Джей Берресон Пенни Лекутер Пуговицы Наполеона. Семнадцать молекул, которые изменили мир
жүктеу/скачать 3.56 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Происхождение резины
- Цис— и транс
- “Отцы” резины
- Почему она тянется
- Как резина изменила историю…
- …и как история изменила резину
Глава 8ИзопренВы можете представить себе мир без шин для автомобилей, грузовиков и самолетов? Без прокладок и ремней для моторов, эластичных резинок для одежды, непромокаемых подошв для обуви? Что бы было с нами без такой примитивной, но такой необходимой вещи, как эластичная резина? Резиновые изделия используются настолько широко, что мы уже не задумываемся над тем, что же такое резина и как она изменила нашу жизнь. А ведь она появилась всего полтора столетия назад! Уникальные свойства резины, связанные с ее химической структурой, принесли одним людям огромное богатство, а другим поломали жизнь.
Некоторые виды резины уже давно известны жителям Центральной и Южной Америки. Считается, что первыми использовать резину в декоративных и прикладных целях начали индейцы, жившие в бассейне Амазонки. Найденные археологами в районе Веракруса (Мексика) резиновые мячи относятся к 1600-1200-м годам до н. э. Во время второго путешествия в Новый Свет в 1495 году Колумб видел индейцев, игравших с тяжелыми мячами, сделанными из растительной смолы, и мячи эти подпрыгивали удивительно высоко. “Лучше, чем наполненные ветром испанские [мячи]”, — отметил он, по-видимому, имея в виду надутые воздухом мочевые пузыри животных, которыми играли испанцы. Колумб и другие путешественники привозили такие мячи в Европу. Однако резиновая смола оставалась для европейцев непонятным новшеством; в жаркую погоду мячи были липкими и издавали сильный запах, а зимой становились слишком твердыми и ломкими. Первым человеком, заинтересовавшимся возможностью практического применения этого странного вещества, был француз Шарль Мари де ла Кондамин. Его называют и математиком, и географом, и астрономом, а также гулякой и авантюристом. Французская академия наук отправила его в Перу для измерения меридиана на экваторе, чтобы удостовериться в том, что Земля действительно несколько сплющена у полюсов. Выполнив задание, Кондамин воспользовался возможностью исследовать джунгли Южной Америки. Он вернулся в Париж в 1735 году и привез несколько мячей, изготовленных из смолы каучукового, или “плачущего”, дерева. Он наблюдал за тем, как индейцы в Эквадоре собирают липкий белый сок каучукового дерева, а затем выдерживают его над огнем и заливают в формы, чтобы изготовить различные емкости, мячи, головные уборы и обувь. К сожалению, привезенный Кондамином сырой сок, не подвергшийся тепловой обработке, перебродил во время путешествия и превратился в ни на что не годную, дурно пахнущую массу. Млечный сок, или латекс, представляет собой коллоидную эмульсию — взвесь частиц природной резины в воде. Многие тропические деревья и кустарники производят латекс (среди них комнатное растение Ficuselastica, которое часто называют каучуковым, или резиновым, деревом). Млечный сок образуют все представители широко распространенного семейства Euphorbia. К этому семейству относятся: молочай, пуансеттия, напоминающие кактус суккуленты, листопадные и вечнозеленые эуфорбии, а также однолетнее североамериканское растение “снег на горах” (молочай окаймленный). Вечнозеленое растение Partheniumargentatum, или гваюла серебристая, которое растет на юге США и на севере Мексики, тоже производит много природного каучука. Даже скромный одуванчик, хотя не является тропическим растением и не относится к семейству Euphorbia, тоже образует млечный сок. Но самым мощным производителем природного каучука является дерево Hevea brasiliensis, происходящее из бассейна Амазонки в Бразилии. Цис— и транс-Природная резина представляет собой полимер изопрена. Состоящий всего из пяти атомов углерода изопрен является самым маленьким мономером в составе природных полимеров, а природная резина — самым простым из природных полимеров. Первые химические опыты по изучению структуры резины поставил великий английский ученый Майкл Фарадей. Хотя сегодня Фарадея считают скорее физиком, чем химиком, сам он предпочитал называть себя натурфилософом. Дело в том, что в его времена границы между физической и химической науками были весьма расплывчатыми. Майкл Фарадей знаменит своими открытиями в области электричества, магнетизма и оптики, однако его вклад в развитие химии также весьма значителен. В частности, в 1826 году он установил, что мономерным звеном резины является молекула с формулой C5H8. К 1835 году стало ясно, что из резины с помощью дистилляции можно выделить изопрен и что резина, по-видимому, является полимером, состоящим из повторяющихся звеньев изопрена. Через несколько лет, когда удалось полимеризовать изопрен с образованием резиновой массы, эта гипотеза была доказана. Структурную формулу изопрена обычно изображают так:
Здесь у каждого из двух соседних атомов углерода имеется двойная связь, а вокруг одинарной связи, соединяющей центральные атомы углерода, возможно свободное вращение. 
