Проблема создания новых материалов

 

Как уже было отмечено, современной науке известны 110 химических элементов, но их распределение (по удельному весу) крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий (8,8), железо (4,6), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,5), магний (2,1%). Однако все эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алюминия. Но сегодня более 95% всех металлических изделий изготовляются из железорудного сырья. Поэтому в современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальными ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.

Полезные ископаемые и их использование в промышленности. Промышленное производство в наши дни требует большого количества металлов, хотя в тех соединениях, из которых они извлекаются, их доля весьма ограниченна. При современных масштабах добычи основные запасы свинца, меди, цинка, золота, олова, серебра и урана будут исчерпаны в ближайшие десятилетия. С железом, марганцем, хромом, никелем и алюминием дело обстоит лучше.

Самым необходимым сегодня металлом является железо – четвертый по распространенности в земной коре элемент. Разведанные запасы этого металла составляют около 100 млрд т.

Вторым по практической значимости металлом является медь. Ее запасы в разведанных месторождениях составляют не более 250 млн т, поэтому в ближайшем будущем они будут исчерпаны. В связи с этим сегодня обсуждается возможность замены меди алюминием – третьим по распространенности элементом в земной коре. Но в наши дни алюминий добывается из бокситов, которых не так много на Земле. Поэтому ученые работают над возможностью получения алюминия из повсеместно распространенных пород – глины и алюмосиликатов вулканических пород.

В последнее время возросла роль редких металлов – титана, рубидия, тантала, лития и других. Они названы так потому, что добываются в относительно небольших количествах. Хотя их не так уж мало в земной коре, но пригодные для рентабельной разработки месторождения этих металлов встречаются редко. Тем не менее, использование редких металлов даже в небольших количествах в качестве добавок позволяет намного улучшить свойства применяемых в промышленности материалов. Например, титан придает коррозионную стойкость, тантал используется для получения кислото- и термостойких сплавов, платина, палладий и радий применяются в качестве катализаторов.

Промышленность нуждается не только в металлах, но и в неметаллах – сере, фосфоре, азоте, кислороде, хлоре и в образуемых ими соединениях. Запасы неметаллов вполне достаточны и в обозримом будущем их дефицита не предвидится.

Так, сера на Земле встречается в чистом виде, в виде серной руды (пирита), а также во многих минералах. Очень велики разведанные запасы фосфорных месторождений. Важным элементом является азот, применяющийся для производства удобрений и других промышленных продуктов. В земной коре его не очень много, но атмосфера Земли содержит 78% азота. Нет недостатка и в кислороде – самом распространенном элементе на Земле. С его участием протекают многие химические реакции. Кислород в основном находится в связанном состоянии: в виде оксидов. Кроме того, запасы кислорода постоянно восполняются благодаря процессу фотосинтеза, протекающему в зеленых растениях. В последнее время постоянно возрастает потребность в хлоре, запасы которого велики в соляных залежах и морской воде.

Одним из самых востребованных химических элементов является углерод, занимающий тринадцатое место по распространенности в природе. Он содержится в карбонатных породах (99,5%), в виде углекислого газа в атмосфере и воде (0,5%). Лишь 0,02% углерода приходится на уголь, нефть и газ, на добычу и переработку которых ориентирована промышленность и энергетика. На сегодняшний день 90% всех органических соединений производится из нефти и природного газа. Но разведанных запасов нефти при нынешних темпах потребления хватит только до 2050 г. Примерно на 80 лет хватит разведанных запасов природного газа. А затем вновь придется вернуться к добыче и переработке угля, запасы которого велики, но не бесконечны. Поэтому важнейшей задачей является разработка новых технологий получения углеродного сырья из карбонатов и воздуха.

Поскольку полезные сырьевые запасы при современных темпах потребления быстро истощаются и одновременно накапливается огромное количество отходов, важнейшей задачей становится включение этих отходов в новые производственные циклы, что будет способствовать как сохранению природных ресурсов, так и охране окружающей среды.

Определенные успехи в использовании вторичного сырья есть. Лучше всего налажено использование металлолома, в больших количествах потребляемого промышленностью. Отработаны технологии переработки использованной бумаги и картона, позволяющие сберегать лес, но, к сожалению, этим материалом часто пренебрегают.

Намного хуже обстоит дело с вторичной переработкой золы и шлаков, которые могут быть использованы в качестве наполнителей цемента. Кроме того, из них можно извлекать железо и производить силикатные строительные материалы, но такой переработки практически не происходит.

