Изготовление мочевиноформальдегидной смолы

Изготовление мочевиноформальдегидной смолы, в основном, не отличается от только что описанного опыта. Заполним пробирку на одну треть насыщенным раствором мочевины в формалине, добавим 2 капли 20%-ной соляной кислоты и нагреем смесь на малом огне до кипения. Далее она кипит самопроизвольно, в конечном счете мутнеет и быстро загустевает, приобретая консистенцию резины.

Выдержим пробирку не менее 20 минут в кипящей водяной бане. При этом мочевиноформальдегидная смола отверждается. Разбив пробирку, мы извлечем из нее очень твердую массу - от прозрачной до почти белой.

Мочевиноформальдегидные пластики служат для изготовления товаров бытового назначения - посуды, рукояток, пуговиц, футляров и т. п. Если эти смолы получать в нейтральной среде, то конденсация останавливается на стадии резола. Полученная при этом сиропообразная масса растворима в воде. Этот раствор известен как синтетический карбамидный клей (В нашей стране клай марки К-17 и др. – Прим. перев).

Приготовим карбамидный клей

В круглодонной колбе, в которую вставлен обратный холодильник, на малом огне нагреем до кипения смесь 15 г мочевины, 25 г 30 %-ного формалина и 3 капель концентрированного раствора едкого натра. Через 15 минут нагревание прекратим и посмотрим, стала ли масса вязкой. Если это состояние достигнуто, то разбавим ее очень малым количеством воды. Полученной массой густо намажем одну сторону деревянной дощечки, а другую дощечку пропитаем отвердителем. Проведем три опыта: испытаем в качестве отвердителя соляную и метановую (муравьиную) кислоты, а также концентрированный раствор хлорида аммония. При использовании хлорида аммония клей не следует наносить слишком густым слоем. Хлорид аммония при нагревании разлагается, образуя хлористый водород и аммиак. Это приводит к появлению трещин и расклеивайте.

Образцы нужно плотно сжать друг с другом. Склеивание длится 15-20 часов. Процесс можно ускорить - нагревать образцы не менее 30 минут при 80-100 °С. В лаборатории для этого лучше всего использовать сушильный шкаф, но можно провести опыт и дома, заменив шкаф другим источником нагревания. Карбамидный клей хорошо подходит для склеивания слоистой древесины, фанеры, фибры, изготовления моделей и т. п. Важнейшим свойством полученных клеевых соединений является их стойкость по отношению к холодной и горячей воде.

ТАРЕЛКИ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ ЖОНГЛЕРОВ

Мы не раз восхищались искусством жонглеров, удерживающих в равновесии на длинных бамбуковых шестах вращающиеся тарелки. Вот бы и нам так! Прежде чем выходить на сцену, придется потренироваться дома. Но, увы, уже через несколько секунд первая тарелка превратится в осколки. Следующие тарелки ожидает та же печальная участь. Хорошо было бы иметь небьющиеся тарелки! И достать их теперь нетрудно: уже несколько лет такие тарелки, а также чашки и бидоны из меладура – пластмассы, относящейся к аминопластам – производится в ГДР. (В нашей стране подобная пластмасса выпускается под названием меланит. – Прим. перев.) Такая посуда не боится ударов, не имеет запаха и вкуса и выдерживает кипячение. Кроме того, она легкая - плоская тарелка диаметром 234 мм весит всего 265 г, тогда как фаянсовая тарелка такого же размера - 480 г. Это не только облегчает труд работников обычных столовых, но особенно удобно для всех едущих, плывущих и летящих кухонь и ресторанов - в поездах, на кораблях и самолетах. Кроме того, меладур плохо проводит тепло, и поэтому пища в нем долго остается горячей. Меладур успешно используется и для изготовления предметов домашнего обихода, игрушек, канцелярских товаров, санитарно-технического оборудования, дверных ручек, для отделки мебели, а также для изготовления электротехнических деталей.

Если кусочек такой смолы внести в пламя, то запахнет аммиаком, метаналем и как будто рыбой. Это подтверждает, что мы, действительно, имеем дело с аминопластом.

СЕМЬЯ ТЕРМОПЛАСТОВ

Пластмассам можно придавать требуемую форму самыми разнообразными способами. Их можно отливать и прессовать, прокатывать и протягивать, выдувать и вспенивать, прясть, сваривать и склеивать. Пластмассы хорошо поддаются механической обработке - их можно строгать, фрезеровать, обтачивать и сверлить. Химики открывают все новые типы пластмасс, а это требует от инженеров и техников создания новых машин для их переработки. При этом приходится в каждом случае учитывать особенности пластмасс, природу входящих в них наполнителей, пластификаторов, стабилизаторов и других добавок. При переработке термопластов очень важен правильный температурный режим. Мы знаем, что термопласты при нагревании переходят в пластическое состояние, а при охлаждении снова затвердевают, причем эту операцию можно повторять сколько угодно раз. Однако при слишком сильном нагревании они разлагаются, поэтому соответствующие машины обязательно должны быть снабжены приборами для измерения и автоматического регулирования температуры.

Обычно термопласты перерабатывают с помощью экструдеров (червячных прессов), каландров и машин для литья под давлением.

СОБЕРЕМ И РАЗБЕРЕМ МОЛЕКУЛЫ ПОЛИСТИРОЛА

Катушки, кассеты и бобины для магнитофонной ленты, цоколи радиоламп, облицовочные плиты, шкалы приборов, скобы и хомуты для крепления кабелей, аккумуляторные банки, ручки инструментов и приборов, пленки, абажуры, детали клемм, футляры, принадлежности для бритья, игрушки, посуда, плитки для отделки мебели, пудреницы, крышки для банок и бутылок, коробки, детали электрических выключателей, авторучки...- этот перечень изделий из полистирола можно было бы продолжать еще долго. Применение полистирола очень разнообразно - от пленки в конденсаторах толщиной 0,02 мм до толстых плит из пенополистирола, используемых в качестве изоляционного материала в холодильной технике.

Для следующих опытов нам понадобится кусочек по возможности неокрашенного полистирола. Вероятно, где-нибудь дома или во дворе удастся найти расколотую пластмассовую мисочку, кружку, салатник или кассету от магнитофонной пленки. Правда, мы не знаем точно, сделана ли эта вещь именно из полистирола, но это можно быстро проверить с помощью пробы на сгорание. Для полистирола характерно коптящее пламя с цветочным сладковатым запахом (Этот запах корицы обычно можно обнаружить, уколов исследуемый предмет раскаленной иглой – Прим. перев.). Если к тому же предмет падает на пол с металлическим звоном, то скорее всего он нам подойдет.

Как мы уже знаем, все полимеры образуются из мономеров. Термопласты получаются в результате реакции полимеризации.

Полимеризацией называют процесс соединения многих молекул, содержащих кратные связи, в одну большую молекулу (макромолекулу). В отличие от поликонденсации при этом не образуется побочных низкомолекулярных продуктов. Некоторые полимеры, например полистирол и полиметилметакрилат (органическое стекло), можно превратить обратно в мономеры. Такое превращение называется деполимеризацией. Этой реакцией мы теперь и займемся.

Деполимеризация полистирола

Возьмем круглодонную колбу на 0,5 л и холодильник и соберем простой прибор для перегонки. Пробки обмотаем алюминиевой фольгой. Если потребуется присоединять друг к другу стеклянные трубки, соединим их вплотную. Можно провести опыт и проще. Для этого вместо колбы возьмем по возможности большую пробирку и закрепим ее в штативе наклонно. Затем согнем длинную стеклянную трубку под углом 120°, так чтобы одно ее колено получилось длиной 4 см, а другое - 40 см. Вставим эту трубку в пробирку коротким коленом, используя либо корковую пробку, либо резиновую, обмотанную алюминиевой фольгой. Для конденсации паров мономера достаточно будет воздушного охлаждения. Полученные капли мономера соберем в другую пробирку.

В колбу поместим 50 г полистирола в виде кусочков и осторожно, передвигая горелку, равномерно нагреем колбу. Когда полимер начнет плавиться, можно нагревать сильнее. Полистирол закипает с образованием белых паров, и из холодильника в приемник стекает по каплям вначале желтоватая, а затем бесцветная, прозрачная, как вода, жидкость. Это стирол - мономер, который, однако, содержит также примеси димера и тримера стирола, то есть продуктов присоединения друг к другу двух или трех его молекул. Последние кипят при 310 °С и выше.

Через 1,5-2 часа мы получим около 35 г жидкости, то есть выход составляет 70 % по отношению к исходному количеству полистирола. Прекратим опыт, дадим остыть и ополоснем все части прибора бензолом. (Бензол огнеопасен и ядовит!)

Тем, кто хорошо обеспечен химической посудой, следует иметь в виду, что деполимеризацию, которая происходит при 300-400 °С, можно также проводить в приборе на шлифах под вакуумом приблизительно 2 мм рт. ст. Однако правильное обращение с установкой, которая находится под вакуумом, требует большого опыта работы в лаборатории. Прибор должен быть собран безупречно, иначе может случиться взрыв.

Образующийся мономер очищают, перегоняя его еще раз с добавлением нескольких крупинок серы в качестве стабилизатора.

Получение полистирола

Полученную прозрачную жидкость - стирол - снова превратим в полистирол. Для полимеризации понадобятся нагревание и катализатор. В промышленности в качестве катализатора применяют перекись бензоила в количестве 0,1-0,5 % от массы мономера и проводят полимеризацию при 80-100 °С. (Осторожно! Сухая перекись бензоила - взрывчатое вещество. Поэтому ее обычно используют в увлажненном состоянии.) Если удастся достать перекись бензоила, то проведем опыт следующим образом. В шесть пробирок нальем равные количества стирола - по 5-10 г в каждую пробирку - и затем добавим катализатор в возрастающих количествах-0; 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 и 1 % (масс.). Содержимое пробирок нужно перемешать и выдержать их в сушильном шкафу при 80 °С в течение 24-62 часов.

Если же перекиси бензоила нет, то можно провести опыт иначе. В колбу на 100 мл вставим обратный холодильник (можно использовать посуду на шлифах или вставить холодильник в пробку, обмотанную алюминиевой фольгой) и нагреем в ней 30 г стирола и 10 мл 30 %-ного раствора пероксида (перекиси) водорода. При необходимости можно позднее добавить через холодильник еще немного пероксида водорода. Колбу нужно греть горелкой через асбестированную сетку или на песочной бане в течение нескольких часов. Масса постепенно будет становиться все более вязкой и, наконец, при охлаждении затвердеет. Чтобы извлечь ее из колбы, придется либо снова ее расплавить и вылить в чашку, либо экстрагировать ее бензолом, либо разбить колбу.

Определим температуру размягчения и плотность полученного полистирола, исследуем его растворимость и поведение по отношению к различным химическим реактивам. Полистирол растворяется в ацетоне, эфире, тетрахлорметане (четыреххлористом углероде), бензоле и метилбензоле (толуоле). Он неустойчив по отношению к концентрированной серной кислоте, с другими же кислотами, а также со щелочами не реагирует. Куски полистирола легко можно прочно склеить. Для этого смочим склеиваемые поверхности бензолом или другими растворителями, плотно сожмем и выдержим под небольшим давлением.

