Испытание временем: как возникли полиэстеры и что из них производят
Что объединяет пластиковую бутылку, искусственную зелень и футболку с ярким рисунком? То, что в состав этих предметов с высокой долей вероятности входят полиэфиры, или полиэстеры — полимерные соединения, состоящие из органических «кирпичиков»-эстеров. С этими соединениями человечество познакомилось почти столетие назад, и с тех пор полиэстеры — наши верные спутники и надежные помощники.
Кто такие полиэстеры и как их получают
Вещества с составом, аналогичным полиэстерам, встречаются в природе. Например, пчелы-коллеты покрывают полиэфирными соединениями, похожими на целлофан, свои подземные гнезда — за это их прозвали «полиэфирными пчелами». Однако ни один другой вид не создает полиэстеры в таком количестве, как человек: одного только полиэтилентерефталата (ПЭТ) в 2019 году в мире произвели около 30 миллионов тонн.
ПЭТ ((C10H8O4)n) — на сегодня один из самых популярных полиэстеров. Это продукт поликонденсации двух сложных органических веществ — этиленгликоля (двухатомного спирта с формулой C2H6O2) и терефталевой кислоты (C8H6O4). Этиленгликоль в промышленности получают из этилена, который производят из природного газа или жидких углеводородов. Этилен окисляется до оксида, к которому затем добавляют кипящую воду в присутствии сильных неорганических кислот (например, серной) — и получается этиленгликоль.
Терефталевую кислоту в промышленности производят из пара-ксилола — продукта каталитического риформинга нефти или коксования угля. Для получения терефталевой кислоты пара-ксилол достаточно окислить в присутствии катализатора, содержащего кобальт, марганец и бром. Реакция идет при высоких температуре и давлении и сопровождается выделением большого количества тепла.
Как только оба мономера-«кирпичика» будут получены, останется соединить их. Вплоть до середины 1960-х этот процесс проводили в две стадии: поскольку промышленные процессы того времени не позволяли обеспечить необходимую степень очистки терефталевой кислоты, промышленникам приходилось сначала превращать ее в сложный эфир диметилтерефталат. Однако в 1965 году в США смогли упростить технологию и стали синтезировать ПЭТ за одну стадию.
Терилен, дакрон, лавсан, ПЭТ
История получения и коммерческого признания полиэстеров тесно переплетена с историей другого полимерного материала — нейлона, впервые полученного командой химиков, возглавляемой Уоллесом Карозерсом, в 1935 году в США. Полиэстеры были синтезированы раньше нейлона, но как только удивительные свойства последнего — исключительная прочность и высокая температура плавления, сделавшая его «материалом номер один» для производства текстильных волокон нового поколения, — стали очевидны, работу над менее прочными и термостойкими полиэстерами отложили на дальнюю полку.
Повторный интерес к полиэстерам проявили в Великобритании. Там химики решили улучшить свойства полиэстеров путем изменения входящих в их состав мономеров — в частности, заменить органические кислоты на те, что содержат бензольное кольцо. Будучи плоским и жестким, кольцо улучшает термические и механические свойства полимера. В 1941 году запатентовали первое полиэфирное волокно — терилен, который сегодня известен как ПЭТ.
В разных странах соединения, аналогичные терилену, получали свои названия. В 1946 году США выкупили права на производство ПЭТ у Великобритании и назвали волокно дакроном. Аналогичное волокно создали в 1949-м и назвали лавсаном.
Сначала полиэстеры завоевали текстильный рынок благодаря дешевизне и удобству в использовании. Однако по мере смены модных тенденций они приобрели негативный имидж «устаревших» и «неудобных», и к началу 1970-х их продажи резко упали. Это заставило производителей обратить внимание на другие свойства и возможные сферы применения полиэфиров, и в 1973 году в США запатентовали технологию выдувного формования бутылок из ПЭТ, которые сегодня можно увидеть в любом магазине по всему миру — ведь ежегодно их производят более полутриллиона штук!
Изучали и другие полиэфиры — например, полибутилентерефталат (ПБТ). Впервые он появился на рынке в 1969-1970 годах. Этот термопластичный материал, в отличие от ПЭТ, лучше подходит для литья под давлением. Сегодня он в основном используется для изготовления элементов, в том числе композитных, в автомобилестроении, электротехнике, электронике и бытовой технике.
В автомобиле и промышленном цеху
Сейчас из полиэфирного волокна создают одежду и предметы домашнего обихода, от шапок и рубашек до простыней, одеял и ковриков для компьютерных мышек. Из полиэфира делают нежную микрофибру и мягкий флис, в который можно переработать использованные ПЭТ-бутылки. Из полиэфирного искусственного меха шьют мягкие игрушки.
Полиэфирные волокна легко отыскать в автомобиле. Их добавляют в ткань ремней безопасности, ими армируют шины и пластиковые детали. Из ПЭТ делают детали и элементы кузова. Туристу без полиэстеров тоже никуда: они и в ткани брезентовой палатки, и в парусах для яхт.
В промышленности полиэстеры применяют для ткани конвейерных лент. Часто используется ПЭТ для производства медицинских приборов и упаковочных материалов, для отделки деревянных изделий и, конечно, производства всевозможной пластиковой тары.
Как полиэстерам удается быть такими разными? Благодаря стекловолокну и другим добавкам их свойства можно менять в нужную сторону, а необычные способы переработки пластика — например, с помощью бактерий, которые выделяют ферменты, разрушающие ПЭТ, — помогут сделать полиэфирные материалы максимально экологичными.
