Созидающее излучение. Нежелательная технология.

Полимеризация

Полиэтилен — один из наиболее замечательных синтетических материалов. Благодаря своим свойствам он находит широкое применение в самых разнообразных областях техники, сельском хозяйстве, в медицине и быту. Как же синтезируют этот ценный полимер?

До недавнего времени полиэтилен получали путем полимеризации газа этилена при давлении примерно 2 тысячи атмосфер и температуре около 200° в присутствии кислорода, играющего роль инициатора. Как известно, процесс полимеризации сводится к тому, что небольшие молекулы исходного вещества, называемого мономером, при определенных условиях способны образовывать огромную молекулу полимера, содержащую иногда много сотен и даже тысяч исходных молекул. Наличие таких гигантских молекул и обусловливает всю совокупность ценных свойств, отличающих полимерное материалы от низкомолекулярных соединений.

Чтобы полимеризация могла осуществиться, необходимо воздействовать на молекулы мономера, заставить их соединяться между собой. В описанном способе роль инициатора полимеризации играет кислород, который при высокой температуре способствует соединению молекул. Высокое давление сближает молекулы этилена, увеличивает число соударений их между собой и тем самым повышает вероятность образования полимера. Надо отметить, что ни в каком другом технологическом процессе не применяются столь высокие давления, как при получении полиэтилена. Понятно, что ученые и инженеры настойчиво искали иной метод.

В 1954 году, наконец, был открыт способ полимеризации этилена при низком (до 40 атмосфер) давлении и температуре 50—60°, с использованием металлоорганических катализаторов. Казалось бы, что именно такой способ может полностью вытеснить прежний, но этого не произошло. В чем же дело?

Изготовление катализатора и обращение с ним оказались довольно сложными; кроме того, для производства полиэтилена по новому способу требуются очень большие площади. Весьма существенно и другое обстоятельство. В полиэтилене низкого давления присутствуют, хотя и в малых количествах, трудноудаляемые примеси, которые настолько ухудшают его электрические свойства, что становится невозможным использование полиэтилена для изготовления ответственных электро- и радиотехнических изделий. Поэтому сегодня полиэтилен, в зависимости от назначения, продолжают производить либо высокого, либо низкого давления. Где же выход? Как все-таки избавиться от необходимости применять столь большие давления?

Работая над этой важной проблемой, ученые решили проверить возможности использования ионизирующих излучений. Не окажется ли радиация достаточно активным инициатором процесса полимеризации?

При действии излучения на вещество в нем образуются ионы, возбужденные молекулы и их обрывки (свободные радикалы), способные наиболее активно участвовать в химических реакциях. Собственно химические изменения в системе и определяются тем, какие именно ионы и радикалы возникают под действием излучения и как они реагируют между собой и с молекулами и атомами среды, в которой они образуются. Многочисленные исследования, показали, что процессы радиационной полимеризации протекают по цепному механизму. Но одного лишь установления этого факта еще недостаточно для решения вопроса о целесообразности использования радиационной полимеризации. Ясно, что нужно знать, как велика ее эффективность.

Так как в основе любого радиационно-химического процесса лежит расходование энергии ионизирующего излучения на разрыв имеющихся и образование новых химических связей между атомами и молекулами вещества (наряду с побочными процессами, приводящими к рассеянию энергии, например, в виде тепла), то эффективность таких реакций принято характеризовать числом прореагировавших (или образовавшихся) молекул на 100 электроновольт поглощенной энергии.

Оказалось, что процессы радиационной полимеризации могут быть осуществлены с выходами, достигающими тысячи и более заполимеризовавшихся молекул мономера на 100 электроновольт поглощенной энергии. С технико-экономической точки зрения, это высокий показатель, и, значит, такой процесс был бы чрезвычайно выгодным. Принципиально радиационная полимеризация осуществляется достаточно просто. Раствор этилена в какой-нибудь жидкости (например, в гексане) подвергают действию гамма-излучения от источника (кобальт-60), специально приготовленного в реакторе, или же используют для этой цели отработавшие тепловыделяющие элементы (ТВЭЛ) атомного реактора. Радиационно-химический выход при температуре 25° и невысоких давлениях (50 атмосфер) достигает в этом случае 2 тысяч молекул на 100 электроновольт и за 36 часов полимеризуется до 40 процентов общего количества мономера; увеличение его концентрации резко повышает скорость полимеризации.

Наряду с относительной простотой практического осуществления радиационная полимеризация обладает и рядом серьезных преимуществ по сравнению с другими методами. Радиационным методом можно вызывать полимеризацию таких мономеров, которые другими способами вообще не полимеризуются (например, гексафторпропилен). Существенно также, что процесс радиационной полимеризации легко регулировать изменением интенсивности излучения; скорость радиационной полимеризации при нормальной температуре и относительно низких давлениях очень высока. Наконец, важно, что радиационная полимеризация осуществляется без введения в систему посторонних веществ — инициаторов, остатки которых обычно сильно ухудшают свойства получаемых продуктов.

Экономичность радиационной полимеризации полиэтилена интересно проиллюстрировать следующими цифрами. Если в качестве источника излучения использовать ТВЭЛ реактора атомной электростанции мощностью 2 миллиона киловатт, то годовое производство полиэтилена, организованное на базе такой атомной станции, достигнет 120 тысяч тонн, что составляет примерно одну треть от количества полиэтилена, выпускаемого в США.

Методы радиационной полимеризации применимы, конечно, не только к этилену. Они могут использоваться для полимеризации стирола, метилметакрилата и других мономеров. Весьма показателен способ получения лолиметилметакрилата (органического стекла). Значение этого материала для различных отраслей техники общеизвестно. Однако полимеризация исходного мономера — метилметакрилата — обычными методами увязана с рядом трудностей. Для проведения этого процесса необходимо вводить специальные добавки — инициаторы. Кроме того, формы с залитым в них мономером нужно нагревать в особых печах.

Интересно было выяснить, не поможет ли и в этом случае радиационная химия. Действительно, оказалось, что метилметакрилат легко полимеризуется под действием ионизирующего излучения. Причем здесь имеется возможность более простого практического осуществления этого процесса. Опыты показали, что если облучение метилметакрилата производить на воздухе, то полимеризации не происходит, так как кислород задерживает этот процесс. Но достаточно прекратить доступ воздуха к облученному мономеру, как он начинает полимеризироваться при комнатных или даже более низких температурах и превращается в твердое прозрачное стекло высокого качества.

Следовательно, в отличие от этилена полимеризацию метилметакрилата можно производить не непосредственно под воздействием излучения, а путем предварительного облучения мономера. Эта замечательная особенность радиационной полимеризации метилметакрилата открывает большие возможности для производства. Подобный метод «раздельной» радиационной полимеризации может быть применим, по-видимому, и к другим мономерам…

Автор: Финкель Э. Э.

P. S. О чем еще думают британские ученные: о том, что созидательные излучения могли бы стать отличной темой для дипломной работы по физики. Ну а если у вас возникнут трудности с дипломной работой, то ведь можно и оформить диплом на заказ, вам же останется только блестяще защитить его перед учебным советом.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *