Экономия наизнанку

Экономия наизнанку

Давно прошло то время, когда синтетические и искусственные материалы называли заменителями. Даже название "незаменимые заменители" продержалось сравнительно недолго. Полимеры и другие синтетические материалы открывали для человеческой деятельности такие новые области, которые были бы просто невозможны без них. Достаточно привести в качестве примера электротехнику и радиоэлектронику. Без полимерной электроизоляции, по сути дела, эти две отрасли просто не могли бы существовать. Не будь полимерной изоляции, не было бы в нашей квартире ни люстры, ни настольной лампы, ни холодильника, ни телефона, ни электробритвы, ни телевизора. Более того, без той же изоляции не могли бы существовать ни метро, ни троллейбусы, ни автобусы (вспомним про систему электрозажигания), ни легковые и грузовые автомобили, разве что на паровом двигателе. Зато уж электромоторов на заводах и фабриках точно быть не могло. Пришлось бы всем нашим производствам возвращаться к уровню начала века, когда каждая фабрика и завод имели свою паровую машину, а станки приводились в движение с помощью ременных передач от вала этой машины.

Стоит ли продолжать перечень? Вся современная электрифицированная и радиофицированная цивилизация держится на том, что потоки электронов в проводах направляются и регулируются изоляцией из синтетических полимеров или лакокрасочных (опять-таки полимерных) материалов.

И тем не менее на определенном уровне развития химии в каждой стране синтетическим материалам приходится преодолевать определенный экономический барьер; приходится испытывать опасную конкуренцию со стороны природных полимеров.

Рассмотрим это на примере синтетических волокон. В настоящее время в мире ежегодно производится примерно 15 млн. т натуральных волокон, около 10 млн. т синтетических и 4 млн. т искусственных. В 1940 г. натуральные волокна в мировом потреблении составляли 88%, а к 2000 г. их доля, по расчетам экономистов и технологов, должна будет неизбежно снизиться до 33-35%. Прогресс весьма существенный, особенно если учесть, что разрабатывались и осваивались натуральные волокна по меньшей мере в течение 12000 лет, искусственные - не более 80 лет, а синтетические появились сравнительно недавно, каких-то 40-50 лет назад.

По своим свойствам, по возможностям практического применения искусственные и синтетические волокна (обычно их объединяют под названием "химические волокна") идут, как правило, далеко впереди природных. Этим и объясняется их опережающее развитие в последние годы, равно как и прогноз на дальнейшее опережение. Но, увы, производство каждого из химических волокон на своем блистательном пути вынуждено преодолевать бессмысленный и от этого еще более трудный барьер. Как правило, вначале широкого освоения любого нового материала его себестоимость, а значит, и продажная цена выше, чем у того материала, которому он идет на смену. Причины этого давно уже выяснены, но истина, как говорится, не становится хуже от повторения. Себестоимость любого материала изменяется обратно пропорционально объему его производства. Если объем мал - первоначальные издержки, расходы на перестройку производства, на научно-исследовательские работы и т. п. приходится делить на малое число, накладные расходы на каждую тонну оказываются велики. Если объем велик - те же издержки распределяются между многими тоннами, понемногу на каждую. Все знают, что новый материал, если он действительно хорош, рано или поздно преодолеет пусковой барьер, и слишком многие не хотят ему в этом помогать, выжидают, пока он подешевеет.

По сообщениям советской печати, нашим ученым только за последние годы удалось создать такие волокна, которые обеспечивают, например, увеличение пробега автомобильных покрышек на 10-12%, такие, которые позволяют получать токопроводящие пластмассы, пластмассы прочнее стали и т. д. Но почему-то мало сообщений о массовом производстве этих волокон, об их широком использовании. Замена натуральных волокон химическими даст возможность за пятилетие сэкономить более 7 млрд. руб., но при условии, что им удастся безболезненно преодолеть этот зловещий, экономически тяжелый пусковой барьер. Иначе не будет получен тот экономический эффект, который сулит применение синтетических материалов. Экономисты подсчитали, что использование 1 т полимерных материалов в приборостроении сулит экономию 3870 руб., в электротехнике - 1810 руб., в строительстве - 1300 руб. Почему же представители этих отраслей не спешат с внедрением синтетических полимеров? Причина парадоксальна. Сегодня тонна хлопчатобумажной ткани в нашей стране стоит дешевле, чем - ткани из химических волокон. Замена химических волокон натуральными в производстве конвейерных лент, тентов, ремней, изоляционных материалов, канатов и т. п. дает прямой экономический эффект. В погоне за этим сиюминутным эффектом "ее величество индустрия" ежегодно потребляет более 1 млрд. м материалов из натуральных волокон. Видимо, стоит заглянуть вперед чуть подальше, помочь химикам преодолеть пусковой барьер, а потом загребать миллиарды рублей экономии - это трудно. А сегодня же сэкономить миллионы - легко. Авось химикам кто-нибудь другой поможет... (Химия и жизнь, 1980, № 2).