Итак, мы познакомились с основными свойствами полистирола. Остается еще разобраться в том, как собственно происходит полимеризация стирола. Процесс состоит из трех стадий. Вначале в некоторых из многих молекул, содержащихся в реакционном сосуде, благодаря повышенной температуре и присутствию катализатора расщепляются двойные связи. Иными словами, эти молекулы активируются (первая стадия полимеризации):

Затем активные частицы активируют следующие молекулы стирола II соединяются с ними, образуя цепь (следующая стадия):

Рост цепи прекращается, если соединяются две растущие цепи или если к растущей цепи присоединяется другой остаток, например фрагмент катализатора. Эта стадия называется обрывом цепи:

Упрощенная формула полистирола имеет вид:

Разумеется, мы не сможем изобразить все полученные цепные молекулы. Но в этом и нет необходимости. Достаточно лишь указать основное звено цепи и степень полимеризации n. Изменяя условия полимеризации, мы можем регулировать величину n. При высоких температурах полимеризация происходит очень быстро с образованием коротких цепей, и полимер получается хрупким. В промышленности требуется высокая степень полимеризации.

В ГДР полистирол производится на комбинате синтетического каучука, к которому относятся заводы в Шкопау, Аммендорфе и Рюбеланде. Только на главном предприятии в Шкопау работает 20 000 человек. Этот комбинат является крупнейшим в ГДР поставщиком химической продукции для экспорта.

Технология там основана пока, главным образом, на использовании карбида, однако в ближайшие годы благодаря сырью из других социалистических стран все большая доля исходного мономера будет получаться из нефти.

ПОЛИВИНИЛХЛОРИД - ВАЖНЕЙШАЯ ПЛАСТМАССА

Месторождения цветных металлов на Земле, и раньше не такие уж богатые, быстро исчерпываются. Между тем, их потребление все время растет в связи с ростом машиностроения и вообще с развитием техники. Эту диспропорцию помогают устранить пластмассы.

Слово поливинилхлорид в наши дни можно услышать очень часто. Например, во многих отраслях химической промышленности он вытеснил свинец. Из него изготовляют крупные детали контактных аппаратов для производства серной кислоты. Кроме того, поливинилхлорид успешно применяется в строительном деле (Из него делают покрытия для полов, гибкие трубы, пластины и блоки для тепло- и звукоизоляции – Прим. перев.). Скоро уйдут в прошлое водосточные желоба и трубы, вентиляционные трубы из листового оцинкованного железа. После того как в результате добавления пластификатора - диалкилфосфонстеарата - удалось довести морозостойкость поливинилхлорида до -45 °С, этот материал приобрел множество новых почитателей.

В ГДР поливинилхлорид занимает первое место среди всех пластмасс (В нашей стране по объему производства поливинилхлорид занимает среди пластмасс второе место, уступая только полиолефинам — полиэтилену и др. — Прим. перев.). Он выпускается, главным образом, на комбинате синтетического бутадиенового каучука в Шкопау и на химических заводах в Биттерфельде и Эйленбурге. Сырья для его производства сколько угодно — это вода, известняк, уголь и поваренная соль.

Многообразные возможности применения поливинилхлорида в достаточной мере используются лишь в последние годы, хотя этот полимер известен давно. В 1912 г. Клатте разработал основы технологии его производства, в 1926 г. он впервые был изготовлен в промышленности, а с 1934 г. в Германии началось его производство в крупных масштабах в Бительсфельде, Шкопау и Людвигсхафене.

Опыты с поливинилхлоридом

Для опытов с поливинилхлоридом мы наверняка найдем достаточное количество материала. Нам понадобится несколько полосок жесткого поливинилхлорида (винипласта). Их можно нарезать, например, из плиток для покрытия пола. Еще легче найти дома мягкий поливинилхлорид (пластикат) - в виде порванной скатерти, плаща или накидки, занавески для ванны и т. д.

Вначале посмотрим, как ведет себя поливинилхлорид при нагревании и при обработке кислотами, щелочами и органическими растворителями. Кроме того, попробуем соединить друг с другом кусочки поливинилхлорида с помощью сварки.

Для сварки горячим воздухом нам понадобится "сварочный пруток", который мы изготовим, нарезав тонкие полоски из поливинилхлоридной пленки. На стыке двух кусков поливинилхлорида напильником выточим бороздку для сварочного шва, так чтобы в разрезе она имела форму латинской буквы V (см рисунок). Закрепим оба куска на дощечке, поместим "сварочный пруток" в бороздку для шва и обработаем линию сваривания током горячего воздуха из паяльной трубки, используя для нагревания воздуха горелку Бунзена или паяльную горелку. При отсутствии воздуходувки можно продувать воздух ртом.

Для контактной сварки возьмем нагретый до 250 °С металлический стержень, например паяльник, и проведем им между двумя наложенными друг на друга полосками поливинилхлоридной пленки. Размягченные места плотно прижмем друг к другу с помощью деревянной скалки или валков для отжима белья в стиральной машине. Если достаточно потренироваться, то мы вскоре в совершенстве овладеем техникой переработки поливинилхлорида. Эти навыки пригодятся при изготовлении простых приборов, необходимых для оснащения лаборатории (штативов для маленьких пробирок и пипеток и т. п.).

ОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО

Что такое стекло? Короткий и четкий ответ мы можем найти в энциклопедическом словаре: "Стекло - изготовленный в результате плавления хрупкий и прозрачный материал, состоящий из оксида кремния SiO₂ и окислов металлов". Обычное стекло - это неорганический материал. Замечательным свойством этого материала является его высокая светопроницаемость. Однако стекло трудно перерабатывать, и оно слишком легко бьется. Этих недостатков не имеет органическое стекло, о котором пойдет речь дальше. Строго говоря, это вообще не стекло, а один из термопластов - полиметилметакрилат (полимер метилового эфира метакриловой кислоты). Оно хорошо пропускает не только видимый свет, но и ультрафиолетовые лучи.

