Традиционные материалы с новыми свойствами

Материалы – это вещества, из которых изготавливается различная продукция. Для каждого вида продукции необходимы материалы с вполне определенными свойствами. Одной из задач современных технологий является создание высококачественных материалов с заданными характеристиками. В этом разделе мы рассмотрим материалы, обычно называемые традиционными – металл, древесину, стекло, силикаты, керамику, камень и др.

В глубокой древности наиболее широко применялся один вид материала – камень, из которого изготовлялись орудия труда, оружие, в камне выдалбливались пещеры для жилья. Сейчас камень применяется в строительстве, при постройке дорог, в качестве облицовочного материала.

Несколько тысячелетий назад человек научился добывать и использовать металлы. Сначала из оксида железа удалось выплавить металлическое железо. Появились металлические предметы быта, оружие, несложные приспособления для обработки земли и т.д. До сих пор железо является самым необходимым, важным и широко потребляемым металлическим сырьем. Вторым по практической значимости металлом является медь. Современное производство и современную жизнь нельзя представить без алюминия и магния, титана и лития, золота и платины. В недрах Земли содержится сравнительно большое количество металлов, но их доля в соединениях, пригодных для промышленной переработки, весьма ограничена. При современных темпах и масштабах добычи основные запасы таких металлов как свинец, медь, цинк, олово, серебро, уран уже в ближайшие десятилетия могут быть исчерпаны. В то же время железо, марганец, хром, никель, молибден, кобальт, алюминий будут добываться в достаточном количестве даже в середине XXI века. Предполагается, что для добычи сырья некоторых металлов уже в ближайшем будущем придется расширить объем работ под водой – на морском шельфе. Рентабельное извлечение металлов, растворенных в морской воде, может быть налажено при ее промышленном опреснении.

Одним из важных природных материалов является древесина. Как уже отмечалось, значительная доля добываемой древесины во многих странах до сих пор используется на дрова. Древесина широко используется в строительной и мебельной промышленности. Важнейшая область использования древесины – целлюлозно-бумажная промышленность. В настоящее время из древесины изготавливается основная масса различных видов бумаги и картона. Несмотря на развитие компьютерных технологий, в результате которых бумага перестает быть важнейшим носителем информации, объемы печатной продукции в мире (книги, газеты, журналы) все еще возрастают. Кроме того, рост промышленного производства и продуктов питания требует возрастания производства упаковочных материалов. Поэтому потребность в древесине в целлюлозно-бумажной промышленности постоянно возрастает не менее, чем на 5% в год. В последние годы наметились изменения в производстве бумаги, связанные с внедрением полимеров в волокнистую массу. Это повышает прочность бумаги, ее устойчивость к деформациям, эластичность и т.д.

Из древесины получают промежуточное химическое сырье: этилен, бутадиен, фенол. Поэтому древесина – важное сырье для получения разнообразной продукции. Например, из 100 кг древесины можно изготовить 20 л спирта, 22 кг кормовых дрожжей или 12 кг этилена. Отметим, что в отличие от ископаемого горючего сырья древесина сравнительно быстро восстанавливается. Поэтому следует ожидать, что потребность в древесине как в сырье для химической промышленности будет возрастать.

Кроме древесины существуют и другие виды органического сырья (солома, камыш), которые можно превращать в те же ценные продукты, которые получаются из древесины.

Долгое время человек не находил широкого практического применения стеклу, выплавлять которое научились еще в Древнем Египте. Стеклянная посуда в том виде, как она представляется нам сегодня, появилась в XV веке до н.э. Стекло обладает одним существенным недостатком – хрупкостью. Создание нехрупкого стекла – одна из труднейших задач современных технологий. В середине XX в. удалось синтезировать стеклокерамический материал ситалл, способный выдерживать температурные перепады до тысячи градусов. Этот материал можно обрабатывать как обычный металл (обтачивать, сверлить и наносить винтовую резьбу). Высокой прочностью обладают термически закаленные стекла. При дополнительной химической обработке получают сверхпрочное стекло, которое не разбивается даже при сильном ударе и поддается механической обработке.

Все большее значение в настоящее время получают композиционные материалы. Так, композиты, состоящие из химически обработанного стекла со слоями пластика, в некоторых случаях могут заменить металл.

Введением в стекло оксидов металлов или напылением на их поверхность металлов и сплавов получают цветные стекла. Эти материалы применяют для облицовки зданий и для окон. Кроме эстетического эффекта такие покрытия поглощают инфракрасное излучение, что помогает поддерживать нужный микроклимат в помещении.

Хорошо известны изоляционные свойства стекла. В последние время удалось синтезировать полупроводниковые стекла. Оптическое стекловолокно – перспективное средство для передачи большого объема информации. Невозможно перечислить все области применения разнообразной стеклопродукции. Стекло и материалы на его основе становятся сегодня все более универсальными.

К традиционным принято относить силикатные и керамические материалы. Развивающаяся строительная промышленность потребляет все больше силикатных материалов, среди которых лидирует бетон. Производство бетона в мире превышает 3 млрд т в год.