Но ведь химики - тоже люди. Если одна продукция не находит сбыта, они могут выпускать другую, ту, которая уже нашла дальновидного заказчика. Например, вместо полимеров можно делать олигомеры. И вот пример, как это произошло в действительности.

С древнейших времен люди применяли растительные масла для изготовления лаков и красок. Раскопки в Древней Индии, в Древнем Египте и Китае показали, что олифы на основе льняного, соевого, других масел были известны мастерам и в те еще годы. В наши дни почти 10% этих масел, как и в древности, идет в лакокрасочное производство. Многократные попытки, предпринимавшиеся в разных странах, заменить природные масла синтетическими олифами были, как правило, малоуспешными. Лаки и эмали из окисленных бутадиенов, из эпоксидных и других синтетических смол прекрасно работают, например, при покраске заборов, отделке фасадов зданий, внутренней отделке жилищ и производственных помещений. Но в самых сложных, так называемых критических условиях, синтетические олифы пока еще не могут тягаться с природными. Точнее говоря, не могли. Лишь совсем недавно химикам, наконец, удалось решить эту задачу.

Известно, что сотрудникам академических институтов по штату положено заниматься главным образом фундаментальными исследованиями. Между тем из лабораторий академических институтов часто выходят (а заодно и технологические проекты) чрезвычайно практичные открытия. Достаточно напомнить о фианитах, само название которых указывает на "первоисточник" - Физический институт Академии наук, или о лавсане, родившемся в Лаборатории высокомолекулярных соединений АН СССР, которая позже влилась в знаменитый ныне Институт элементоорганических соединений имени Александра Николаевича Несмеянова.

Об ИНЭОСе, об одной из новых работ сотрудников этого института, и пойдет речь. Именно в этом институте, где со дня основания разрабатываются фундаментальные проблемы химии, столь же фундаментально не раз решали важные проблемы химизации народного хозяйства. Потому что (так считал Александр Николаевич, так считают и многие его ученики) к принципиально новым процессам, к истинно новым технологическим решениям можно прийти лишь через фундаментальное познание "природы вещей".

В том конкретном случае, о котором пойдет речь ниже, имеет смысл напомнить читателям, что такое карбоновые кислоты. Это органические соединения, молекулы которых увенчаны карбоксильной группой - СООН. А вся остальная часть молекулы - углеводородная конструкция, которая может быть линейной или разветвленной, насыщенной или ненасыщенной. Почти все природные олифы построены на основе ненасыщенных линейных или разветвленных карбоновых кислот.

Еще одно пояснение, полезное для понимания дальнейшего рассказа. Альфа-разветвленные кислоты - это те, которые "кустятся" у первого (считая от карбоксильной группы) углеродного атома. Новый способ синтеза этих кислот основан на давно известной реакции теломеризации (от греческого "телос" - конец), но с одним существенным добавлением. О нем ниже.

Суть реакции теломеризации проста. Под действием инициатора, в частности перекисей или азо-соединений, некоторые вещества, так называемые телогены, например, четыреххлористый углерод ССl₄, разлагаются. При этом образуется свободный радикал, из молекулы ССl₄ - радикал · ССl₃. Этот радикал способен при-, соединять одну, две, три и т. д. молекулы ненасыщенного мономера, которые выстраиваются в длинную линейную молекулу.