Понятно, что эти две структуры, образующиеся в результате вращения вокруг одинарной связи, описывают одно и то же вещество. При образовании природной резины молекулы изопрена присоединяются друг к другу “хвост в хвост”. В результате полимеризации изопрена образуются так называемые двойные цис-связи. Двойная связь придает молекуле жесткость и предотвращает вращение. Поэтому изображенная слева на рисунке так называемая цис-форма отличается от изображенной справа так называемой трансформы. 
Цис-форма 
Транс-форма В цис-структуре два атома водорода (а также CH3 группы) располагаются с одной и той же стороны от двойной связи, а в транс-структуре атомы водорода (и CH3 группы) располагаются по разные стороны от двойной связи. Это, казалось бы, незначительное различие в расположении групп и атомов по отношению к двойной связи оказывает чрезвычайно сильное влияние на свойства полимеров изопрена. Стоит сказать, что изопрен — это лишь одно из многих органических соединений, существующих в цис— и транс-форме, и в каждом случае химических вещества с разным расположением групп относительно двойной связи заметно отличаются по своим свойствам. На рисунке внизу изображены четыре молекулы изопрена, готовые вступить в реакцию с образованием молекулы природной резины: 
На следующей странице пунктирными линиями обозначено продолжение полимерной цепи, которое может происходить в случае присоединения новых молекул изопрена. 
Фрагмент структуры природной резины При соединении молекул изопрена образуются новые двойные связи. Все они имеют цис-форму по отношению к полимерной цепи; это означает, что “вход” и “выход” полимерной цепи в каждое мономерное звено осуществляется с одной и той же стороны от двойной связи. 
Атомы углерода, продолжающие полимерную цепь, располагаются с одной и той же стороны от двойной связи, следовательно, это цис-изомер Такое строение цепи имеет определяющее значение для эластичности резины. Однако в природе полимеризация изопрена не всегда происходит именно таким образом. Если присоединение звеньев идет в транс-положении, получается полимер, свойства которого отличаются от свойств природного каучука. Если молекулу изопрена повернуть так, как показано на рисунке: 
а затем соединить четыре такие молекулы, 
то получится транс-изомер каучука. 