Из нефтяных отходов в хозяйственный цикл возвращается 25–35%, хотя эта цифра могла быть гораздо выше. То же касается использования пластмасс. Так, полистирол, поливинилхлорид могут быть успешно возвращены в промышленность. К сожалению, некоторые виды пластмасс (полиуретан) с трудом поддаются переработке.

Традиционные и новые материалы. Замена старых материалов новыми. Вещества, из которых изготавливается различная продукция, называются материалами. Для каждого вида продукции нужны свои материалы, обладающие определенными характеристиками. Наряду с давно известными, апробированными материалами, технический прогресс производства требует создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. Кроме того, в связи с истощением природных ресурсов возникает необходимость в замене старых, традиционных материалов новыми и более доступными.

Среди давно используемых материалов в первую очередь нужно назвать камень. Огромный период в истории человечества получил название каменного века, так как основным материалом, из которого изготовлялись оружие и орудия труда, был камень. Так же хорошо знакома человеку древесина и изделия из глины, вначале из сырой, а позже – из обожженной, Около 6–7 тысячелетий назад человек научился обрабатывать металлы. Затем были получены первые сплавы, важнейшим из которых стала бронза. И наконец, решающий шаг был сделан во II тысячелетии до н.э., когда человек научился обрабатывать железо.

Современные технологии позволяют получить металлы с самыми разными свойствами – жаропрочные, высокотвердые, кислотоустойчивые и т.д.

По-прежнему в мире добывается огромное количество древесины. Но если раньше она использовалась в качестве топлива, строительного материала и материала для изготовления мебели, сегодня сфера применения древесины значительно расширилась. Огромное значение имеет выработка целлюлозы для бумажной промышленности, поскольку, несмотря на то что в последнее время бумага производится из синтетических материалов, однако значительная часть бумаги и картона до сих пор производится из древесины. Кроме того, древесина постепенно становится важным химическим сырьем для получения искусственных веществ – текстиля, топлива, сахара, белков, витаминов. Например, из 100 кг древесины можно получить 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена. В производстве мебели и стройиндустрии современные химические технологии открывают новые возможности использования древесины. В частности, древесноволокнистые и древесностружечные плиты можно получать из любого древесного материала, в том числе и из такого, который раньше считался отходами.

Стекло долгое время использовалось лишь в качестве украшений. Затем из него стали делать посуду, оконные стекла и т.д. К XX в. умели выплавлять стекло более 800 разновидностей, из него производили около 43 тысяч различных изделий. Но стекло обладало серьезным недостатком – оно было хрупким, изделия из него легко приходили в негодность. Поэтому важнейшей задачей ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося стекла.

Это стало возможным лишь в 20–30-е годы XX в., когда была выяснена структура стекла, после чего было налажено производство не только небьющегося, но и жаропрочного стекла, способного выдерживать перепад температур до 1000° С.

Кроме того, было получено стекло, которое можно было обрабатывать, как обычный металл. А композиционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (бронестекло).

Стекла с напыленным на них тонким слоем металла летом задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Производится огромное количество стекловолокнистых материалов, которые используются для армирования, отделки, склеивания, декорирования, изолирования и т.п. Некоторые виды стекловолокна используются в качестве светопровода, по которому можно передавать большое количество информации.

Помимо традиционного стекла, являющегося хорошим изолятором, в последнее время появилось стекло с полупроводниковыми свойствами, которое изготавливается методом тонкопленочной технологии.

Таким образом, область применения стекла постоянно расширяется, традиционный материал приобрел новые свойства.

Меняют в наши дни свои свойства также силикатные и керамические материалы, уже давно известные человеку. Сегодня 90% всех производимых в мире строительных материалов приходится на силикаты. К ним относятся бетон и цемент. В хозяйственной деятельности широко используются высокопрочный полимербетон; огнеупорный бетон, выдерживающий температуру до 1800° С; легкий бетон, в который можно забивать гвозди; бетон с высокими теплоизолирующими свойствами; бетон с малым влагопоглощением.

Традиционная керамика – это фаянс, фарфор, каменная керамика. Она получается из смеси глины, кварца и полевого шпата, обработанной при высокой температуре. Из нее изготавливаются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различные виды посуды. В последнее время была получена керамика высокой термической и коррозионной стойкости и прочности. Некоторые материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить металлы, из нее можно делать камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале 90-х годов XX в. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпературной сверхпроводимости – он переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые – полимерные и синтетические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.

На основе природных или синтетических полимеров получают пластмассы – материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения.

Полимеры – это искусственные органические соединения, построенные из макромолекул, которые состоят из множества малых основных молекул – мономеров.

