Матеріали - це речовини з яких виготовляється різноманітна продукція: вироби та пристрої, машини і літаки, мости і будівлі, космічні апарати та мікроелектронні схеми, прискорювачі заряджених частинок і атомні реактори, одяг, взуття та багато іншого. Для кожного виду продукції потрібні свої матеріали з цілком певними характеристиками. До властивостей матеріалів завжди пред'являлися і пред'являються високі вимоги. Хоча сучасні технології і дозволяють робити безліч різноманітних високоякісних матеріалів, однак проблема створення нових матеріалів з кращими властивостями залишається актуальною і до цього дня.
При пошуку нового матеріалу із заданими властивостями важливо встановити його склад і структуру, а також забезпечити умови для управління ними. Результат пошуку багато в чому залежить від чутливості і роздільної здатності приладів, за допомогою яких визначаються склад і структура синтезованого матеріалу. Такі прилади створюються на основі тільки найновіші технологічні досягнення природознавства і насамперед фізики. При обробці матеріалу та виготовленні кінцевої продукції, необхідної для споживання, не менш важливі інженерно-технічні досягнення, що дозволяють виробляти продукцію високої якості.
В останні десятиліття синтезовані матеріали, що володіють дивовижними властивостями, наприклад, матеріали теплових екранів для космічних апаратів, високотемпературні надпровідники і т. П. Навряд чи можна перерахувати всі види сучасних матеріалів. З протягом часу їх число постійно зростає. У далекій давнині найбільш широко застосовувався переважно один вид матеріалу - камінь, з якого виготовлялися сокири, наконечники для стріл. У камені видовбують печери для житла. Наступний важливий крок був зроблений кілька тисячоліть тому, коли вдалося з оксиду заліза отримати металеве залізо. З'явилися металеві вироби у вигляді зброї, предметів побуту, нескладних пристосувань для обробки землі. І ось закінчується друге тисячоліття від Різдва Христового. Залізо як матеріал за обсягом виробництва починає поступатися іншим матеріалам полімерів. З 1980 р наприклад, в США їх виробляють більше, ніж заліза. Різноманітний одяг з поліефіру, поліетиленовий посуд, килими з поліпропілену, меблі з полістиролу, шини з поліізопрену і т. П все це приклади надзвичайно великого різноманіття застосувань полімерів.
Багато конструкційні елементи сучасних літаків виготовлені з композиційних полімерних матеріалів. Один з таких матеріалів - кевлар - по важливого показника - відношенню міцність / маса - перевершує багато матеріалів, в тому числі і саму високоякісну сталь.
В останні десятиліття активно обговорюється питання про виготовлення автомобіля повністю з полімерних матеріалів, які допоможуть зменшити його масу і тим самим економніше витрачати паливо.
До сучасних матеріалів відносяться і деревина, і скло, і силікати, кожен з яких зазвичай вважають традиційним матеріалом. Деревина служить не тільки будівельним матеріалом, а й сировиною для виробництва цінної різноманітною продукції. Скло - матеріал не новий, але перспективний: в останньому десятилітті виготовлені скла з надзвичайними властивостями. Силікатні матеріали до сих пір складають основу будівельної індустрії.
Пластмаси - це матеріали на основі природних або синтетичних полімерів, здатні набувати задану форму при нагріванні під тиском і стійко зберігати її після охолодження. Крім полімеру, пластмаси можуть містити наповнювачі, стабілізатори, пігменти та інші компоненти. Іноді вживаються інші назви пластмас - пластики, пластичні маси.
Пластмаси розрізняються за експлуатаційними властивостями (наприклад, антифрикційні, атмосферо, термо- або вогнестійкі), виду наповнювача (склопластики, графітопласти і ін.), А також за типом полімеру (амінопласти, білкові пластики і т. П.). Залежно від характеру перетворень, що відбуваються в полімері при формуванні виробів, пластмаси поділяються на термопласти (найважливіші з них створюються на основі поліетилену, полівінілхлориду, полістиролу) і реактопласти (найбільш великотоннажний вид з них - фенопласти). Основні методи переробки термопластів -лиття під тиском, вакуумформованіе, пневмоформування і ін. Реактопласти формуються пресуванням і литтям під тиском.
До теперішнього часу налагоджено масове промислове виробництво різних видів пластмас.