Из керамических материалов изготавливают десятки тысяч различных изделий – от миниатюрных ферритовых сердечников для микроэлектроники до гигантских изоляторов для высоковольтных установок. Обычные керамические материалы (фарфор, фаянс) получают при высокой температуре из смеси глины и полевого шпата. К керамике относят и бессиликатные композиционные материалы из различных оксидов, боридов и нитридов. Для них характерны высокая коррозийная и термическая стойкость. В керамических тиглях плавят алюминий и медь.

Металлокерамические композиционные материалы с высокой прочностью и термостойкостью служат для изготовления камер сгорания для космических ракет, деталей для металлорежущих инструментов и т.п. Такие материалы получают методом порошковой металлургии из металлов и оксидов металлов, карбидов, боридов, нитридов или силицидов. В металлокерамике сочетаются качества керамики и металлов.

 

Полимерные материалы

Высокомолекулярными соединениями или полимерами называются сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч и миллионов), молекулы которых построены из множества повторяющихся элементарных звеньев. Эти звенья образуются в результате взаимодействия и соединения друг с другом одинаковых или разных простых молекул – мономеров. К образованию полимеров приводят процессы полимеризации и поликонденсации. Примерами природных высокомолекулярных соединений служат крахмал и целлюлоза, белки, натуральный каучук. Синтетические полимеры производят из дешевого и доступного сырья, на их основе производят пластмассы – сложные композиции, в которые вводят различные добавки и наполнители. Полимеры и пластмассы на их основе являются ценными заменителями многих природных материалов.

Массовое производство пластмасс началось в середине XX века. В настоящее время объем выпуска пластмасс в мире сравним с объемом производства стали – сотни миллионов тонн в год. Трудно перечислить все многообразие современных пластмасс и описать сферы их применения. С каждым годом растет доля пластмасс, применяемых в строительстве, автомобилестроении, авиационной и ракетной технике. Изделия из пластмасс широко применяется в быту.

Важной разновидностью полимерных материалов являются эластомеры, отличительным свойством которых является эластичность. Долгое время был известен только один эластичный материал – натуральный каучук. Сырой каучук добывается из млечного сока каучуконосных растений (бразильской гевеи), он липок, непрочен, а при понижении температуры становится хрупким. Для придания изделиям прочности и эластичности каучук подвергают процессу вулканизации, заключающейся в образовании поперечных сшивок между полимерными цепями. Для этого в каучук вводят вулканизующие агенты (серу или ее доноры, некоторые органические соединения) и нагревают. Однако запасы натурального каучука ограничены. Кроме того, изделия из него не могут обеспечить всего разнообразия необходимых эксплутационных характеристик, они имеют сравнительно невысокую термостойкость, не отличаются высокой маслостойкостью и подвержены старению. Современные технологии позволяют получить каучук с гораздо лучшими эксплуатационными свойствами. К настоящему времени разработано более 10 видов синтетических каучуков и не менее 500 их различных модификаций.

Сфера применения эластомеров весьма разнообразна – от машиностроения до обувной промышленности. Значительная доля эластомеров идет на производство шин, потребность в которых с ростом производства автомобилей постоянно возрастает.

Полимерные материалы находят все более широкое применение, развитие современной техники требует создания новых полимерных материалов и изделий из них с заданным комплексом необходимых эксплуатационных характеристик.

Синтетические ткани

Внедрение химических технологий в текстильную промышленность началось около 200 лет назад. В это время удалось существенно улучшить качество стирки и отбеливания с помощью соды и хлорной извести. Во второй половине XIX в. началось широкое внедрение синтетических органических красителей тканей. С начала XX в. химические технологии стали ориентироваться на создание новых волокнистых материалов. Первое чисто синтетическое волокно – нейлон произведено в середине прошлого века. Затем появились акрил, полиамид, полиэфирные волокна и т.д. Потребители быстро оценили как достоинства, так и недостатки синтетических тканей. Сегодня многие предпочитают носить одежду из натуральных тканей, однако и они подвергаются химической обработке. Эта обработка придает, например, хлопку упругость, а льняную ткань делает не столь мнущейся. В ряде случаев синтетические ткани имеют несомненное преимущество перед натуральными. Так, эластик очень удобен в спортивной одежде, а синтетическая ткань с внедренными мельчайшими шариками, отражающими свет, удобна для формы регулировщиков автотранспорта.

Одна из разновидностей синтетики – кевлар. Он в 5 раз на разрыв прочнее стали и используется для пошива пуленепробиванмых курток. Оригинальна технология изготовления ткани для одежды космонавта. Эта ткань должна уберечь его от леденящего холода космоса и палящей жары Солнца. Секрет такой одежды заключается во множестве микроскопических капсул с парафином, встроенных в ткань. При нагревании они плавятся, забирая тепло, а при охлаждении затвердевают, выделяя тепло.

Производство разнообразных синтетических материалов с удивительными свойствами свидетельствует о высоком уровне современных химических технологий. Нет сомнения, что эти технологии и дальше будут успешно развиваться.