Продолжающаяся углеродная цепь подходит к этой двойной связи с разных сторон. Таким образом, здесь изображен транс-изомер. Этот транс-изомер встречается в природе в виде двух веществ — гуттаперчи и балаты. Гуттаперчу получают из млечного сока различных представителей семейства Sapotaceae, в частности деревьев рода Palaquium, произрастающих на полуострове Малакка. Примерно на 80 % гуттаперча состоит из трансизомера изопрена. Балата, которую получают из млечного сока растения Mimusopsglobosa, произрастающего в Панаме и на севере Южной Америки, содержит аналогичный трансполимер. Как гуттаперчу, так и балату можно плавить и формовать, но через некоторое время под действием воздуха эти вещества твердеют и роговеют. Однако под водой этого не происходит, поэтому в конце XIX и начале XX века гуттаперчу широко использовали в качестве покрытия для подводной части кабелей. Гуттаперчу также применяли врачи и дантисты, например, для изготовления шин, катетеров и щипцов, для припарок от нарывов и в качестве пломбировочного материала для лечения зубов. Ценные свойства гуттаперчи и балаты, возможно, более всего оценили любители гольфа. Сначала мячи для гольфа были деревянными, чаще всего их делали из древесины вяза или березы. Однако в начале XVIII века шотландцы изобрели “перьевые” мячи — кожаные мячи с набивкой из гусиных перьев. Такие мячи летели примерно вдвое дальше деревянных, однако они намокали и в сырую погоду вели себя непредсказуемо. Кроме того, со временем эти мячи рассыпались, причем были в десять с лишним раз дороже деревянных. Наконец в 1848 году появились гутти. Эти мячи делали из гуттаперчи, которую кипятили в воде, а затем вручную (позднее с помощью металлических отливок) лепили из нее шар и оставляли твердеть. Такие мячи вскоре стали очень популярными, но и у них были свои недостатки. Со временем транс-изомер изопрена становится жестким, так что старые гуттаперчевые мячи частенько разваливались прямо во время игры. Правила игры в гольф это учитывали, и в такой ситуации игроку разрешалось взять новый мяч, поставив его в то место, куда упал самый крупный фрагмент рассыпавшегося мяча. Кроме того, истертые и ободранные мячи летели дальше. В общем, производители задумались над разработкой новых мячей и наконец создали современные мячи, поверхность которых покрыта небольшими углублениями. В конце XIX века цис-изомер изопрена также проник в сферу гольфа: появились мячи с гуттаперчевым ядром и оболочкой из каучука. Сегодня мячи для гольфа делают из множества разных материалов. Некоторые из них содержат каучук. Покрытие до сих пор иногда делают из транс-изомера изопрена, но чаще из балаты, чем из гуттаперчи.
Майкл Фарадей не был единственным ученым, экспериментировавшим с резиной. В 1823 году химик из Глазго Чарльз Макинтош использовал нафту, продукт переработки угля, в качестве растворителя для изготовления прорезиненной ткани. Водонепроницаемые плащи до сих пор называют макинтошами. Открытие Макинтоша способствовало активному применению резины для изготовления механических устройств, шлангов, ботинок и резиновых сапог, шляп и плащей. В начале 30-х годов XIX века в США началась “резиновая лихорадка”. Однако несмотря на водоотталкивающие свойства изделий из резины, их популярность пошла на спад, когда люди поняли, что зимой прорезиненная одежда становится жесткой, как камень, а летом плавится и издает неприятный запах. “Резиновая лихорадка” прошла очень скоро, и казалось, что резина останется всего лишь любопытным материалом, пригодным только для ластиков. Слово “резина” (rubber) 10 в 1770 году придумал английский химик Джозеф Пристли, который обнаружил, что кусочек каучука стирает (rubout) следы карандаша лучше, чем сырой хлеб, которым пользовались для этой цели. Ластики продавались в Англии как “индийские”, в связи с чем распространилось ошибочное мнение о том, что родиной резины является Индия. В начале “резиновой лихорадки”, около 1834 года, американский изобретатель и предприниматель Чарльз Гудьир осуществил серию экспериментов, вызвавших гораздо более длительный интерес к резине. Гудьир был скорее изобретателем, чем бизнесменом. Он всю жизнь прожил в долгах, несколько раз становился банкротом и называл долговые тюрьмы своими “отелями”. Гудьиру пришла мысль, что путем смешивания какого-либо сухого порошка с резиной можно добиться впитывания избыточной влаги, которая делает резину липкой в жаркую погоду. Он изучил свойства разных смесей. Каждый раз ему казалось, что ответ найден, но летом проблема возникала вновь: температура поднималась, и резиновая обувь и одежда опять начинали расплываться и неприятно пахнуть. Соседи жаловались на запах, исходящий из его мастерской, спонсоры отступались, но