Научно-популярная статья инженеров Д. Гамбурга и А. Этермана посвящена найлону — одному из первых полностью синтетических волокон, созданных химическим путём. Авторы рассматривают значение искусственного волокна для промышленности и обороны, рассказывают об исследованиях американского химика Карозерса и свойствах нового материала, превосходящего натуральный шёлк по прочности и долговечности. В статье объясняются химическая природа найлона, его связь с белкоподобными соединениями, процессы полимеризации и получения синтетического волокна из продуктов переработки нефти и угля. Материал знакомит читателя с одним из важнейших достижений химической промышленности первой половины XX века.
Весной прошлого года в американских магазинах появились трикотажные изделия и материя из синтетического шелка — найлона. Эти изделия не только не уступали сделанным из натурального шелка, но даже превосходили их рядом ценных качеств. Рекламные отделы журналов заполнились снимками изделий, вырабатываемых из найлона. Новый материал, в большом количестве выбрасывавшийся на рынок, быстро получил широкое распространение.
Сейчас из найлона в США изготовляются сотни вещей, начиная от дамских чулок и кончая парашютами.
Для того чтобы понять всю важность открытия найлона, необходимо прежде всего уяснить роль промышленности искусственного волокна в современном народном хозяйстве. Собственно промышленное изготовление искусственного волокна возникло сравнительно давно. Однако по-настоящему этот вид индустрии начал развиваться лишь в последние пятнадцать лет. К 1938 году продукция искусственного волокна уже почти сравнялась с мировым производством шерсти и в двадцать раз превысила продукцию натурального шелка. Столь быстрый рост новой отрасли промышленности объясняется тем, что искусственное волокно имеет большое военно-хозяйственное значение. Современные многомиллионные армии требуют колоссальных количеств одежды и технических тканей. Потребность в них нелегко удовлетворить и в мирное время, тем более трудно это сделать во время войны, когда нарушаются нормальные экономические связи и ввоз сырья из других стран ограничивается. Искусственное волокно, изготовляемое из местного сырья, даёт возможность возместить недостаток в хлопке и шерсти. К тому же технологический процесс изготовления многих видов искусственного волокна непосредственно связан с технологией производства взрывчатых веществ. Таким образом, усиление производства искусственного волокна есть, по существу, увеличение военных ресурсов страны.
Всё это вместе взятое и заставляет многие государства всемерно форсировать развитие промышленности искусственного волокна.
Всем известны такие виды искусственного волокна, как вискоза (нитрошёлк), ацетатный шёлк и другие. Все они в основном изготовляются из целлюлозы, которая входит в состав древесины. Увеличение потребления целлюлозы, на которую и без того предъявляют большой спрос бумажная промышленность, пороховые заводы и фабрики пластических масс, усиливает истребление лесных запасов в ряде стран. Но это было бы ещё полбеды, если бы качество получаемого волокна было достаточно высоким. На самом деле этого нет: искусственное волокно, изготовляемое из целлюлозы, отличается сравнительно малой долговечностью, плохо переносит стирку, легко линяет.
Поэтому в научно-исследовательских лабораториях всего мира продолжаются поиски новых, более совершенных видов синтетического волокна. Кстати сказать, все до сих пор созданные так называемые синтетические волокна являются таковыми лишь в известной мере, так как в конечном счёте они производятся из природного органического вещества — целлюлозы. Создать полностью синтетическое волокно, которое не уступало бы по качеству натуральному и изготовлялось из дешёвого и имеющегося в изобилии сырья, — такова задача, которая стоит перед химиками.
Над этой проблемой долго и упорно работал американский учёный Карозерс, известный специалист по вопросам органического синтеза. Карозерс был научным сотрудником крупнейшей американской фирмы «Дюпон», производящей взрывчатые вещества, удобрения, синтетический каучук и другие химические продукты. В результате многолетних экспериментов Карозерсу удалось наконец создать вещество, обладающее всеми требуемыми свойствами. Это и есть найлон. Исходным сырьём для его получения являются продукты переработки нефти или каменных углей.
Новый материал обладает изумительными свойствами. Нити из найлона значительно крепче нитей из естественного шелка. Так, если шёлковые нити выдерживают нагрузку в 35 килограммов на квадратный миллиметр, то нити из найлона не рвутся даже от груза в 60 килограммов. Особенно ценно то, что найлон во влажном состоянии почти так же прочен, как и в сухом, другими словами — он не боится стирки. Изделия из найлона после стирки не надо гладить, так как, быстро высыхая, они вновь приобретают форму, которая была придана им на фабрике. Эти изделия совершенно не линяют. Объясняется это тем, что найлоновые изделия окрашиваются не в готовом виде, как шёлковые, шерстяные и хлопчатобумажные ткани, а по совершенно иному методу: краску добавляют непосредственно в расплавленную массу найлона ещё до прядения. Важно также отметить, что найлон не горит.
Эластичность и способность вытягиваться в тончайшие нити позволяет широко использовать найлон для изготовления разного рода трикотажных изделий. Фирма «Дюпон» стала отныне крупным производителем искусственного шелка и различных изделий из него. Достаточно сказать, что в 1940 году эта фирма выпустила на рынок свыше 6 миллионов пар только одних шёлковых чулок.
Найлон может применяться в качестве эмали, образуя покрытия исключительной крепости и эластичности. Так, например, провода из красной меди, покрытые найлоновой эмалью, во время испытаний ломались раньше, чем появлялись трещины в эмали.
Из найлона изготовляют также швейные нитки, рыболовные снасти, кружева, нитки для хирургических швов, лёгкие и прочные парашюты.
 |
| Изделия из найлона не выгорают на солнце. |
 |
| Найлон не горюч. |
 |
| Если найлон намочить, он не потеряет своей прочности. |
 |
| Изделия из найлона не требуют утюжки. |
 |
| Нить из найлона почти вдвое крепче шёлковой. |
В чём же сущность открытия Карозерса? Что является причиной столь высоких качеств его искусственного волокна? К сожалению, сам Карозерс на этот вопрос ответить не успел. Он умер при недостаточно выясненных обстоятельствах в 1939 году, как раз в то время, когда занимался оформлением своего патента на найлон. Согласно официальной версии, Карозерс покончил жизнь самоубийством, приняв яд. Фирма «Дюпон» держит в большом секрете способ производства найлона. По опубликованному патенту Карозерса можно только догадываться о сущности этого интересного процесса.
Естественный шёлк представляет собой продукт жизнедеятельности живых организмов — шелковичных червей. По химическому составу натуральный шёлк является белковым веществом. А все продукты, известные под названием искусственного шелка, представляют собой не что иное, как целлюлозу. Последняя принадлежит к углеводам, то есть веществам, в молекуле которых имеются лишь углерод, водород и кислород. В молекуле же естественного шелка обязательно содержится азот, являющийся непременным признаком белковых соединений. Поэтому отличить естественный шёлк от искусственного очень легко. Для этого достаточно поджечь волоконце и понюхать: белковые вещества, сгорая, издают неприятный запах горелого рога, а углеводы этим свойством не обладают.
Многие замечательные свойства найлона объясняются тем, что химический состав его весьма близок к белку.
Но что такое белок? Это самая существенная часть живой ткани любого организма животного и растения.
Белковые вещества чрезвычайно изменчивы. Даже при слабом воздействии многих химических реактивов молекула белка расщепляется на более мелкие молекулы. Этот процесс расщепления крупных белковых молекул на более мелкие называется гидролизом. Конечным продуктом гидролиза белка являются аминокислоты. Совершенно естественно предположить, что если возможен процесс распада белков до простейших аминокислот, то не исключена, очевидно, и возможность обратного синтеза белков из аминокислот. Последние, в свою очередь, могут быть созданы искусственным путём.
Крупнейший немецкий химик-органик Эмиль Фишер, потративший бо́льшую часть своей жизни на изучение белков, был первым исследователем, который получил простейшее белкоподобное вещество из аминокислот. Однако созданное Фишером белкоподобное вещество оказалось таким сложным по своему составу, что учёный, выступая на одном собрании с сообщением о своём открытии, отказался произнести «многоэтажное» название этого химического продукта. Фишер осуществил лишь первую попытку синтеза белковых соединений. Несомненно, что в тот момент, когда химикам удастся в своих лабораториях получить настоящий белок, будет сделан серьёзный шаг по пути искусственного создания жизни. Над этой проблемой сейчас работают как советские, так и иностранные учёные. Синтез Карозерса является новым достижением, приближающим науку к заветной цели. Поэтому открытие Карозерса имеет большое научное и практическое значение. Интересно, что когда Фишера на том же собрании спросили о стоимости его «белка», он назвал почти астрономическую цифру. Белкоподобное же вещество, созданное Карозерсом, стоит очень дёшево.