Процесс их образования зависит от множества факторов. Вариации и комбинации этих факторов позволяют получить множество разновидностей полимерной продукции с различными свойствами.

Массовое производство различных видов пластмасс было налажено только во второй половине XX в., хотя первые пластмассы были получены еще в конце XIX в. Около 2/3 мирового производства полимеров составляют материалы массового промышленного потребления. К ним относятся:

– полиэтилен, из которого делают пластиковые сумки, игрушки, различного рода емкости, изоляционные покрытия для проводов и кабелей;

– политетрафторэтилен (кухонная посуда и изоляционные материалы);

– полипропилен (ковровые изделия, синтетические покрытия для спортивных площадок);

– поливинилхлорид (пластиковые упаковки, трубы, шланги для полива, детали системы внутренней канализации);

– полистирол (изоляционные материалы, мебель, упаковочные материалы);

– полиакрилонитрил (пряжа, ткани, парики);

– поливинилацетат (клеи, краски, текстильные покрытия);

– полиметилметакрилат (заменители стекла, краски).

Сегодня созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве – пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, хотя и сейчас доля пластмасс в автомобилестроении по сравнению с металлами становится все большей.

К полимерным материалам относится и каучук, из которого изготавливается всем известная резина. Натуральный каучук до сих пор добывают из каучукового дерева в Бразилии и Индокитае. Но он имеет сравнительно невысокую термостойкость и подвержен старению. Кроме того, количество натурального каучука недостаточно для современной промышленности. Поэтому химики разработали способы получения синтетического каучука с заданными свойствами. Таким образом восполняется нехватка природного сырья и производится продукция с высокими показателями износостойкости, химической стойкости. Эти материалы применяются в обувной промышленности, в машиностроении и для производства шин.

Настоящая революция произошла в текстильной промышленности, в которой постоянно увеличивается доля искусственных тканей и синтетических материалов. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние полвека, – вискозы, полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Кроме того, разработаны технологии химической обработки и отделки тканей из натуральных волокон (например, обработка шерсти для обеспечения устойчивости против моли, уменьшения усадки материала и придания ему несминаемости, обеспечения антистатических, антимикробных и грязеотталкивающих свойств).

Сегодня химики работают над созданием нового поколения искусственных волокон со свойствами, максимально приближенными к естественным материалам. Уже созданы ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей; ткани, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка, шерсти. Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше волоса. Они позволяют ткать материалы мягкие, защищающие от сырости, но пропускающие при этом воздух к телу. Пустотелые волокна, также разработанные химиками, лучше противостоят холоду. Есть волокна с триклозаном – веществом, останавливающим размножение микробов. Одной из разновидностей синтетических тканей является кевлар – материал, который в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на изготовление пуленепробиваемых жилетов, курток и т.д. Создание космических скафандров – также заслуга химиков, создавших уникальную ткань: в нее встроены миллионы микроскопических капсул с парафином, которые при нагревании плавятся, забирая тепло у веществ, находящихся рядом, а при охлаждении они отвердевают и выделяют тепло, нагревающее космонавта.

Сегодня на смену старым материалам во всех областях хозяйства приходят новые. Это связано с тем, что новые материалы более эффективны, чем старые. Кроме того, мы уже говорили о дефиците традиционных видов сырья, которым нужно искать заменители. Поэтому исследования ученых направлены на изучение и использование силикатов, составляющих 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к металлам и керамике неслучайно, именно они составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно производится около 600 млн тонн металла – более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Но металлов не так много, кроме того; их изготовление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Но сегодня благодаря химии открывается все больше возможностей для замены металла керамикой. Очевидное преимущество керамики в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А при использовании в производстве керамики таких химических элементов, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами. Как уже говорилось выше, в последнее время была синтезирована огнеупорная, термостойкая, высокотвердая керамика с набором заданных электрофизических свойств.

Так, еще в 60-е годы XX в. в нашей стране был получен сверхтвердый материал гексанит – одна из разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. У него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной механическую обработку изделий.

Еще одна революционная новация в химии – производство элементоорганических соединений. Это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и производные ряда других химических элементов (кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т.д.). Химия кремнийорганических материалов лежит в основе производства полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимыми в авиации и энергетике. Фторорганические соединения исключительно устойчивы даже в очень агрессивных средах кислот и щелочей и к тому же обладают особой поверхностной активностью, способностью поглощать кислород и перекиси, поэтому изделия из фторуглерода являются материалом для изготовления внутренних органов человека, а также используются в медицине для создания всевозможных покрытий.