Открытый немецким химиком Бауэром в Дармштадте, этот полимер под названием плексиглас или органическое стекло в виде листов и блоков поступил в продажу и вскоре стал незаменимым материалом во многих отраслях промышленности. В ГДР он некоторое время был дефицитным, но в наши дни положение изменилось. На азотном заводе в г. Пистерице органическое стекло производится по последнему слову техники. Это стекло поступает в продажу под названием пиакрил-Р и отличается прежде всего легкостью, с которой оно поддается формованию, а также малой плотностью, высокой светопроницаемостью и прочностью. Оно применяется в машиностроении, авиастроении, вагоностроении и судостроении, для изготовления деталей оптических приборов, моделей, для оформления витрин, вывесок и т. д. Рифленое органическое стекло служит для остекления железнодорожных вагонов. Применение пиакрила позволяет ГДР сэкономить значительные средства.

Перечисленные области применения органического стекла далеко не исчерпывают всех его возможностей. Из него делают зубные протезы. Сейчас проводятся опыты по использованию органического стекла в качестве заменителя кости. В будущем органическое стекло, несомненно, найдет еще немало новых интересных областей применения.

ХИМИЯ ОДЕВАЕТ НАС КРАСИВЕЕ И ЛУЧШЕ

В солнечный весенний день 1801 г. в порт Сидней, расположенный на юге Австралии, прибыл парусник. Его капитан - лейтенант английской армии Мак-Артур - привез дюжину мериносов испанской породы - овец с тонкой однородной шерстью белого цвета. До этого овец в Австралии не было. Сегодня же их поголовье насчитывает там 140 миллионов и превышает поголовье овец во всех других капиталистических странах. Ежегодно в Австралии производится 700 000 т шерсти, что составляет около 30 % всего мирового производства.

В Германии мериносов начали разводить еще раньше. В 1765 г. один пастух пригнал из Штольпена в Заксен стадо из 92 баранов и 128 овец. Пеший переход занял около 6 недель. Эти овцы были доставлены в гамбургский порт из испанской области Эстремадура. Скрещивание испанских мериносов с германскими овцами позволило вывести такую породу овец, которая дает мяса и шерсти больше, чем их испанские предки.

В ГДР поголовье овец составляет около 2 миллионов. В ряде народных имений овцеводы добились образцовых результатов. Выведенные ими племенные животные вывозятся во многие страны мира и даже в Австралию. Мериносовая овца дает за одну стрижку 4,5—5 кг шерсти, а баран — больше 7 кг. Между тем, один шерстяной пуловер весит лишь около 800 г, а вязаная кофта 500—700 г. Из шерсти, которую ежегодно настригают в ГДР, можно было бы изготовить 20 миллионов пуловеров или 10 миллионов кофт. Однако из шерсти делают еще ковры, одеяла, чулки, носки, материалы для костюмов и пальто и т. п.

За последние 100 лет население Земли удвоилось. Но еще больше возросли потребности людей. Выработка природных волокон - шерсти, хлопка, натурального шелка, льна, конопли - стала заметно отставать от спроса. Так, за последние 40 лет она увеличилась лишь на 25 %, а спрос - на 100%.

Устранить это несоответствие помогла химия. Ежегодно на заводах производятся миллионы километров искусственного шелка и других химических волокон из природной целлюлозы или из угля, известняка, поваренной соли и воды. (В отличие от натуральных, имеющих природное происхождение, все остальные волокна вместе, изготовляемые на заводах, в советской научной литературе называют химическими. «Полусинтетические» волокна, изготовленные в промышленности из природных полимеров, обычно называют искусственными, в отличие от синтетических волокон, изготовленных из синтетических полимеров. Правда, в некоторых книгах искусственными называют все волокна. – Прим. перев.)

За последние 15 лет объем мирового производства волокон увеличился в 3 раза, а доля ГДР в мировом производстве по сравнению с 1945 г. увеличилась в 20 раз.

Огромное значение химических волокон очевидно. В самом деле, если затраты труда на изготовление синтетического полиамидного шелка принять за 100 %, то для искусственного вискозного шелка они составят 60 %, для шерсти 450 %, а для натурального шелка еще больше – 25 000 %!

Шерсть на овце за 3 месяца отрастает в среднем на 50 мм. А на заводе химического волокна прядильная машина за 1 минуту вытягивает до 5000 м нити!

ВОЛОКНО ПОД УВЕЛИЧИТЕЛЬНЫМ СТЕКЛОМ

Волокна состоят большей частью из гигантских молекул с прямой цепью, которые характеризуются высокой степенью полимеризации. По своей химической природе они весьма различны. В зависимости от происхождения и способа получения мы разделим волокна на три группы:

натуральные волокна: шерсть и шелк, состоящие из белков; хлопок, лен и конопля, состоящие из целлюлозы;

"полусинтетические" волокна, которые получают в результате переработки природных веществ: различные виды искусственного шелка и штапельное волокно из целлюлозы, искусственное волокно из белка казеина;

синтетические (цельносинтетические) волокна - высокомолекулярные химические соединения, синтезированные из мономеров. К ним относятся, например, поливинилхлоридное, полиамидное, полиакриловое и полиэфирное волокно.

Химическая природа волокон определяет их устойчивость, способность к окрашиванию и набуханию. В свою очередь, способность к набуханию влияет на электрические свойства и на прочность во влажном состоянии. Теплоизолирующие свойства определяются общим строением волокон и состоянием поверхности. В самом деле, волокна с гладкой поверхностью прилегают друг к другу плотнее, чем извитые волокна типа шерсти, которые могут закручиваться в клубок или завиваться спиралью. Следовательно, в тканях из нитей с гладкой поверхностью, не может содержаться много воздуха, то есть они будут менее теплыми.

Часто даже по внешнему виду ткани можно сказать, из какого волокна она изготовлена. Мы приступим теперь к исследованию различных образцов тканей. Пинцетом выдернем из кусочка ткани несколько волокон и рассмотрим их под сильным увеличительным стеклом или, лучше, под микроскопом с увеличением в 200-400 раз.

На рисунке видно, что поверхность различных волокон при этом выглядит по-разному. На рисунке изображено также поперечное сечение волокон. Чтобы увидеть его, нужно сделать очень тонкие срезы волокон с помощью специального инструмента - микротома.