Реакция могла бы идти и дальше, до образования полимера, но тут в дело вмешивается новый процесс - передача кинетической цепи на телоген. Конечно, для этого нужен избыток телогена, но теломеризацию именно в таких условиях и проводят. В результате такой передачи рост цепочки прекращается. Из мономера и телогена получается смесь сравнительно коротких молекул теломера.

Гидролизом концевой группы ССl₃ нетрудно превратить эти теломеры в карбоновые кислоты, но кислоты с линейными цепями. Такие кислоты - насыщенные кислоты - можно использовать, их и используют для синтеза волокон, душистых веществ и т. д. А вот для получения многих других композиций, например лакокрасочных материалов, они непригодны именно потому, что их молекулы линейны и насыщенны. В 1964 г. в ИНЭОСе членом-корреспондентом АН СССР Р. Х. Фрейдлиной и доктором химических наук А. Б. Терентьевым и их сотрудниками была обнаружена новая разновидность реакции теломеризации, которая и привела к разработке технологии получения карбоновых кислот по принципиально новому пути.

Сотрудники лаборатории Р. Х. Фрейдлиной не задавались целью получать заменители растительных масел тем более для лакокрасочной промышленности. Цель была иной: выяснить, какие соединения, кроме ССl₄, способны работать в качестве телогенов и к чему приводит их использование в реакции теломеризации. Было исследовано много веществ, разных по структуре и свойствам. Когда результаты всех опытов свели вместе, выяснили любопытную закономерность. В тех случаях когда телогенами служили низшие карбоновые кислоты или некоторые их производные, теломеризация с ними этилена приводила к альфа-разветвленным молекулам.

Тщательный анализ продуктов, их состава и химической структуры выявил еще одну прелюбопытнейшую закономерность: одна из боковых цепей, появившаяся у точки разветвления, всегда содержала четыре атома углерода, не больше и не меньше. Это не могло быть случайностью, поскольку повторялось в самых разных условиях и даже с разными телогенами. Пришлось разбираться досконально, и вот что выяснилось. В ходе реакции, как только растущая цепь набирала четыре атома углерода, хвост ее, подобно хвосту скорпиона, загибался к "голове" - к той точке, откуда начинался рост, и вырывал оттуда атом водорода. Тем самым головной атом углерода вновь становился реакционно-способным и мог начать отращивать себе новый хвост, чем он тут же и начинал заниматься. Два хвоста при одной "голове" - вот вам и альфа-разветвленность. А причину образования такой парадоксальной химической структуры назвали 1,5-миграцией атома водорода. Именно перенос атома водорода от первого к пятому атому углерода повинен в том, что "хвост" не удлиняется, остается четырехчленным. В этом суть нового процесса получения разветвленных карбоновых кислот, разработанного в ИНЭОСе и уже работающего на наше народное хозяйство.

Дальнейшие исследования показали, что из получаемых альфа-разветвленных кислот сравнительно легко и (что существенно!) применительно к существующим технологическим процессам получаются синтетические олифы, а из них высококачественные лакокрасочные материалы.

Как известно, едва ли не самые жесткие требования к свойствам лаковой пленки предъявляются в автомобильной промышленности. Автоэмали на основе альфа-разветвленных кислот прошли цикл испытаний и в лабораторных и в природных условиях и блестяще выдержали их. Потребитель есть. Но кто будет делать тонны и тонны этих кислот? Создавать новое производство, с его капризами, с тысячей загадок и ловушек, не говоря уж о подводных камнях... Да какой же химический комбинат решится вступить на этот опасный путь? К чести ИНЭОСовских исследователей нужно сказать, что об этом они подумали загодя и вели научные исследования с прицелом на дальнейшее внедрение их в производство. Тем более что удалось подобрать такие условия и режимы, что все вышеописанное нагромождение сложных химических реакций можно проводить в одном котле.

Нелегко было найти такое решение, но в конечном счете удалось спланировать одностадийный, технологически простой процесс. В Стерлитамаке по заслугам оценили усилия сотрудников ИНЭОСа, процесс этот уже внедрен.