Таким образом, найлон является белкоподобным веществом, имеющим химическую структуру, близкую к шёлку и шерсти. Но нужно помнить, что найлон не имеет точного химического подобия в природе; поэтому синтетические продукты, полученные из найлона, не только новы, но и принципиально отличны от любых существующих натуральных продуктов.
Установив принципиальную сущность открытия американского химика и коренное отличие нового волокна от старых видов искусственного шелка, попытаемся нарисовать приблизительную картину получения найлона. Исходным веществом для этого, как и для синтеза любого другого белкового вещества, являются уже известные нам аминокислоты. Последние представляют собой органические соединения, в состав которых входят углерод, кислород, водород и азот. Обычно эти кислоты получаются действием аммиака на некоторые органические кислоты. Однако эти обычные способы приготовления аминокислот довольно дороги и сложны. Очевидно, фирма «Дюпон» располагает достаточно дешёвым и простым способом получения аминокислот из аммиака и продуктов переработки нефти. Но заготовка аминокислот лишь первая стадия синтеза найлона. Вторым и основным этапом производства является превращение аминокислот в белкоподобное вещество.
Многие вещества склонны к особому виду химических превращений. При определённых условиях температуры и давления и в присутствии так называемых катализаторов происходит соединение отдельных небольших молекул вещества в более крупные. Этот процесс объединения однородных небольших молекул в более крупные называется процессом конденсации и полимеризации. Полимеризация и конденсация молекул играют чрезвычайно важную роль при получении искусственного каучука, многих пластических масс и других веществ. Изучая на протяжении ряда лет эти процессы, Карозерс установил, что аминокислоты при особых условиях могут полимеризоваться, образуя химические соединения, называемые суперполиамидами. Одним из таких суперполиамидов и является найлон.
Аминокислоты, входящие в состав белковых веществ, обладают самым различным строением. Молекулы некоторых из них представляют как бы длинную цепь связанных между собой определённым образом атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Эта цепь обычно имеет ответвления — меленькие цепочки углеродных и водородных атомов. Для производства суперполиамидов, образующих найлон, применяются аминокислоты с молекулой без боковых цепочек. Такие длинные молекулы, соединяясь между собой, образуют тоже длинную линейную молекулу найлона.
Молекулярное строение найлона имеет очень важное значение. Известно, что обычные белки обладают очень небольшой крепостью и сильно набухают в воде. В качестве примера можно назвать всем известное белковое вещество — желатин, который после короткого пребывания в воде в несколько раз увеличивается в своём объёме. Между тем найлон совершенно не гигроскопичен, он не поглощает воды и не боится влаги. Кроме того, он обладает необычайной крепостью. Всеми этими свойствами найлон обязан строгой линейности своей молекулы.
Процесс получения найлона протекает приблизительно следующим образом. Исходная смесь веществ нагревается в течение двух часов примерно до 215°. Чтобы избежать окисления и распада молекул этих исходных веществ, нагрев производится в атмосфере нейтрального газа — азота. После отгонки примесей получается твёрдый непрозрачный продукт. Он и представляет собой найлон.
Для изготовления искусственного волокна найлон расплавляется в специальной закрытой ванне при температуре 210°. Для того чтобы избежать порчи продукции, плавка опять ведётся в атмосфере азота.
В расплавленном состоянии найлон представляет собой густую, бесцветную жидкость, похожую на глицерин. Полученную массу продавливают через платиновые наконечники — фильеры, имеющие отверстия диаметром в 0,4 миллиметра. Выходя из отверстий, найлон застывает в виде длинных нитей. Но они слишком толстые. Для того чтобы сделать нить более тонкой, её растягивают. Это делают с помощью двух барабанов, из которых один вращается с повышенной скоростью. Перематываясь с одного барабана на другой, нить растягивается в три-четыре раза.
При растяжении найлона происходят очень важные изменения его структуры. В толстой нити молекулы найлона хаотически нагромождены друг на друга. Когда найлон растягивается, его молекулы располагаются вдоль волокна. Они, как говорят химики, ориентируются друг по отношению к другу. Такая ориентация способствует лучшему молекулярному сцеплению. Это и придаёт найлону его исключительную прочность.
По патентам фирмы «Дюпон» сейчас работает несколько заводов в Америке.
Комментариев нет:
Отправить комментарий