Исследуем волокна

Шерсть состоит из тонких волоконец - фибрилл, каждое из которых представляет собой целое скопление клеток. Эти волоконца покрыты чешуйчатой роговой оболочкой. Главная составная часть шерсти - кератин, белок, содержащий 4 – 5 % серы. Мы можем обнаружить серу и, тем самым, отличить шерсть от других волокон.

С этой целью поместим в пробирку немного сухой овечьей шерсти, нагреем ее и в парах над пробиркой подержим полоску фильтровальной бумаги, пропитанную раствором этаната (ацетата) свинца. А можно растворить немного шерсти в 5 %-ном растворе едкого натра и смешать полученный раствор с раствором этаната свинца. В обоих случаях появляется черная окраска, вызванная образованием сульфида свинца. (Осторожно! Этанат свинца ядовит!)

Надежнее всего мы выясним тип волокна по его поведению в пламени. Такой анализ провести легко: материал для исследования можно найти в маминой шкатулке с нитками для шитья, вязания и штопки, и, кроме свечи и пинцета, нам больше ничего не понадобится. Внесем нить в верхнюю зону пламени, тотчас вынем ее из огня и посмотрим, разгорается пламя или, наоборот, затухает. Кроме того, обратим внимание на запах. При нагревании сухой пробы в пробирке мы получим несколько больше продуктов разложения, достаточно для испытания их реакции лакмусовой бумажкой.

Шерстяные нити горят медленно и вспучиваются, после сгорания остается черная углевидная зола. Горение шерсти сопровождается запахом паленых волос. Выделяющиеся пары обнаруживают щелочную реакцию. Шерсть стойка к сильно разбавленным кислотам, но разрушается концентрированными кислотами и щелочами. С концентрированной азотной кислотой она дает при нагревании интенсивное желтое окрашивание (ксантопротеиновая качественная реакция на белок). Если затем пожелтевшую шерсть промыть водой и поместить в концентрированный водный раствор аммиака (нашатырный спирт), то она приобретет оранжевую окраску.

Натуральный шелк состоит из белка, не содержащего серы (проверить!). Нити шелка - сырца покрыты шелковым клеем - серицином, который удаляется при обработке кипящей водой или горячим мыльным раствором. Шелковые нити гладкие. Проба на сгорание выдает для шелка такой же результат, как и для шерсти. Стойкость его по отношению к щелочам несколько больше, чем у шерсти. Ксантопротеиновая реакция и для этого волокна дает положительный результат.

Хлопковым волокном называют волоски, покрывающие семена растения хлопчатника. Это волокно, очищенное от примесей, состоит из почти чистой целлюлозы. Под микроскопом одноклеточное волокно хлопка похоже на шланг, закрученный вокруг своей оси. Хлопок при комнатной температуре стоек к растворам щелочей, которые даже при нагревании разрушают его лишь частично, но быстро и полностью разрушается сильными кислотами. Хлопковые нити горят, распространяя запах горелой бумаги. После сгорания остается светло-серая зола с желтоватым оттенком. Выделяющиеся при горении пары имеют слабокислую реакцию.

У искусственных шелков и "целлюлозной шерсти" (вискозного штапеля) волокна не закручены. По сравнению с хлопком они более гладкие, блеск сильнее, а прочность в мокром виде, за исключением ацетатного шелка, меньше. Вискозный и медно-аммиачный шелк при пробе на сгорание ведут себя так же, как хлопок. Ацетатный шелк горит и плавится, выделяющиеся пары имеют кислую реакцию, а зола получается белая.

Синтетические волокна под микроскопом снаружи очень похожи на описанные выше "полусинтетические", но на срезе они выглядят иначе (см. рисунок). Их нити, если они изготовлены прядением из расплава, могут иметь своеобразное поперечное сечение, а в последнее время встречаются даже полые нити. Волокна этой группы можно различить, прежде всего по поведению в пламени, а также при сухой перегонке (нагревание в пробирке).

Ниже указаны основные отличительные признаки синтетических волокон:

(Здесь и далее в книге приведены названия волокон, выпускаемых в ГДР. В нашей стране подобные волокна выпускаются под другими названиями: хлорированное поливинилхлоридное волокно – хлорин, полиамидное – капрон, анид, полиакрилонитрильное – нитрон, полиэфирное – лавсан. – Прим. перев)

При достаточной тренировке можно научиться свободно различать образцы пряжи только по запаху при пробе на сгорание. Иногда удается определять таким образом даже тип волокон в смешанных тканях.

Руководствуясь схемой экспресс-анализа текстильных волокон, читатели могут провести множество опытов по анализу волокон.

ШЕЛК И ШЕРСТЬ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

Оболочки клеток растений состоят, главным образом, из целлюлозы - полисахарида, которому отвечает брутто-формула (C₆H₁₀O₅)_n. Молекулы целлюлозы отличаются от крахмала, имеющего такую же брутто-формулу, более высокой степенью полимеризации. Последняя у целлюлозы составляет 2500-3000 и иногда доходит даже до 4000, тогда как у крахмала она находится в пределах 600-900. Кроме того, целлюлоза построена из звеньев b-глюкозы, а крахмал - из a-глюкозы. Указанные формы глюкозы очень мало отличаются друг от друга своим пространственным строением:

a-глюкоза                                   b-глюкоза

Однако, как ни мало это различие, оно сказывается на строении полимеров и на их свойствах.

Например- две молекулы а-глюкозы связываются с образованием мальтозы-солодового сахара (упрощенная формула):

Две молекулы р-глюкозы связываются с образованием целлобиозы (упрощенная формула):

При дальнейшем отщеплении воды образуются новые кислородные мостики:

Приведенные формулы дают представление о пространственном строении молекул. Чтобы сделать более отчетливым положение плоскости кольца, в них обозначены жирными линиями те связи, которые обращены вперед, к читателю. Остальные же связи кольца находятся сзади, как бы уходя за плоскость экрана.