Гудьир упрямо продолжал поиски. Одна серия экспериментов дала интересные результаты. Если обработать резину азотной кислотой, она превращается в практически сухой гладкий материал, который, как надеялся Гудьир, не должен изменяться при смене температуры. Он вновь нашел спонсора, который помог ему получить государственный подряд на производство почтовых сумок. Теперь Гудьир был уверен, что добился успеха. Он оставил готовые сумки в закрытом помещении и уехал с семьей на летние каникулы. Возвратившись, он обнаружил, что сумки слиплись в бесформенную массу, до боли знакомую. Удача пришла к изобретателю только зимой 1839 года, когда Гудьир проводил эксперименты по смешиванию резины с порошком серы. Он случайно просыпал немного этой смеси на горячую печь. Чутье исследователя подсказало ему, что обуглившаяся клейкая масса может представлять определенный интерес. Он понял, что сера и нагревание изменили резину необходимым образом, однако пока не знал, сколько серы и какая температура нужны для получения оптимального результата. Гудьир продолжал эксперименты на собственной кухне. Он прижигал утюгом смесь серы с резиной, запекал ее в печи, жарил на огне, прогревал над чайником и зарывал в горячий песок. Упорство Гудьира было вознаграждено. Через пять лет он получил воспроизводимый результат: создал резину, которая была плотной, эластичной и устойчивой в любую погоду. Однако успешный ученый продолжал оставаться неудачливым бизнесменом. За свои патенты он получил минимальный гонорар, а вот те, кому он продал свои изобретения, обогатились. Гудьир не менее тридцати двух раз подавал жалобы в Верховный суд США и выигрывал дело, но несмотря на это его права на изобретение постоянно нарушались. Он не был дельцом. Он был полностью захвачен поиском бесконечных возможностей созданного им вещества: он хотел создать из резины банкноты, ювелирные изделия, паруса, краски, автомобильные рессоры, оснастку кораблей, музыкальные инструменты, напольные покрытия, спасательные плоты. Заметим, что многие из его идей были впоследствии реализованы. Гудьиру не везло и с иностранными патентами. Он отправил образец изобретенного им вещества в Англию и предусмотрительно не указал никаких деталей процесса вулканизации. Однако эксперт в области резины Томас Хэнкок на одном из образцов обнаружил следы порошка серы. Когда Гудьир подал заявку на изобретение в Англии, выяснилось, что всего за неделю до него заявку на разработку процесса вулканизации практически в идентичных условиях подал Хэнкок. Гудьир отказался от предложения Хэнкока поделить права на изобретение, подал в суд и проиграл. В 50-х годах XIX века на Всемирных выставках в Лондоне и Париже новый материал демонстрировался в павильонах, целиком построенных из резины. Однако Гудьир, который оказался не в состоянии оплатить счета, так как его французский патент был аннулирован по формальной причине, опять проводил время в долговой тюрьме. Интересно, что отбывая очередное заключение во французской тюрьме, он был удостоен ордена Почетного легиона. Вероятно, император Наполеон III, награждая Гудьира, признал в нем изобретателя, а не бизнесмена. Почему она тянется?Гудьир, который не был химиком, не знал, почему сера и нагревание так позитивно повлияли на свойства природной резины. Он не знал структуры изопрена, не знал, что резина является его природным полимером и что с помощью серы он добился образования столь важных перекрестных сшивок между молекулами. При нагревании атомы серы образуют мостики, которые удерживают между собой молекулы полимера. Прошло более семидесяти лет после открытого Гудьиром процесса, названного вулканизацией (в честь Вулкана, древнеримского бога огня), прежде чем английский химик Сэмюель Шраудер Пиклз предположил, что каучук представляет собой линейный полимер изопрена — и суть вулканизации стала наконец ясна. Эластичность резины обусловлена ее химической структурой. Случайным образом свернутые цепи полиизопрена при натяжении выстраиваются в направлении приложенной силы. Когда натяжение ослабевает, молекулы полимера вновь сворачиваются. Длинные гибкие цепи молекул природной резины, имеющие цис-конфигурацию, недостаточно тесно прижаты друг к другу, чтобы образовывать эффективные перекрестные сшивки, и при натяжении молекулы скользят друг относительно друга. Обратная ситуация имеет место в случае зигзагообразной структуры полностью транс-изомеров. Эти молекулы могут тесно прилегать друг к другу, образуя прочные перекрестные связи, которые не позволяют цепям проскальзывать, и поэтому такие полимеры нерастяжимы. Таким образом, транс-изомеры гуттаперча и балата представляют собой твердые и нерастяжимые вещества, а резина, цис-изомер изопрена, — гибкий эластомер.
