклопедия полимеров  в 3 т. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1974-1977.

2. Химическая энциклопедия  в 5 т. М.: Большая Российская  энцикл., 1992.

3. К. Маналов. Великие химики в 2 т., М.: Мир, 1986.

4. О. И. Тужиков. История и методология развития полимерной науки и промышленности, Волгоград: 1999.

5. В. Штрубе. Пути развития химии в 2 т. т.2., М.: Мир, 1984.

6. Дж. Х. Бристон, Л. Л. Катан Полимерные пленки. М.: Химия, 1993.

7. Ю. Д. Семчиков. Высокомолекулярные соединения М.: Издательский центр «Академия», 2003.

8.Элиас Г.-Г. Мегамолекулы: Пер. с англ./Под ред. С.Я. Френкеля. – Л.:Хмимя, 1990. – 272 с.