І пластмаси цілком можна віднести до традиційних матеріалів, хоча пошук пластмас з новими властивостями триває.
Минуло більше ста років з моменту появи на світ першого органічного матеріалу - целулоїду. Сьогодні різноманіття синтетичних речовин настільки велике, що навряд чи можливо їх перерахувати. Коли йдеться про штучні матеріали, багато хто має на увазі перш за все пластмаси - речовини, створені в штучних умовах. У 1980 р американські вчені вперше виявили природну поліефірную пластмасу в гніздах бджіл, що живуть в землі.
Масове виробництво пластмас почалося в другій половині нашого століття. У 1900р. світове виробництво пластмас склало близько 20 тис. т, а в 1970 р - вже 38 млн. т. Передбачається, що до кінця тисячоліття обсяг виробництва пластмас досягне рівня випуску сталі і складе сотні млн. т в рік.
Часто до одного і того ж матеріалу пред'являються взаємовиключні вимоги. Наприклад, матеріал для зимового одягу повинен володіти хорошим теплоізоляційним властивістю і еластичністю, але в той же час бути міцним. Будівельників цікавлять матеріали з хорошими тепло- і звукоізоляційні, міцності та іншими властивостями. Всім перерахованим вимогам серед безлічі матеріалів найбільшою мірою задовольняють штучні органічні сполуки - полімери.
Полімери побудовані з макромолекул, що складаються з численних малих основних молекул - мономерів. Процес їх утворення залежить від багатьох факторів, варіації і комбінації яких дозволяють отримати безліч різновидів полімерної продукції з різними властивостями. Основні процеси утворення макромолекул - полімеризація і поліконденсація.
Близько 2/3 всього світового виробництва полімерів становлять матеріали масового промислового споживання: поліетилен, політетрафторетилен, полівінілхлорид, поліпропілен та ін. Області застосування даних полімерів вельми різноманітні - від текстильної промисловості до мікроелектроніки. Вартість їх порівняно невисока. До решти полімерних матеріалів, що становить 1/3, відносяться поліефірні смоли, поліуретан, амінопласти, фенопласти, полікрілати, полиформальдегид, полікарбонати, фторополімери, силікони, поліаміди, епоксидні смоли та інші види полімерів.
Змінюючи структуру молекул і їх різноманітні комбінації, можна синтезувати пластмаси із заданими властивостями. Прикладом може служити АБС-полімер. До його складу входять три основних мономера: акрилонитрил (А), бутадієн (Б) і стирол (С). Перший з них забезпечує хімічну стійкість, другий - опір удару і третій - твердість і легкість термопластичному обробки. Основне призначення даних полімерів - заміна металів в різних конструкціях.
Термопласти можна зупинити тверднуть і розм'якшуються, тому з них легко формуються вироби різної конфігурації. Штучні органічні речовини, які не розм'якшуються при нагріванні, називаються термореактивними пластмасами або реактопластами. Це фенольні, карбомідние і поліефірні смоли. Найчастіше в початковому стані вони являють собою рідини, які при додаванні каталізатора або нагріванні необоротно тверднуть.
Найбільш перспективними матеріалами з високою термостійкістю виявилися ароматичні та гетероароматичні структури з міцним бензольні кільцем: поліфеніленсульфід, ароматичні поліаміди, фторполімери і ін. Дані матеріали можна експлуатувати при температурі 200-400 ° С. Раніше такими термостойкими властивостями володіли тільки неорганічні речовини. Розроблені спеціально для надзвукових літаків поліімідние пластмаси можуть витримувати температуру до 465 ° С протягом 30 хв. Головні споживачі термостійких пластмас - авіаційна і ракетна техніка. Такі пластмаси також знаходять застосування і в автомобіле- і верстатобудуванні, в електротехніці (наприклад, для ізоляції дроту в електродвигунах) і т. П.
З кожним днем зростає частка полімерних матеріалів в будівельній індустрії. Пластикові рами, облицювальні матеріали, покрівля, теплоізоляційні та інші штучні матеріали застосовуються все частіше в сучасному будівництві.
Все більшу частку матеріалів складають різноманітні види пластмас для виготовлення деталей автомобіля, первісток якого - саморушного воза - з'явився в 1886 р на вулицях Маннгеймера.