Когда стали ясны преимущества вулканизации резины, спрос на этот материал стал быстро расти. Млечный сок дают многие тропические растения, однако деревья рода гевея произрастают исключительно в дождевых лесах бассейна Амазонки. Буквально за несколько лет “резиновые бароны” разбогатели за счет труда наемных рабочих, многие из которых были родом как раз из района Амазонки. На самом деле система долгового рабства мало чем отличалась от обычного рабства. Как только рабочие подписывали соглашение с работодателем, они обязаны были покупать у него инструменты и продукты, а их долги росли, поскольку зарплата никогда не покрывала расходов. Сборщики резины работали от восхода до заката, собирая млечный сок, прогревая липкую массу над плотным дымом костров и оттаскивая твердые шары почерневшего латекса к месту погрузки на корабли. В сезон дождей, то есть с декабря по июнь, когда латекс не застывает, рабочие оставались в своих нищих жилищах под присмотром жестоких надсмотрщиков, которые без колебаний стреляли в тех, кто пытался сбежать. В лесах бассейна Амазонки каучуковые деревья составляют не более 1 % растительности. С лучших деревьев можно собрать килограмм резины в год. Самые крепкие рабочие за один день могли собрать и обработать около десяти килограммов. Шары подготовленной резины на лодках отвозили скупщикам, а оттуда доставляли в Манаус, стоящий в полутора тысячах километров от Атлантического океана, на реке Риу-Негру, в двадцати километрах от ее слияния с Амазонкой. Благодаря торговле резиной тропический поселок Манаус превратился в быстро растущий город. Именно здесь заметнее всего было различие между жизнью сотни преуспевающих “баронов” (главным образом европейцев) и их рабочих. Роскошные особняки и экипажи, экзотическая пища, ухоженные сады и другие признаки изобилия и процветания можно было обнаружить в Манаусе в 1890-1920-х годах — в период резиновой монополии Бразилии. В здании оперного театра выступали звезды Европы и Америки. В какой-то момент Манаус даже приобрел славу города, в котором идет самая бойкая торговля бриллиантами. Однако “резиновый пузырь” уже готов был лопнуть. Еще в 70-х годах XIX века Британия обеспокоилась постоянной вырубкой каучуконосных деревьев в тропических лесах. Если дерево срубить, из него можно получить больше млечного сока — до тридцати килограммов по сравнению с одним килограммом в год при надрезании коры. Такая практика привела к почти полному исчезновению деревьев вида Castilla, производящих менее качественный каучук, из которого изготавливали товары домашнего обихода и детские игрушки. В 1876 году англичанин Генри Александер Уикхэм увез с Амазонки семьдесят тысяч семян дерева Hevea brasiliensis, которое впоследствии оказалось лучшим источником природного каучука. В лесах бассейна Амазонки произрастают семнадцать видов гевеи, и никто не знает, было ли Уикхэму известно, что собранные им маслянистые семена относятся к самому продуктивному виду, или ему просто повезло. Также осталось тайной, почему его корабль не обыскали бразильцы. Возможно, местные власти не подозревали, что гевея может расти за пределами региона. Уикхэм с большим вниманием отнесся к транспортировке своего груза и тщательно упаковал семена, чтобы