Привычные сегодня полиэтиленовые пакеты и пластиковые бутылки появились благодаря веществам, названия которых большинству из нас ничего не говорят. Что люди использовали до изобретения пластика и как он заменил кость, дерево и железо – в материале «ММ».
«Кость» для спасения слонов
До появления пластмассы глина, воск и смола были основными материалами, из которых делали посуду и упаковку. И сегодня можно встретить головку сыра в восковой оболочке, но уже в качестве исключения из правила. А вот пластмассу впервые получили только в 1855 году в Англии. Открытие принадлежит Александру Парксу – материал назвали паркезином. Его рецептура была проста: нитроцеллюлоза (целлюлоза, обработанная азотной кислотой), растворенная в этаноле. Первые изделия из полусинтетического полимера паркезина были хрупким и несовершенными. Это доказали и рыночные отношения: основанное Парксом предприятие развалилось через два года.
Целлулоид появился благодаря игре в бильярд. В 1865 году компания Phelan & Collendar, которая изготавливала бильярдные шары из слоновой кости, объявила, что за открытие нового материала, который может заменить сырье животного происхождения, фирма заплатит 10 тыс. долларов.
Изобретатель Джон Хайт обратился к достижениям Паркса и, улучшив свойства паркезина, не стал добиваться обещанного вознаграждения. Он оказался умнее и решил производить эти шары сам, открыв на пару с братом компанию-конкурента Albany Billiard Ball. С этого момента началось промышленное производство полимеров.
– Представим, что макромолекулы полимеров – это стопка досок (правда, макромолекулы – это не вытянутые доски, а свернутые клубки). Доски ничем друг с другом не скреплены, но за счет веса и силы трения вытянуть одну доску из стопки будет очень сложно. Полимеры ведут себя аналогичным образом: чем прочнее между ними межмолекулярные взаимодействия, тем лучше механические свойства полимеров. Так, полиэтилен, основная цепочка которого не имеет заместителей у атомов углерода, кроме атомов водорода, CH2-CH2-CH2-CH2-…, по характеристикам более гибкий и эластичный полимер, чем полипропилен [-CH2-CH(CH3)-]n: в последнем у основной цепочки есть заместители – метильные группы, которые «торчат» в разные стороны, напоминая ежа.
До недавнего времени шарики для игры в настольный теннис делали из целлулоида (поэтому они пахли камфорой), а в советское время из этого материала изготавливали еще и расчески. Эти шарики иногда поджигали школьники 1990-х. Зачем? Все потому, что подожженный и затушенный целлулоид очень сильно дымит.
Целлулоидная советская неваляшка. monetagrad.ru
Чемпионат Европы по настольному теннису в Москве, 1984 г. Фото: Владимир Мирской, rustt.ruЗамена янтарю
В 1909 году американский ученый Лео Бакеланд разработал твердый нерастворимый материал, устойчивый к воздействию высоких температур и «химии». В честь химика материал назвали бакелитом, и он заменил собой натуральный янтарь и эбонит (твердый каучук). Самый распространенный продукт из бакелита сегодня – ручки сковородок. Бакелит стал применяться для изготовления бус и четок, а из бакелитовой мастики начали делать грампластинки.
Евгения Саломатина, доцент кафедры высокомолекулярных соединений и коллоидной химии ННГУ имени Н. И. Лобачевского:
– Бакелит – термореактивный полимер. Термореактопласты – это полимеры, которые невозможно переработать в изделия через расплав, так как при повышении температуры деструкция начинается раньше, чем плавление. В макромолекуле бакелита чередуются звенья двух различных мономеров (мономеры – соединения, из которых получают полимеры). Изделия из бакелита «запекаются» в уже готовой форме, после чего переработать их во что-то другое невозможно: жаропрочная ручка от сковороды под воздействием открытого огня начнет обугливаться, но материал не расплавится.
Процесс изготовления вазы для фруктов из винила, chicaandjo.comВ отличие от бакелитовых, пластинки из поливинилхлорида (ПВХ), известные как «винил», при нагревании размягчаются (термопласты – это полимеры, которые при нагревании переходят в расплав и которые возможно таким образом переработать в изделия). Поэтому из них можно изготовить кашпо для цветов: нагреваешь над огнем старую пластинку и получаешь «хендмейд».
