Мы живем в век полимеров: пьем из пластиковых бутылок, складываем продукты в полиэтиленовые пакеты, ездим на автомобилях с резиновыми покрышками и носим костюмы из акрила — одного из первых и самых популярных полимеров. На что был похож этот материал и почему его путь от «изобретения» до успешного применения занял почти 80 лет?
Продукт энергетики
Полимеры — это соединения с длинными молекулами, состоящие из «кирпичиков» — мономеров. У акрилов в роли «кирпичиков» выступают акриловая и метакриловая кислоты — бесцветные жидкости с резким запахом. Акриловую кислоту чаще получают окислением пропилена — побочного продукта нефтепереработки, который образуется при крекинге.
Метакриловую кислоту обычно получают окислением углеводорода изобутилена (в промышленных масштабах его несложно выделить из побочных продуктов производства бензина) до полимера метакролеина, а затем окисляют и его. Существует альтернативный способ — сернокислое окисление органического вещества ацетонциангидрина. Его получают из ацетона, который, в свою очередь, можно произвести из пропилена или бензола — обычных продуктов нефтепереработки.
Остается лишь соединить «кирпичики» в единое целое — полимеризовать. Обе кислоты легко образуют цепочки полимеров. Также полимеризуются многие производные этих кислот — например, метилметакрилат, служащий основой для производства оргстекла, или акриламид, полимер которого добавляют в качестве стабилизатора в буровые жидкости.
Путь к славе
Акриловая и метакриловая кислоты были получены в XIX веке, а в 1877–1880 годах химик Вильгельм Рудольф Фиттиг открыл процесс полимеризации метакриловой кислоты. Однако коммерческая слава пришла к акрилу не сразу: поначалу ученым удавалось синтезировать лишь вязкие студенистые материалы, похожие на очень густой кисель. Где их можно было применить, никто не знал.
Лишь в 1901 году химик Отто Рем опубликовал докторскую диссертацию о разнообразии продуктов полимеризации акриловой кислоты. Изучая полимеризацию эфиров метакриловой кислоты, Рем создал бесцветный прозрачный материал с характеристиками «между прочным гибким стеклом и жесткой резиной» — прототип оргстекла. Вдохновленный успехами, Рем объединился с банкиром Отто Хаасом, чтобы в 1907 году основать в Германии химическую компанию Röhm&Haas.
Действуя как предприниматель, а не как химик, Рем стремился к созданию материалов, востребованных на рынке. Это приводило к серьезным ошибкам. Например, в 1912 году фирма получила патент на «способ изготовления продукта со свойствами вулканизированной резины», однако идея провалилась: в отличие от каучука, акриловые полимеры не вулканизировались серой из-за своего химического строения. Похоже, негативный опыт пошел впрок: Рем начал привлекать к работе других химиков. Благодаря их исследованиям были разработаны новые способы получения «кирпичиков» акриловых полимеров.
Дальнейшее развитие акриловых полимеров затормозилось на долгие годы: сказывались желание компании сохранить свои разработки в секрете и непростая экономическая ситуация в Германии 1920-х годов. Тем не менее, к 1930-м на рынке появились гибкие акриловые полимеры, которые стали использовать для электроизоляции, и твердые вещества, которые можно было применять как ударопрочную и легкую замену стеклу. В 1940–1950-х акриловые полимеры добрались и до текстильной промышленности — появились акриловые волокна.
От гардероба до химической лаборатории
Сегодня акриловые полимеры встречаются повсюду: оргстекло можно обнаружить в химической лаборатории (из него делают линзы микроскопов, колбы, подставки, пробирки) и на заводе по производству автостекол (стекла в автомобиле — тоже органические). Из акриловых полимеров делают шумозащитные экраны для оживленных магистралей и торговые павильоны. Даже рекламные вывески и светящиеся таблички «Выход» в общественных пространствах не обходятся без этого материала — легкого, прочного, долговечного.
Из акрилового волокна, которое называют искусственной шерстью, изготавливают одежду: нарядные костюмы, уютные свитеры, теплые шарфы. Акриловой тканью обиты сиденья в автобусах и домашняя мягкая мебель. Подходит она и для изготовления детских игрушек, спецодежды, защитных чехлов — свойства ткани зависят от соотношения компонентов в составе и строения волокон. Так, если «разбавить» акрилом кашемир, одежда будет лучше держать форму и станет менее прихотливой в уходе. Если же в акрил добавить немного хлопка, ткань будет лучше впитывать влагу.
Акриловые краски появились в 1930-х, но известность завоевали к концу 1940-х — среди промышленников и художников. Яркие и быстросохнущие, в отличие от традиционных масляных, акриловые краски не боятся влаги, солнечных лучей, трещин и держатся практически на любой поверхности. В зависимости от добавок краски могут быть плотными и вязкими, как гуашь, или текучими, как акварель, переливаться на свету радугой или флуоресцировать под ультрафиолетовой лампой.
Во многих квартирах стоят акриловые ванны. Их делают из термопластов — термопластичных акриловых полимеров, которые при нагревании расплавляются до мягкого или жидкого состояния, а затем застывают, приобретая первоначальные свойства. Акриловые лаки, клеи, герметики, грунтовки и шпатлевки отличаются от аналогов стойкостью к механическим повреждениям и выцветанию и отсутствием неприятного запаха при нанесении.
Материалы из акрила ценят за долговечность и легкость, а благодаря нефтехимической промышленности — главному источнику сырья для производства акрила — такие полимеры еще и сравнительно дешевы, так что найти их можно и в геле для ногтей, и в искусственном камне для ландшафтного дизайна, и даже в медицинских протезах.
