Десятилетия развития полимерных технологий позволили получить материалы с заранее заданными свойствами. Это обеспечит полимерам вечную жизнь — даже в эпоху тотальной экологизации…

В одном западном технологическом музее посетителям предлагается компьютерное изображение обычной домашней комнаты, где надо выбрать все предметы из синтетических материалов. Если посетитель хорошо справляется с заданием, на экране остаются голые стены. Хотя и на этот счет есть некоторые сомнения. Смысл демонстрации в том, чтобы показать, сколь зависима современная материальная среда человека от полимерных материалов.
 
Шелк и бильярд для народа

Кажется невероятным, но промышленная революция в Европе начала XIX века проходила с использованием исключительно даров природы в их если не первозданном, то слегка переработанном виде. Ученые того времени в большей степени постигали свойства имеющихся металлов, минералов и химических элементов — и этого вполне хватило для создания всех изобретений эпохи от пишущей машинки до автомобиля.

Первыми шагами к индустрии полимеров стали открытие Чарльзом Гудьиром реакции вулканизации — превращения натурального каучука в резину при соединении с серой и нагревании — и выяснение Ансельмом Пайя формулы целлюлозы. Оба события пришлись на 1838 год. Одно позволило получать из имеющегося натурального материала синтетический, значительно превосходящий прототип по большинству характеристик, а другое — понять химическую природу этого процесса и затем повторить его на других веществах, поскольку строение всех полимеров в сущности идентично. Это сцепленные друг с другом одинаковые группы атомов (мономеры).

Первыми использовать эти свойства догадались все тот же Чарльз Гудьир (основатель одноименной компании, крупного производителя автопокрышек) и создатель промышленного полимера — целлулоида — Александр Паркс, так и не сумевший придать своему изобретению коммерческую составляющую. Это удалось Джону Хайяту, который в 1869 году начал покрывать целлулоидом бильярдные шары, на изготовление которых раньше шла слоновая кость.

Следующий вброс полимеров в промышленность сделал в 1891 году Илэр де Шардоне, когда предложил метод получения пригодного для коммерческого использования синтетического шелка (вискозы), в разы дешевле натурального. Появилось первое химическое волокно. Собственно, стоимость была единственным фактором, за счет которого новые изделия из полимеров могли конкурировать с традиционными, — других преимуществ у них не было.

Война как двигатель прогресса

Прорывом стало изобретение в середине 1900−х годов бакелита — фенолформальдегидной смолы, из которой можно было быстро изготавливать изделия любой формы и размеров. В отличие от целлулоида бакелит выдерживал нагревание, обладал хорошими электроизолирующими свойствами. Появление нового материала совпало с массовым распространением электричества, и изделия из бакелита начали широко использоваться в электротехнике. Бакелит стал первым полимером, производство которого началось в России (в 1916 году).

Незадолго до Первой мировой войны на рынок был выведен новый революционный продукт — целлофан, первый в истории гибкий и прозрачный упаковочный материал. Производить его начали во Франции, но распространение этой пленки в массы началось после того, как фирма DuPont в 1924 году открыла собственное производство целлофана в США. Это позволило компании использовать мощности по выпуску нитроцеллюлозы, которая в годы войны шла на изготовление взрывчатки. Тогда же стал набирать популярность ПВХ, который первоначально использовали для сугубо технических нужд (изоляция кабелей), но уже в 1930−х начали изготавливать и более сложные изделия, например трубы.

Военные нужды, двигавшие вперед всю химическую технологию в конце XIX — начале XX века, привели к появлению еще двух выдающихся синтетических материалов: синтетического каучука и оргстекла. Хотя особых претензий к натуральному каучуку у производителей шин не было, он оставался «колониальным товаром» с крайне ограниченным числом поставщиков. В 1932 году в СССР впервые начался промышленный выпуск синтетического каучука, сырьем для которого служил пищевой этанол. Вскоре к СССР присоединились Германия и США. Новый продукт позволял обеспечивать армию шинами даже в условиях полной экономической блокады и разрушения мировой торговли.

Что же касается оргстекла (полиметилметакрилата), изобретенного еще в 1877 году, то он ждал коммерциализации полвека, пока его потребителем не стала авиация, нуждавшаяся в более легком и безопасном заменителе обычного стекла.

Вторая мировая война и сопутствующая ей технологическая гонка подарили миру еще один новый материал — нейлон (полиамидное волокно). Он долго не находил массового применения, пока из него не начали изготавливать парашюты, по прочности значительно превосходившие обычные и не требовавшие дефицитных в военное время шелка и пеньки. Новый материал понравился военным и стал широко использоваться при выпуске различного снаряжения и обмундирования.

Синтетические удовольствия

Золотой век полимеров пришелся на послевоенные годы потребительского бума. Развитие нефтепереработки резко удешевило производство многих нефтехимикатов, однако вывод полученных из них изделий на рынок требовал больших усилий. Два классических примера — все тот же нейлон и полиэтилен.

Поскольку после окончания войны потребность в парашютах уменьшилась, производители полиамидного волокна вновь обратились к потребительскому рынку. В итоге DuPont, некогда двинувшая в массы целлофан, решила возобновить начатую еще в предвоенные годы дорогостоящую рекламную кампанию по коммерческому продвижению текстильных изделий из нейлона. «Нейлоновая истерия» 1950–1960−х показывает, что при определенном уровне маркетинговой обработки здравый смысл потребителя отключается — энтузиасты надевали нейлоновые рубашки даже в жару. В дальнейшем компания вывела на рынок еще ряд синтетических волокон: дакрон (полиэфирное волокно), лайкру (полиуретановое) и другие.