Альфа-разветвленные карбоновые кислоты способны заменить растительные масла в производственных рецептурах лаков, красок, эмалей. И не просто заменить, а сделать эти материалы лучше, универсальнее, надежнее. Автоэмали на основе новых теломеров пойдут в дело на Волжском и Горьковском автозаводах. Конечно, и до этого были хорошие лакокрасочные материалы, но их готовили из растительных масел, в том числе и из пищевых. Подсолнечное, льняное, касторовое, кокосовое... Тысячи тонн масла использует современная лакокрасочная промышленность. Прямая экономия пищевых ресурсов - результат работы химиков ИНЭОСа. При этом уместно напомнить, что в СССР "крокодил не ловится, не растет кокос...", так что некоторые сорта растительных масел нам приходится импортировать.

Интересно еще отметить и то, что новый способ получения разветвленных карбоновых кислот заинтересовал зарубежных специалистов. Изобретатели своевременно запатентовали свой способ в Австрии, Англии, Франции и других странах. Кстати, эти же кислоты можно применять и при флотации, и при производстве поверхностно активных веществ, и в других областях.

Рассказывая о свойствах альфа-разветвленных кислот и о способе их производства, нельзя не отметить еще одно важное обстоятельство. Их производство безотходно. Нет ни сточных вод, ни вредных газовых выбросов. Непрореагировавшие вещества возвращаются в производственный цикл. В качестве же продуктов реакции получаются только разветвленные карбоновые кислоты. Три фракции, свойства которых зависят от длины главной цепи. И все три фракции полезны. Кислоты с 11-19 атомами углерода идут на производство лакокрасочных материалов. Легкая фракция (C₅-С₉) может быть использована для производства сиккативов или возвращена в производственный цикл "на доращивание". Третья фракция-кислоты, содержащие по 19 атомов углерода и больше, оказалась эффективным заменителем олеиновой кислоты в процессах флотации. А олеиновую кислоту, как известно, тоже приходится получать пока из пищевого сырья - вот вам и еще одно направление экономичной экономики. Ту же мысль можно развивать еще дальше: высшие жирные кислоты идут в основном на приготовление мыла и моющих веществ. Пусть уж лучше останутся эти кислоты в жирах, а мыло делают синтетическое. Правда, в этой области значительно больших успехов добиваются химики, работающие с полиэфирами и иными синтетическими моющими средствами. А им на смену, в свою очередь, идут ферментные композиции.

Честно говоря, сейчас, наверное, невозможно найти такую область, где бы применение синтетических материалов не сулило экономию и повышение качества; от искусственных спортивных дорожек (химики умеют и траву заменить!) до жевательной резинки, от защитных колпаков на носовых частях космических ракет до пленки, предотвращающей растрескивание созревающих плодов.

Более того, точный подсчет показывает, что вместо 100 л бензина из нефтяного сырья можно получить достаточное количество синтетических полимеров для производства 18 кг полиэтилена плюс 28 мужских рубашек, или 30 женских акриловых кофт, либо изготовить одну покрышку и 7 камер для автомобиля. А в топливный бак автомобиля в таком случае можно заливать этиловый спирт, полученный из опилок на гидролизных заводах. А еще лучше снабдить этот автомобиль электрохимическим источником либо высокоемкими аккумуляторами, в крайнем случае солнечными батареями. Кстати, и сам автомобиль давно пора сделать менее металлоемким и более пластмассовым. Это заметно уменьшит его вес и позволит экономить энергию не только в дороге, но и при производстве. Для автомобилестроения такие подсчеты еще не сделаны, а, к примеру, в области тары и упаковки вычислено скрупулезно точно, что на производство 1 дм³ алюминиевой тары расходуется в среднем чуть более 150 ккал, на 1 дм³ стеклянной тары - около 40 ккал, а пластмассовой - от 25 до 30 ккал.

Экономия ресурсов, трудовых и сырьевых, экономия ресурсов пищевых, экономия энергии - вот что сулит нам широкое применение синтетических материалов, если... если мы сумеем преодолеть вступительный барьер для широкого внедрения достижений науки и техники (химической науки и химической техники).

Кончилось то время, когда уместно было говорить о перспективных возможностях полимерных и иных синтетических материалов. Они стоят на пороге зрелости, и в наших с вами интересах, чтобы химия перешагнула этот порог поскорее.