Бакелитовый телефон, около 1934 г. collection. sciencemuseumgroup.org.ukПВХ, ПЭТ и полиэтилен
Начало промышленному производству поливинилхлорида (ПВХ) положил ученый Клатте из Германии в первой половине XX века. Перед ним стояла задача придумать менее горючий, чем целлулоид, материал. Клатте обработал ацетилен хлороводородом и получил осадок – полимер ПВХ, производный винилхлорида.
Евгения Саломатина:
– Однако ПВХ оказался не очень хорошим материалом с точки зрения экологии. В макромолекулы этого полимера ([-CH2-CHCl-]n) входит атом хлора. ПВХ является термопластичным полимером, при его нагревании до состояния расплава может происходить частичное разрушение его макромолекул с выделением ядовитого хлора в атмосферу. В связи с этим изделия из ПВХ изготавливают по пластизольной технологии – с участием пластификаторов. По этой же причине при изготовлении изделий из ПВХ следует вводить в них различные стабилизаторы (эпоксидированные соединения растительных масел), способные «удержать» хлор, иначе во время пожара человек скорее погибнет от испарений хлора, чем от огня.
Исследования по полиэтилентерефталату, из которого делают ПЭТ-бутылки, были начаты в 1935 году учеными из Великобритании Уинфилдом и Диксоном. Патент по синтезу волокнообразующего полиэтилентерефталата получен в 1946 году, а саму ПЭТ-бутылку запатентовали только спустя 27 лет.
Полиэтилен, как считается, изобрел немецкий ученый Пехманн в конце XIX века. Нагрев диазометан (он представляет собой газ желтого цвета, содержащий углеводород и азот) и обнаружив в пробирке белый осадок, похожий на воск, исследователь случайно сделал открытие, которое стало применяться на практике только в 1930-х годах.
В 1933 году химики британской компании Фосет и Гибсон получили низкомолекулярный парафинообразный продукт, имеющий мономерное звено, аналогичное полиэтилену. Продолжив эксперименты, в 1936 году совместно с другими учеными Перрином и Паттоном изобретатели оформили патент на полиэтилен низкой плотности.
Пророки в своем отечестве
В нашей стране первая отечественная пластмасса получила название карболит, хотя это то же самое, что бакелит. Карболит появился в 1914 году благодаря трем работникам шелкоткацкой фабрики в деревне неподалеку от Орехово-Зуево. Во второй трети прошлого века из карболита делали розетки, вилки, корпуса вольтметров, ручки регулировки.
Изобретатели карболита: К. И. Тарасов, В. И. Лисев, Г. С. Петров, karbolit.metafraxgroup.com
Предприятие «Карболит» начало активно совершенствовать качество только что изобретенного материала, в результате чего появился текстолит (в его основе – волокна ткани и связующий полимер вроде эпоксидной смолы). Из текстолита делают специальные втулки, стержни, шестеренки, планки, листы, основы для электронных плат.
Среди тройки авторов-изобретателей карболита был Григорий Петров – химик-самоучка, впоследствии возглавивший Московский научно-исследовательский институт пластичных масс и кафедру технологии пластических масс в Московском химико-технологическом институте. Благодаря ему советская промышленность наладила выпуск десятков видов изделий из пластмассы.
Непромокаемая ткань
Изделия из ткани, в которые входят полимеры, – например плащи Макинтош, покрытые натуральным каучуком, – были в моде еще в середине XIX века. Но пригодная для массового производства дождевиков дешевая водоотталкивающая ткань появилась лишь в середине 1950-х годов. Президент Немецкого химического общества Карл Циглер и директор Миланского института промышленной химии Джулио Натта открыли катализаторы полимеризации виниловых мономеров (катализаторы Циглера–Натта). Катализаторы стали использовать в производстве пластмасс и эластомеров (полимеров, обладающих высокоэластичными свойствами и вязкостью). Благодаря этим катализаторам и получили всем известную болоньевую ткань, из которой шьют плащи-дождевики и куртки.