Продвижение полиэтилена в массовое производство традиционно приписывается другому изобретению сомнительной полезности — хулахупу. После долгой рекламной кампании и маркетинга в 1958 году американские, а затем и европейские потребители начали массово скупать новинку. Это позволило производителям полиэтилена быстро коммерциализировать свой продукт, приучить потребителя к новому материалу и позднее появившимся более практичным изделиям из него вроде пластиковых бутылок и полиэтиленовых пакетов.

Так или иначе, уже к началу 1960−х годов полимерные материалы стали главной движущей силой развития не только химической промышленности, но и промышленности вообще. В СССР в 1958 году был провозглашен курс на догоняющую «химизацию народного хозяйства», которая во многом должна была обеспечить промышленный выпуск новых полимерных материалов. Подобно тому, как в 1920−х символом прогресса и современности в СССР было электричество, так в 1950–1960−х эту почетную роль в числе прочих атрибутов играла синтетика. Впрочем, полимерная эйфория была глобальной — за 1950–1960−е годы мировой выпуск пластмасс увеличился в 20 раз.

Сделать все из ничего

Уверенное наступление полимеров на традиционные материалы по всем фронтам продолжалось до 1970−х годов, пока на Западе не стало набирать силу экологическое движение. Из-за массового использования полимеров возникла острая проблема утилизации отходов — сами собой полимеры практически не разлагались, при сжигании выделяли канцерогены, а их вторичное использование оказывалось не всегда возможно. Тем не менее «полимерные революции», пусть и меньшего масштаба, продолжались и в 1980−е годы, а более жесткие экологические требования иной раз не только ограничивали развитие индустрии полимеров, но порой двигали ее вперед. Так, нужды повышения энергоэффективности в 1980−е годы привели к распространению новых утеплителей, таких как XPS-плиты (экструдированный пенополистирол).

В те же годы изобретение компакт-дисков резко увеличило спрос на используемый для их изготовления поликарбонат, а массовое распространение персональных компьютеров и оргтехники потребовало новых сополимеров стирола для корпусов и компаундов для электронных плат. Помимо электроники другими крупными потребителями полимеров еще в 1970−е становятся авто— и авиапром, где их все шире используют для отделки салонов автомобилей и пассажирских лайнеров.

При этом если на заре полимерной эры производителям приходилось изобретать области коммерческого использования полученных веществ, на что уходили годы, если не десятилетия, то со временем роли поменялись. Теперь уже потребители предъявляют новые требования к полимерам, а их производители пытаются получить материалы с заранее заданным набором свойств, которыми не обладает ни одно известное соединение. Поэтому без появления новых, в том числе композиционных, материалов на основе полимеров технологический прогресс последних десятилетий вряд ли был бы возможен.

Точка возврата

Как бы то ни было, экологическое давление на полимерную индустрию набирает обороты. Это вполне естественно, учитывая растущее внимание к охране окружающей среды, здоровью человека и повышению качества жизни. Первой жертвой еще в 1990−е стал ПВХ, когда было обнаружено, что некоторые изделия из него могут выделять остаточный винилхлорид, а при сжигании — диоксины. В результате использование этого материала для выпуска пищевой упаковки и при питьевом водоснабжении было существенно ограничено.

Позже к списку опасных полимеров добавились полистирол и особенно бутылочный ПЭТФ, которые могут выделять остаточные ароматические соединения. В начале 2000−х были выявлены канцерогенные свойства тефлона, десятилетиями использовавшегося для изготовления антипригарных покрытий, и можно с уверенностью утверждать, что его применению в этом качестве пришел конец. В последние годы все большее число стран вводят ограничения на использование полиэтиленовых пакетов, что продиктовано уже не медицинскими, а исключительно экологическими и экономическими соображениями.

Значит ли это, что век полимеров подходит к концу? Вряд ли. При современных стандартах и объемах мирового потребления заменить полимеры зачастую просто нечем. К примеру, практически весь прирост мирового потребления волокон за последние двадцать лет был обеспечен волокнами химическими (см. график). В отличие от натуральных они не требуют сокращения сельхозугодий, занятых продовольственными культурами. Очевидно также, что массовое использование вместо полимеров других возобновляемых ресурсов, например картона, при нынешней численности населения планеты довольно быстро приведет к их банальному исчерпанию. Да и экологические бенефиции от «натурализации» не всегда очевидны. К примеру, гипотетический отказ от пластиковых бутылок в пользу стеклянных приведет к существенно большему расходу топлива на их перевозку и, как результат, большей эмиссии парниковых газов.

Приказано позеленеть

Очевидно, что отказ от полимеров, несмотря на все их недостатки, совершенно невозможен. Решение проблем лежит в иной плоскости. Если за прошедшие десятилетия химики научились получать соединения с практически любыми свойствами, то для них не стала проблемой и разработка биоразлагаемых полимеров, которые на Западе внедряются все шире, хотя их доля на рынке еще долго не превысит 1%.

Вторичная переработка «традиционных» полимерных отходов и увеличение продолжительности полезного использования пластиковых изделий не относятся к критически сложным. Проблема решается даже применительно к такому материалу, как резина. В Европе одна и та же грузовая шина проходит два-три цикла эксплуатации, после каждого из которых на нее накладывается новый протектор. Когда ресурс исчерпывается окончательно, шина перерабатывается в материал дорожных покрытий. Впрочем, существенных технологических ограничений, позволяющих сделать «долгоездящую» шину, которую нужно будет менять раз в восемь-десять лет, а не каждые три-четыре года, тоже давно не существует. Неясно только, чем тогда будут заниматься шинные компании.

Одним словом, все нынешние полимерные проблемы решаемы. И хотя синтетический дом уже никогда не станет «природным», сделать его уютным и безопасным не так уж сложно. Достаточно желания обитателей.

По материалам «Эксперт»