предотвратить их порчу и прорастание. Июньским утром 1876 года он явился домой к известному ботанику Джозефу Гукеру, курировавшему Королевские ботанические сады в Кью (Кью-Гарденз) неподалеку от Лондона. Для семян было обустроено специальное помещение. Уже через несколько дней появились первые ростки — всходы почти двух тысяч каучуконосных деревьев, которые позднее были отправлены в Азию и стали родоначальниками новой большой династии. Первые саженцы, упакованные в миниатюрные ящики-оранжереи, отправили на кораблях в Коломбо, на остров Цейлон (ныне Шри-Ланка). В те времена почти ничего не было известно об условиях роста каучуконосных деревьев, а также о том, как условия жизни в Азии повлияют на их способность производить млечный сок. В Кью-Гарденз была организована программа интенсивного научного исследования условий культивирования Heveabrasiliensis и было установлено, что, вопреки тогдашним представлениям, из здоровых деревьев сок можно извлекать ежедневно. Собирать млечный сок можно с деревьев, достигших четырехлетнего возраста, тогда как раньше считалось, что дикие деревья дают сок только в возрасте двадцати пяти лет. Первые две плантации каучуконосов были организованы в Селангоре (Малайзия). В 1896 году в Лондон прибыла первая партия светлой, янтарного цвета малайской резины. Голландцы вскоре организовали плантации на Яве и Суматре, а к 1907 году у Британии было около десяти миллионов каучуковых деревьев, посаженных ровными рядами на площади более тысячи квадратных километров в Малайзии и на Цейлоне. Для обеспечения рабочей силой были перевезены тысячи рабочих: китайцы в Малайзию, тамилы — на Цейлон. Спрос на резину затронул и Африку, особенно центральную часть континента, в частности Конго. В 80-х годах XIX века король Бельгии Леопольд II, обнаружив, что западные, восточные и южные регионы Африки уже поделены между Британией, Францией, Германией, Португалией и Италией, начал колонизацию Центральной Африки, население которой сократилось в результате столетий рабства. Добыча слоновой кости в XIX веке также привела к ужасным последствиям, нарушив образ жизни местного населения. Торговцы слоновой костью не брезговали тем, чтобы брать в заложники кого-либо из местных жителей и требовать у семьи выкуп слоновой костью, что вынуждало людей предпринимать небезопасную охоту на слонов. По мере того как слоновой кости становилось все меньше, а цена резины начала расти, торговцы в качестве выкупа стали требовать красный каучук, выделяемый диким растением, произрастающим в бассейне реки Конго. Леопольд воспользовался торговлей резиной, чтобы финансировать создание первой бельгийской колонии в Центральной Африке. Он сдал огромные участки земли в аренду таким торговым компаниям, как Англо-Бельгийская, Индийская резиновая и Антверпенская. Доходы от торговли резиной зависели от сбора. Жителей Конго сгоняли на сбор млечного сока, иногда силой оружия. Жители целых деревень спасались от бельгийцев бегством, чтобы не попасть в рабство. Непокорных жестоко наказывали. Тем, кто собирал недостаточно сока, могли отрубить руки. Несмотря на отдельные протесты против режима Леопольда, иностранные государства позволяли резиновым компаниям широко использовать подневольный труд.