За більш ніж столітню історію розвитку автомобілебудування застосовувалося безліч матеріалів, вироблених хімічною промисловістю, серед яких пластмаси поступово витісняли і продовжують витісняти метал. Так, в 1965 р на один легковий автомобіль доводилося в середньому 15 кг пластмас, в 1970 - 25-45 кг. Передбачається, що в найближчому десятилітті на виготовлення одного легкового автомобіля будуть потрібні сотні кілограмів пластмасових матеріалів, серед яких будуть переважати поліетилен, полівінілхлорид, АБС-полімери, поліпропілен та ін.
Вже виробляються легкові автомобілі з повністю пластмасовим кузовом. Виготовити весь автомобіль і особливо його двигун з пластмас поки не вдається. Проте в 1980 р. американська фірма демонструвала автомобільний двигун з термостійкого пластика, в якому лише колінчастий вал і поршневі кільця виконані з металу. Маса даного двигуна виявилася в 2 рази менше, ніж металевого, і споживав він пального приблизно на 15% менше, ніж звичайний. Виготовляються, крім того, автомобілі з провідним валом і ресорами з полімерних матеріалів. Останнім часом ведуться роботи по масовому впровадженню керамічних двигунів.
До полімерних матеріалів відноситься і каучук. Численні вироби з даного матеріалу, в тому числі і широко поширена гума, мають відмітною властивістю - еластичністю. Така властивість об'єднує багато еластичні матеріали в одну групу еластомерів. Довгий час був відомий тільки один еластичний матеріал - природний каучук. Він ще й досі видобувається з каучукового дерева - бразильської гевеї - таким же способом, як і смола в хвойних лісах, т. Е. Шляхом підсічки.
Хімія заволоділа каучуком ще в першій половині XIX ст. - в 1841 р коли американський винахідник Гудьир запропонував спосіб вулканізації. Крихкий при низькій температурі і липкий при нагріванні сирої каучук при вулканізації переходить в еластичне стан. При цьому його макромолекулярні ланцюги утворюють сітчасту структуру, з'єднуючись містками з атомів сірки.
Статистика світового виробництва каучуку починається з 1850 р коли його було видобуто близько 1500 т. У 1900 р бразильські лісу давали вже 53 900 т каучуку. У тому ж році з'явився каучук з дерев, вирощених на плантаціях. В останні роки велика частина натурального каучуку видобувається на великих плантаціях Індокитаю. У 1970 році споживання каучуку в світі склало 7,8 млн. Т, частка натурального каучуку в якому склала близько 38%.
Натуральний каучук має порівняно невисоку термостійкість, не відрізняється високою маслостойкостью і схильний до старіння. Сучасні методи синтезу дозволяють отримати синтетичний каучук з заданими властивостями. До теперішнього часу розроблено більше 10 видів синтетичних каучуків і не менше 500 їх різних модифікацій. Чудовою якістю відрізняється силіконовий каучук. Він менш еластичний, ніж натуральний каучук, але його властивості в інтервалі температур від -55 до 180 ° С дуже мало залежать від температури, і до того ж він фізіологічно нешкідливий. Гомогенні і комірчасті поліуретанові еластомери проявляють відмінну зносостійкість, високу хімічну стійкість і не піддаються швидкому старінню.
Сфера застосування еластомерів вельми різноманітна - від машинобудування до взуттєвої промисловості, але все ж значна їх частка йде на виготовлення шин, потреба в яких з ростом потоку автомобілів постійно зростає.
Виробляючи синтетичні каучуки, хімічна промисловість заповнює дефіцит природної сировини - каучуку. Точно так же виробництво синтетичної шкіри зберігає сировину тваринного походження. За своїми властивостями і якістю багато різновидів сучасної синтетичної шкіри мало чим відрізняються від натуральної шкіри вищої якості.
Впровадження хімічних технологій в текстильну промисловість почалося порівняно давно - близько 200 років тому, коли за допомогою соди і хлорного вапна вдалося істотно поліпшити процеси прання і відбілювання. Наприклад, із застосуванням хлорного вапна тривалість відбілювання бавовняної тканини скоротилася з трьох місяців (при луговий отбелке) до шести годин. У другій половині XIX ст. широко впроваджувалися синтетичні органічні барвники тканин. З початку XX в. хімічні технології стали орієнтуватися на створення нових волокнистих матеріалів. До теперішнього часу різноманітні штучні волокна виготовляються в основному з чотирьох видів хімічних матеріалів: целюлози (віскози), поліаміду, полиакрилонитрила і поліефірів. Більше 50% сучасних волокон виробляється з матеріалів, синтезованих за останні 50-60 років.