Правда, различие в свойствах целлюлозы и крахмала вызвано не только различием в строении звеньев, из которых они состоят. Молекулы целлюлозы, в отличие от крахмала, не имеют разветвлений, то есть они построены более упорядочение. Обычно цепи молекул целлюлозы располагаются параллельно друг другу и образуют между собой связи за счет так называемых водородных мостиков (водородная связь – соединение двух атомов (в данном случае атомов кислорода разных молекул) посредством атома водорода. Прочность этой связи намного меньше, чем прочность других, «обычных» химических связей в молекуле целлюлозы – Прим. перев.). Так возникает волокно. При переработке целлюлозы молекулы ее частично расщепляются, и степень полимеризации уменьшается до 200-1000.

В древесине, помимо целлюлозы, содержатся и другие вещества. Например, по данным анализа, сухая древесина ели имеет такой состав:

Для получения чистой целлюлозы, необходимой для изготовления искусственного шелка и вискозного штапельного волокна, из древесины нужно, прежде всего, удалить лигнин и смолу. С этой целью измельченную древесину (щепу) нагревают под давлением в огромных аппаратах объемом несколько сотен кубических метров, либо с раствором бисульфита кальция Ca(HSO₃)₂ (сульфитная варка), либо со щелочным раствором NаОН и Na₂S (сульфатная варка). При этом лигнин переходит в раствор, а целлюлоза не растворяется. Ее очищают, отбеливают и обезвоживают. Растворы, которые образуются в больших количествах при варке древесины, - щелоки - обычно подвергают дальнейшей переработке.

Обнаружение лигнина

Газетную бумагу изготавливают из кашицы, которая образуется при тонком измельчении древесины в специальных аппаратах непрерывного действия. Поэтому она содержит все составные части древесины. Докажем присутствие в ней лигнина. Нанесем на бумагу каплю раствора гидрохлорида анилина C₆H₅NH₂-НСl (его получим, растворив несколько капель анилина в 5 %-ной соляной кислоте). При этом бумага приобретает желтую окраску. Чертежная бумага, если не придавать значения едва заметному изменению окраски, не дает такой реакции.

При изготовлении искусственных волокон необходимо либо растворить саму целлюлозу - при этом разрываются связи между ее параллельно расположенными молекулами, либо так изменить ее химическое строение, чтобы после этого она растворялась в соответствующих растворителях. Второй способ открыл в 1891 г. француз, граф де Шардонне. Он пронитровал отходы хлопка и растворил полученный динитрат в смеси спирта с эфиром. При продавливании раствора через тонкое отверстие и последующем испарении растворителя удалось получить нить. Так называемый шелк Шардонне, который с 1896 г. стали изготовлять на опытном производстве в Безансоне, слишком легко воспламенялся и к тому же дорого стоил. Поэтому он не мог получить признания.

Изготовление шелка Шардонне

Растворим полученный нами динитрат целлюлозы, смеси спирта с эфиром и отфильтруем этот раствор через стекловату. Затем с помощью горелки оттянем короткую стеклянную трубку или пробирку - так, чтобы на конце ее получилось очень узкое отверстие. Можно использовать и старый ненужный шприц. Изготовленную фильеру заполним раствором и вставим в нее пробку со стеклянной трубкой, на которую надет резиновый шланг. Если осторожно подуть в шланг, то раствор будет выдавливаться из отверстия. В слегка нагретом воздухе он затвердеет, образуя нить (Ввиду легкой воспламеняемости шелка Щердонне и эфира опыт нужно проводить с осторожностью! В этом опыте безопаснее провести прядение мокрым способом, продавливая раствор коллаксилина в воду – Прим. перев.).

Метод сухого прядения, который мы использовали в этом опыте, еще применяется и в наши дни в промышленности в крупном масштабе, например при изготовлении ацетатного шелка. Последний получают следующим образом. Отходы хлопка при перемешивании обрабатывают ледяной этановой (уксусной) кислотой и ее ангидридом в присутствии небольшого количества серной кислоты, которая служит катализатором. Образуется триацетат целлюлозы - эфир целлюлозы с уксусной кислотой, у которого этерифицированы все три гидроксильные группы в каждом остатке глюкозы, из которых построена целлюлоза. Это вещество подвергают затем обратному превращению в более легко растворимый диацетат целлюлозы. Последний растворяют в пропаноне (ацетоне) или смеси этанола с бензолом и получают прядильный раствор. Для изготовления нитей этот раствор продавливают через фильеры - металлические или фарфоровые диски с очень узкими отверстиями - в прядильную шахту, продуваемую нагретым воздухом. При этом растворитель испаряется и удаляется вместе с потоком воздуха. Пары растворителя конденсируют и снова используют в производстве.

Изготовление ацетатного шелка

Для опыта нам нужен ацетат целлюлозы (ацетилцеллюлоза). Возьмем фотопленку и удалим с нее бромосеребряный желатиновый слой. При выдерживании пленки в горячей воде он набухает и легко снимается. После этого проверим растворимость пленки в пропаноне (ацетоне). Смешаем ацетат целлюлозы с таким количеством пропанона, чтобы получилась густая каша. Полученную массу медленно (!) выдавим из шприца без иглы, осторожно намотаем полученную нить на рамку из изогнутой стеклянной палочки и высушим. Сушку можно ускорить при обработке умеренно подогретым воздухом. Для этого можно использовать, например, электрическую плитку с закрытым нагревательным элементом, как показано на рисунке. (Ни в коем случае не применять источник открытого огня!)

Ацетатный шелк - ценное волокно, относящееся к числу полусинтетических. Он превосходит натуральные волокна по прочности в мокром виде. По блеску и гладкости нитей ацетатный шелк лучше натурального шелка, но уступает ему в эластичности и прочности.

Ацетатный шелк не окрашивается обычными красителями для шерсти и хлопка. Поэтому для него потребовалось создать особую группу красителей. По той же причине при обработке красителями для шерсти или хлопка смешанных тканей, в состав которых входит ацетатный шелк, можно получить своеобразные расцветки.

