И как история изменила резину

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 Аламо[11]. 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 во многих отношениях повлияла на мир. Сбор сырья сильно изменил как ход развития общества, так и состояние окружающей среды. Вырубка каучуконосов в бассейне Амазонки является лишь одним из множества примеров эксплуатации ресурсов тропических лесов и разрушения уникальной природной среды. Постыдное отношение к исконным жителям этих мест не изменилось до сих пор: современные старатели и фермеры продолжают захватывать земли, принадлежащие потомкам тех, кто когда-то собирал здесь млечный сок. Жестокая колонизация Конго оставила в наследство нестабильность и насилие, от которых до сих пор страдает регион. Массовая миграция рабочих на каучуковые плантации в Азии более ста лет назад продолжает определять этническое, культурное и политическое своеобразие Малайзии и Шри-Ланка.

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.

Глава 9

Краски

Краски расцвечивают нашу одежду, мебель, предметы домашнего обихода, даже волосы. Когда мы подбираем подходящий цвет или оттенок — более глубокий, более мягкий, — мы редко задумываемся о том, какие именно вещества позволяют нам достичь желаемого результата. Краски и красители — это природные или созданные человеком вещества, применять которые люди начали тысячи лет назад. Усовершенствование природных красителей и синтез новых привели к появлению крупнейших химических компаний современности.

Изготовление красителей, описанное в китайских источниках, относящихся к III тысячелетию до н. э., возможно, является первым примером человеческой деятельности в сфере химии. Сначала красители добывали из растений: их корней, листьев, коры или ягод. Процедуры выделения были детально разработаны и иногда достаточно сложны. Кроме того, многие вещества плохо связываются с необработанными волокнами. Поэтому ткань сначала следовало протравить, то есть обработать веществами, которые помогут связать краситель. Первые красители пользовались очень большим спросом и высоко ценились, но их использование было сопряжено с множеством проблем. Часто их было сложно получить, спектр цветов был узок, краски были нестойкими или быстро выгорали на солнце. Кроме того, окраска быстро теряла интенсивность при стирке.

Дата добавления: 2015-11-26