На практиці широко застосовуються хімічне облагороджування і оздоблення тканин. Розроблено технології хімічної обробки вовни для забезпечення стійкості проти молі. Знайдено способи, що дозволяють зменшити усадку матеріалу, і додають йому якості несмінаемості. Приділяється велика увага розробці ефективних способів обробки матеріалів для забезпечення антистатичних, антимікробних, брудовідштовхуючих і інших важливих властивостей.
Серед усіх випущених в 70-і роки матеріалів частка штучних тканин для одягу становила близько 50%, для товарів домашнього вжитку - приблизно 25% і стільки ж для технічних цілей. Налагоджено масове виробництво високоміцних кордових ниток з поліамідів, поліефірів і віскози для шинної промисловості.
Обсяг виробництва синтетичних матеріалів для виготовлення одягу визначається споживчим попитом, в якому за останні роки намітилася тенденція до зниження. Така тенденція цілком виправдана, бо синтетичні волокна не мають всім комплексом властивостей, властивих природним волокнах. І одна з найважливіших завдань хіміків - наблизити за властивостями і якістю штучні матеріали до природних.
Нове покоління тканин, над якими сьогодні працюють фахівці, може перебудувати наше уявлення про одяг і її функціях. Такі тканини виткані з волокон, які їх винахідники називають «інтелігентними». За такий зобов'язуючим визначенням ховаються матеріали, що володіють корисними для людини властивостями. При холоді вони гріють, при спеці - охолоджують, видаляють піт і відповідають іншим потребам шкіри. Вже є в продажу легкі тканини, що володіють високим ступенем захисту від сонячних променів. Є також тканини, що пропускають ультрафіолетові промені.
Американський концерн «Дюпон» перше чисто синтетичне волокно - нейлон - випустив понад 60 років тому. Потім з'явилися акрил, поліамід, поліестер і інші волокна, які народилися в лабораторних ретортах. Однак споживачі порівняно швидко оцінили як гідності, так і недоліки синтетичних тканин того часу. Сорочка, яка не потребує прасці, разом з тим влітку не давала дихати тілу, а зімойнесогревала. Ейфорія, піднята першими синтетичними виробами, закінчилася в основному сміттєвим ящиком, а не шафою для одягу.
Чимало часу пройшло, перш ніж вдалося зрозуміти і подолати кордон між природними і синтетичними волокнами. Тепер хімія легко відтворює кращі властивості льону, бавовни, вовни, а природні матеріали давно вже стали предметом багаторазового хімічної обробки, що надає, наприклад, бавовні пружність або робить лляну тканину не настільки мнеться.
Нововведення сьогоднішнього дня торкнулися геометрію волокон. Виробники текстильної сировини прагнуть зробити нитки можливо тонше. Найтонші синтетичні нитки тканини добре видно на фотографії, зробленої під мікроскопом (див. Рис. 6.13).
Улюблений матеріал сьогоднішніх модельєрів - еластик зручний не тільки в спортивному одязі, а й в повсякденних костюмах. Вже існує тканину, в основі якої розміщені дрібні скляні кульки, що відбивають світло; одяг з такої матерії - хороший захист для тих, хто вночі знаходиться на вулиці, наприклад, для регулювальників автотранспортного руху.
Одна з різновидів синтетика - кевлар в п'ять разів міцніше на розрив, ніж сталь, і використовується для ізготавленія куленепробивних курток.
Вельми оригінальна технологія виготовлення тканини для одягу космонавта, яка здатна вберегти його за межами атмосфери від крижаного холоду космосу і пекучої жари Сонця. Секрет такого одягу в мільйонах мікроскопічних капсул, вбудованих в тканину або в пенопластмассу (див. Рис. 6.14).
Капсули містять парафіни. При нагріванні вони плавляться і відбирають тепло у речовин, що знаходяться поруч. В кінцевому рахунку костюм з подібною тканини стає перепоною на шляху сонячних променів до тіла людини. Вирішуючи зворотну задачу - охолодження, ті ж парафінові кульки починають тверднути під дією холоду, який прийшов ззовні; застигання супроводжується виділенням тепла, яке зігріває тканину і тіло космонавта.