Чистую целлюлозу (из отходов хлопка или из древесины), не изменяя ее химического состава, можно растворить в растворе комплексного соединения - гидроксида тетрамминмеди(II) [Cu(NH₃)₄] (ОН)₂. Такой раствор впервые получил еще в 1857 г. Швейцер. Немецкий исследователь Фремери в 1898 г. разработал технологию изготовления нового типа искусственного шелка, который получил название медно-аммиачного шелка. По этому способу отходы хлопка растворяли в растворе указанного комплекса меди - в наши дни его называют реактивом Швейцера - и после фильтрования и процесса созревания полученный раствор протягивали через стеклянные капилляры диаметром 0,1 мм в слабо подщелоченную воду. В результате получались нити, обладающие замечательным блеском.

Изготовление медно-аммиачного шелка

Этот опыт нам удастся провести только при точном соблюдении приведенной прописи.

В химический стакан нальем 20 мл воды и будем добавлять измельченный в тонкий порошок сульфат меди до тех пор, пока он, несмотря на перемешивание, не перестанет растворяться. 10 мл полученного насыщенного раствора разбавим 100 мл воды и из бюретки добавим по каплям при перемешивании 30%-ный раствор едкого натра до щелочной реакции. Реакцию раствора будем проверять, отбирая капли его стеклянной палочкой и касаясь этой палочкой красной лакмусовой бумаги. По показанию бюретки запишем, сколько щелочи понадобилось добавить. Остальное количество раствора сульфата меди - около 10 мл - без предварительного разбавления смешаем с 10 мл 25 %-ного водного раствора аммиака и добавим столько же 30 %-ного раствора едкого натра, сколько понадобилось добавить к первой порции раствора сульфата меди. Обычно щелочи расходуется 0,2-0,3 мл или меньше. Полученный раствор имеет интенсивную синюю окраску. Теперь растворим в нем приблизительно 1 г мелко нарезанной фильтровальной бумаги, бинта или ваты и оставим полученный довольно вязкий раствор на 10 минут. Если не вся целлюлоза растворилась, профильтруем раствор через стекловату.

Теперь изготовим из стеклянной трубки фильеру (см. рисунок). Кусочком резинового шланга соединим ее с тем сосудом (широкой стеклянной трубкой или воронкой), в котором должен находиться прядильный раствор. Под фильерой поставим кристаллизатор - широкую плоскую чашу - и заполним его 20-30 %-ным раствором едкого натра. Этот кристаллизатор послужит в нашем опыте осадительной ванной.

В сосуд, соединенный с фильерой, нальем прядильный раствор и подождем, пока из отверстия фильеры не выйдет первая капля. После этого опустим фильеру в осадительную ванну и пинцетом будем медленно вытягивать из фильеры образующуюся нить. При тщательном выполнении опыта можно получить нить длиной 0,5-1 м. Полученную нить нужно выдержать еще 2 минуты в осадительной ванне, промыть в стакане чистой водой и для удаления меди обработать 2 %-ной серной кислотой до обесцвечивания. После этого снова промоем нить водой и в заключение высушим. Посуду, использованную в этом опыте, вымоем, и соберем такой же прибор для изготовления другого типа искусственного шелка - вискозного шелка.

Изготовление вискозы

В колбе Эрленмейера тщательно перемешаем 3 г чистой целлюлозы (можно взять фильтровальную бумагу) с 18 %-ным раствором едкого натра (плотность 1,2 г/см³) и оставим на 1 час. Обработанную щелочью целлюлозу отфильтруем и тщательно отожмем для удаления избытка щелочи, добавим 5 мл сероуглерода CS₂ и оставим на 3 - 5 часов (Сероуглерод очень ядовит, легко воспламеняется и имеет отвратительный запах. Работать с ним можно только под вытяжкой. – Прим. перев.).

При этом целлюлоза подвергается так называемому ксантогенированию. Образуется масса, имеющая окраску от желтой до коричневой. Иногда сверху над ней остается бесцветный прозрачный слой сероуглерода. Мы должны слить его, стараясь отделить сероуглерод как можно полнее. Полученную очень вязкую массу - ксантогенат целлюлозы - растворим в 30-40 мл 2,5 %-ного раствора едкого натра (плотность 1,03 г/см³). Эту желтую вязкую жидкость-раствор ксантогената целлюлозы в разбавленном растворе едкого натра - называют вискозой (от латинского viskosus - вязкий). Для так называемого созревания нужно выдержать вискозу в тщательно закрытой колбе.

На следующий день попробуем формовать из вискозы волокно с помощью прибора, уже использованного нами для изготовления медно-аммиачного шелка. Диаметр отверстия фильеры должен быть 0,3-0,5 мм. Осадительную ванну заполним 10-15 %-ной серной кислотой или, лучше, нагретым до 50 °С раствором 12 мл концентрированной серной кислоты, 30 г сульфата натрия и 1 г сульфата цинка (Осторожно! Сульфат цинка ядовит!) в 100 мл воды. Нить нельзя быстро вытягивать из осадительной ванны. Изготовленную нить нужно промыть водой для удаления серы, обработать горячим 15 %-ным раствором сульфита натрия, промыть 0,5 %-ной соляной кислотой, затем снова водой и в заключение высушить.

Штапельное волокно получают из вискозы, протягивая ее одновременно через множество (до 15 000) тончайших отверстий. Нити, выходящие из нескольких отверстий, скручиваются вместе в жгут. После дальнейшей обработки их разрезают на так называемые штапельки длиной 30-200 мм. Затем волокно обрабатывают еще соответствующими растворами, чтобы придать ему извитость и ворсистость, свойственную шерсти.

В наши дни вискозный шелк приобрел наибольшее значение из всех полусинтетических волокон. Открытый Тофеном и Стирном в Англии, он после первой мировой войны получил признание и в других странах. Только в ГДР выпускается ежегодно более 25 000 т тканей из искусственного шелка и 110000 т штапельных тканей.