В отличие от других молекул резина не только изменила цивилизацию, но и сама изменилась. Словом “резина” теперь называют самые разные полимерные материалы, создание которых было связано с различными событиями XX века. Добыча природной резины на плантациях очень скоро превысила добычу в бассейне Амазонки. К 1932 году 98 % всей резины поступало с плантаций в Юго-Восточной Азии. Правительство США было очень обеспокоено зависимостью американской промышленности и транспорта от этого источника. После того, как в декабре 1941 года японцы напали на Перл-Харбор и Америка оказалась втянутой во Вторую мировую войну, президент Франклин Делано Рузвельт организовал специальную комиссию, которая должна была решить проблему дефицита резины. Комиссия пришла к заключению, что “если мы не сможем быстро обеспечить надежный источник резины, и военная мобилизация, и национальная экономика обречены”. Комиссия отклонила предложение об экстракции природной резины из различных растений, произрастающих на территории страны: хризотамнуса из Калифорнии или одуванчиков из Миннесоты. Хотя Россия во время войны использовала одуванчики как запасной источник резины, назначенная Рузвельтом комиссия сочла, что выход резины из такого источника будет низким, а ее качество — сомнительным. Единственно верным решением, по мнению комиссии, был синтез искусственной резины. Попытки синтезировать резину путем полимеризации изопрена окончились неудачей. Проблема заключалась в цис-конфигурации полимерных цепей. Процесс полимеризации резины в природе происходит под контролем ферментов, так что рост цепи всегда совершается в цис-положении по отношению к двойной связи. В синтетическом процессе такой контроль невозможен, в результате продукт представляет собой цепь со случайным сочетанием цис— и транс-форм. Полимер изопрена с таким случайным цис— и транс-расположением звеньев уже был известен. Он содержится в млечном соке южноамериканского дерева саподилла (Achrassapota). Загустевший сок этого дерева называли чиклом и делали из него жевательную резинку. Судя по всему, жевание жвачки — это древняя привычка. Куски жвачки из саподиллы археологи находили на местах стоянок доисторических людей. Древние греки жевали смолу фисташкового дерева, которое растет на Ближнем и Среднем Востоке, в Турции и Греции. Жители этих регионов жуют ее до сих пор. В Новой Англии индейцы, жевавшие застывшую еловую смолу, привили эту привычку европейским поселенцам. Еловая смола обладает отчетливо выраженным вкусом, но часто содержит трудно удаляемые примеси, так что у колонистов большей популярностью пользовалась парафиновая жвачка. Чикл, который индейцы майя, жившие на территории современной Мексики, Гватемалы и Белиза, жевали на протяжении тысячи лет, в Америку привез генерал Антонио Лопес де Санта-Анна, покоритель Аламо11. В 1855 году, будучи президентом Мексики, Санта-Анна подписал соглашения, согласно которым Мексика отказывалась от прав на земли севернее Рио-Гранде. После этого он был смещен с поста и покинул страну. Он надеялся, что продажа чикла американцам (в качестве замены натуральной резины) позволит ему собрать армию и вернуть себе пост президента Мексики. Однако он не знал о неупорядоченной цис/транс-структуре чикла. Несмотря на многочисленные попытки Санта-Анны и его делового партнера — фотографа и изобретателя Томаса Адамса, чикл не удавалось вулканизировать для получения требуемых свойств, как не удавалось и смешать его с резиной. Казалось, что чиклу не найдется никакого коммерческого применения, пока Адамс однажды не увидел ребенка, покупавшего в магазине парафиновую жвачку, и не вспомнил, что жители Мексики всю жизнь жуют чикл. Он подумал, что для производства жвачки можно использовать запасы чикла, хранившиеся у него на складе. Вскоре жевательная резинка на основе чикла, подслащенная сахарным песком и по-разному ароматизированная, стала основой новой индустрии. Во время Второй мировой войны жевательную резинку выдавали войскам, чтобы поддерживать солдат в боевой готовности, однако все же вряд ли стоит рассматривать жвачку в качестве стратегического материала военного времени. Все экспериментальные попытки получить резину из изопрена приводили к созданию чего-то вроде чикла, поэтому стало понятно, что синтезировать искусственную резину придется из какого-то другого исходного вещества. Забавно, что технология этого процесса была разработана в Германии. Во время Первой мировой войны поставки резины из Юго-Восточной Азии в Германию были блокированы союзниками. Тогда крупные немецкие химические компании занялись созданием вариантов искусственной резины, лучшей из которых оказалась стирол-бутадиеновая резина (СБР). Стирол впервые был выделен в конце XVIII века из смолы ликвидамбара смолоносного (Liquidamber orientalis) родом с юго-запада Турции. Через несколько месяцев экстрагированный стирол начинал густеть, что означает, что он постепенно полимеризовался.
Теперь этот полимер называют полистиролом и используют для создания пленок, упаковочного материала и одноразовой посуды. В качестве исходных веществ для синтеза резины немецкая компания “И. Г. Фарбениндустри” использовала синтетический стирол (который производили с 1866 года) и бутадиен. В СБР соотношение бутадиена (CH2=CH-CH=CH2) к стиролу составляет примерно 3:1, хотя точное соотношение компонентов и структура полимера может варьировать. Считается, что этот полимер имеет случайное расположение цис— и транс-связей. 