Не так вреден пластик, как добавки к нему
Поливинилхлорид без особых добавок – пластификаторов, получается неэластичным, и его невозможно переработать: при нагревании он разрушится быстрее, чем начнет плавиться. Разновидностями пластификатора являются фталаты – эфиры фталевой кислоты, которую получают окислением нафталина.
Важные требования к пластификаторам при их введении в изделие из ПВХ – их малая летучесть и отсутствие запаха (он не должен «выпотевать» из изделия и выделяться из него при воздействии масел, воды, моющих средств).Предельно допустимая концентрация испарений пластификаторов на основе фталатов - 1,0 мг/м3. Учитывая незначительную степень летучести этих соединений, их скопление в воздухе производственных и бытовых помещений в высокой концентрации маловероятно.
Однако, накапливаясь в организме человека в большом количестве и распространяясь по всем органам, фталаты вредят гормональной системе: молекулы имитируют структуру женского полового гормона эстрогена. В организме мужчины фталаты угнетают выработку тестостерона, у женщин возникают риски развития рака груди и заболевания яичников. От фталатов в организме матери страдает плод: уже подросшие мальчики могут начать вести себя как девочки – не играют в мальчишеские игры, не лезут в драки.
Похожая закономерность была выявлена и среди самцов рыб, которые из-за вредных выделений пластика, попавшего в воду, становились менее «маскулинными»: они теряли способность конкурировать за самку, вели себя менее агрессивно, ухудшалось качество их спермы. Есть исследования, в которых прослеживается зависимость между повышенным содержанием фталатов в воздухе и развитием астмы, а также проблемой избыточного веса у детей.
Альтернатива пластику?
Сегодня популярность набирают биоразлагаемые пластмассы, которые под воздействием микробов разлагаются на воду, углекислый газ и биомассу. Но область применения изделий из такой пластмассы ограничена. Например, если речь идет о трубах для сжиженного природного газа и даже воды, хорошая биоразлагаемость таких изделий будет минусом. С точки зрения изготовления одноразовой посуды биоразлагаемость пластмассы кажется более привлекательной, но и тут есть одно «но».
Михаил Кинжалов:
– Есть примеры, когда из смеси биоразлагаемых и бионеразлагаемых материалов получают изделия с хорошими механическими характеристиками. Но неразлагаемые частички – микропластик – в таком изделии, например, как стаканчик для кофе, никуда не исчезают. Микропластик может стать настолько маленьким, что будет способен проходить сквозь клеточные мембраны и накапливаться в тканях. Воздействие микропластика на человека до конца не изучено, но не исключена взаимосвязь между раковыми заболеваниями и увеличением количества пыли из микропластика, который витает в воздухе. Также на микропластике накапливаются тяжелые металлы, которые вместе с ним попадают в организм.
Евгения Саломатина:
– Поэтому ученые отказываются от простого смешивания биоразлагаемого и небиоразлагаемого полимера. Разрабатываются методы и технологии получения сополимеров из биоразлагаемого и небиоразлагаемого полимеров. Тогда при попадании в окружающую среду микромицеты – микрогрибы в почве – способны встраивать их в процесс своего метаболизма. И, поедая биоразлагаемую часть макромолекулы они еще заодно будут поглощать и неразлагаемую.
Как отмечает Евгения Саломатина, история с переработкой пластика – это палка о двух концах. С одной стороны, пластиковых отходов настолько много, что планета утопает в них: большое тихоокеанское мусорное пятно по площади в 4,5 раза больше Германии. На одного жителя Москвы в 2016 году приходилось около 40 кг пластиковых отходов в год, в США эта цифра достигает 140 кг. При этом заводов по переработке пластиков много в Европе, но не в России.
Евгения Саломатина:
– С другой стороны, перерабатывать пластик бесконечное количество раз невозможно. В процессе переработки полимеры теряют свои эксплуатационные свойства. Для их восстановления опять же требуются различные добавки. Плюс плохо налажена сортировка различных видов пластика. Из-за этого они будут плохо совмещаться во вторичном изделии – например полиэтилен и ПВХ, полипропилен и ПЭТ… Решают проблему добавками, в том числе пластификаторами.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