ХИМИЯ ОТКРЫВАЕТ НОВЫЕ ПУТИ

Недавно на международной ярмарке в Лейпциге внимание посетителей привлекла к себе вывеска над павильоном одной английской фирмы, торгующей текстильными изделиями. По распоряжению управляющего этой фирмой, из огромных букв были собраны слова: «Шерсть нельзя заменить ничем!» Ну что же, ему нельзя отказать в умении рекламировать свой товар. Однако этот бизнесмен не учел, что на той же самой выставке других павильонах были представлены великолепные ткани, изготовленные полностью или преимущественно из синтетических волокон; пряжа и нитки, обладающие такими достоинствами, которых нет у натуральных волокон.

Даже закоренелые скептики, которых раньше было не так уж мало, в последние годы могли воочию убедиться в том, что цельносинтетические волокна по прочности, стойкости к воде, погоде, свету, бактериям и насекомым, эластичности и способности защищать от холода часто превосходят волокна природного происхождения — шерсть, хлопок и шелк.

Химики во многих странах непрерывно трудятся над созданием новых волокон и улучшением качества уже известных.

Не отстают от них и технологи. Изменяя состав сырья и технологию его переработки, они улучшают качество тканей и придают им ряд особых свойств, например делают их водоотталкивающими или не теряющими форму. В результате на международном рынке непрерывно появляются новые марки тканей.

Всего химики уже предложили почти 1000 различных типов синтетических волокон, однако из них лишь несколько производятся промышленностью в крупных масштабах. В настоящее время в ГДР наибольшее значение имеют четыре типа волокон: поливинилхлоридные, полиамидные, полиакрилонитрильные и полиэфирные.

Выбор именно этих волокон обусловлен не только химическими, физическими и технологическими факторами, но и, прежде всего, экономическими причинами. При массовом производстве сырье обязательно должно быть дешевым и легкодоступным. Кроме того, необходимо, чтобы свойства конечных продуктов можно было варьировать в широких пределах. Упомянутые типы волокон удовлетворяют всем этим требованиям.

Первое цельносинтетическое волокно было выпущено промышленностью в 1934 г. под названием волокно PC. Оно было изготовлено на основе поливинилхлорида. В результате хлорирования винилхлорида (см. схему) можно получить 1,1-дихлорэтен (несимметричный дихлорэтилен, винилиденхлорид). Из него получают волокна с повышенной термостойкостью. Обычно это соединение подвергают сополимеризации с винилхлоридом:

Так получаются сополимеры на основе 1,1-дихлорэтена. Поливинилхлоридные волокна устойчивы к кислотам и щелочам. Кроме того, они отличаются прочностью в мокром состоянии и негорючестью. Эти свойства особенно ценны для защитной одежды, уплотнений, фильтровальных тканей, рыболовных сетей, пожарных шлангов, канатов, театральных декораций и др. Материал вилан-вэше из поливинилхлоридного волокна, изготовляемый в ГДР на фабрике в Вольфене, хорошо удерживает тепло. Белье из него при ношении накапливает высокий электростатический заряд и поэтому особенно рекомендуется тем, кто страдает ревматизмом (Подобными лечебными свойствами обладают изделия, выпускаемые в нашей стране из поливинилхлоридного волокна под названием хлорин. — Прим. перев.). Правда, вследствие низкой температуры размягчения поливинилхлоридных волокон (от 80 до 90 °С) одежду из этой ткани нельзя кипятить и гладить.

В ГДР производство поливинилхлоридных волокон достигло такого уровня, что она может полностью удовлетворить потребности не только свои, но и двух соседних социалистических стран — Польши и Чехословакии.

К группе полиамидных волокон относятся дедерон и найлон (В нашей стране им соответствуют названия капрон и анид. — Прим. перев.). В их строении есть некоторое сходство с простыми белками — протеинами:

—NН—СНR¹—СО—NН—СНR²—СО—

 фрагмент молекулы белка (полипептидная цепь), R¹ и R² — боковые цепи

[ -NH-(CH₂)₅-СО-]_n

дедерон

[—CO—(CH₂)₄—СО—NН—(СН₂)₆—NН— ]_n

найлон

Напомним, что разложение дедерона при нагревании сопровождается характерным запахом паленых волос. В качестве исходного мономера для получения дедерона используется белое кристаллическое вещество—капролактам.

Ни одно синтетическое волокно не распространено так, как дедерон. Дедерон (капрон) впервые предложен немецким ученым Шлаком в 1936 г., а найлон — в 1931 г. Карозерсом в США. После этого менее чем за 20 лет их производство было налажено почти во всех индустриально развитых странах мира. В ГДР производство дедерона имеет огромное значение не только для удовлетворения внутренних потребностей страны, но и для продажи его другим странам.

Дедерон — легкий и одновременно очень прочный материал. Пара женских чулок из него весит всего лишь 10—20 г. Между тем, для их изготовления требуется более 10 километров нити.

Предел прочности дедерона на разрыв составляет около 57 кгс/мм², тогда как у латуни он равен 35—52, у меди 22—38, a у алюминия 10—20 кгс/мм². Кроме того, дедероновое волокно обладает высокой эластичностью, удовлетворительной стойкостью к действию разбавленных кислот и щелочей, а также исключительно высоким сопротивлением истиранию и продольному изгибу.

При изготовлении дедероновых чулок применяютметод формования нитей из расплава. Вязкую массу протягивают через фильеры со скоростью 900—1100 м/мин. В прядильной шахте под действием теплого воздуха нити затвердевают. После охлаждения их растягивают, при этом они становятся в 7 раз длиннее. В процессе растягивания макромолекулы в нитях располагаются параллельно друг другу, а между группами СО и группами NH соседних молекул, расположенных одна над другой, образуются водородные связи.

Благодаря этому прочность нитей на разрыв увеличивается в 5 раз.