Фрагмент структуры стирол-бутадиенового каучука, известного также как буна-S. СБР можно подвергнуть вулканизации. В 1929 году компания “Стандарт ойл” из Нью-Джерси подписала с “И. Г. Фарбениндустри” соглашение о партнерстве в области создания синтетических масел. В соглашении оговаривалось, что “Стандарт ойл” имеет доступ к некоторым патентам “И. Г. Фарбениндустри”, включая патент на производство СБР. Однако компания “И. Г. Фарбениндустри” не обязана была сообщать технические подробности, и в 1938 году нацистское правительство проинформировало компанию, что США не получат никаких данных. В итоге “И. Г. Фарбениндустри” открыла “Стандарт ойл” патент на производство СРБ, который, однако, содержал слишком мало информации, чтобы на его основе американцы смогли создать собственную резину. Но американская химическая промышленность мобилизовалась и достаточно скоро перешла к производству собственной стирол-бутадиеновой резины. В 1941 году объем производства синтетической резины в Америке составлял лишь восемь тысяч тонн, однако к 1945 году он превысил восемьсот тысяч тонн, что в значительной степени покрывало потребность страны в резине. Такое расширение производства за столь короткий срок называли вторым крупнейшим достижением в области химической технологии XX века после создания атомной бомбы. В следующие десятилетия были созданы другие виды синтетической резины (неопреновая, бутиловая, буна-N). Резиной стали называть многие полимеры со свойствами натурального каучука, синтезированные не из изопрена, а из других материалов. В 1953 году Карл Циглер в Германии и Джулио Натта в Италии дополнительно усовершенствовали производство синтетической резины. Циглер и Натта независимо друг от друга разработали систему синтеза, позволявшую получать либо транс-, либо цис-полимеры в зависимости от типа катализатора. Теперь натуральную резину можно было получать синтетическим путем. Так называемые катализаторы Циглера-Натта, за открытие которых авторы получили в 1963 году Нобелевскую премию по химии, революционизировали химическую промышленность, поскольку позволили синтезировать полимеры со строго контролируемыми свойствами. В результате стало возможным синтезировать более эластичную, прочную, долговечную резину, не разрушавшуюся под действием растворителей или ультрафиолетового излучения, с большей сопротивляемостью удару, теплу и холоду.
Резина до сих пор влияет на мир. Без резины были бы немыслимы изменения в технике. Машинам нужны детали из искусственной или натуральной резины: ремни, сальники, муфты, клапаны, уплотнительные кольца, диски, шины, изоляция и многое другое. Механизация транспорта (легковые и грузовые автомобили, корабли, поезда и самолеты) изменила способ перевозки людей и грузов. Механизация промышленности изменила саму суть нашей работы. Механизация сельского хозяйства способствовала росту городов и превратила наше общество из сельского в городское. Резина сыграла во всех этих процессах решающую роль. Наше будущее также может быть связано с резиной, поскольку из нее изготавливают важнейшие элементы космических станций, скафандров, ракет и шаттлов, которые позволяют выйти за пределы нашего мира и проникнуть в другие миры. Однако незнание эксплуатационных свойств резины ограничивает наши возможности продвижения к звездам. Несмотря на обилие информации, которой владеет НАСА в области технологии полимеров, неустойчивость резины при замерзании (известная Кондамину, Макинтошу и Гудьиру) стала причиной гибели шаттла “Челленджер” в январе 1986 года. Температура воздуха при запуске корабля была 2 °C — значительно ниже самой низкой температуры при предыдущих запусках. Одна из прокладок на теневой стороне твердотопливного двигателя шаттла, по-видимому, охладилась до температуры около -2 °C. Она потеряла обычную эластичность и порвалась. В результате утечки выхлопных газов произошел взрыв, унесший жизни семерых астронавтов. Это свежий пример “эффекта пуговиц Наполеона”, то есть пренебрежения известными свойствами молекул, в результате которого произошло трагическое событие.
жүктеу/скачать 3.56 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
