Корисне випромінювання. Небажана технологія.

Полимеризация

Поліетилен – один з найбільш чудових синтетичних матеріалів. Завдяки своїм властивостям він знаходить широке застосування в найрізноманітніших галузях техніки, сільському господарстві, в медицині та побуті. Як же синтезують цей цінний полімер?

До недавнього часу поліетилен отримували шляхом полімеризації газу етилену при тиску приблизно 2 тисячі атмосфер і температурі близько 200 ° в присутності кисню, що грає роль ініціатора. Як відомо, процес полімеризації зводиться до того, що невеликі молекули вихідної речовини, званої мономером, за певних умов здатні утворювати величезну молекулу полімеру, що містить іноді багато сотень і навіть тисяч вихідних молекул. Наявність таких гігантських молекул і обумовлює всю сукупність цінних властивостей, що відрізняють полімерні матеріали від низькомолекулярних сполук.

Щоб полімеризація могла здійснитися, необхідно впливати на молекули мономера, змусити їх з’єднуватися між собою. В описаному способі роль ініціатора полімеризації грає кисень, який при високій температурі сприяє з’єднанню молекул. Високий тиск зближує молекули етилену, збільшує число зіткнень їх між собою і тим самим підвищує ймовірність утворення полімеру. Треба відзначити, що ні в якому іншому технологічному процесі не застосовуються настільки високі тиски, як при отриманні поліетилену. Зрозуміло, що вчені та інженери наполегливо шукали інший метод.

У 1954 році, нарешті, був відкритий спосіб полімеризації етилену при низькому (до 40 атмосфер) тиску і температурі 50-60 °, з використанням металоорганічних каталізаторів. Здавалося б, що саме такий спосіб може повністю витіснити колишній, але цього не сталося. У чому ж справа?

Виготовлення каталізатора і поводження з ним виявилися досить складними; крім того, для виробництва поліетилену по новому способу потрібні дуже великі площі. Досить істотно й інша обставина. У поліетилені низького тиску присутні, хоча і в малих кількостях, домішки, які настільки погіршують його електричні властивості, що стає неможливим використання поліетилену для виготовлення відповідальних електро- і радіотехнічних виробів. Тому сьогодні поліетилен, залежно від призначення, продовжують робити або високого, або низького тиску. Де ж вихід? Як все-таки позбутися від необхідності застосовувати настільки великі тиски?

Працюючи над цією важливою проблемою, вчені вирішили перевірити можливості використання іонізуючих випромінювань. Чи не виявиться радіація досить активним ініціатором процесу полімеризації?

При дії випромінювання на речовину в ній утворюються іони, збуджені молекули і їх обривки (вільні радикали), здатні найбільш активно брати участь у хімічних реакціях. Власне хімічні зміни в системі і визначаються тим, які саме іони і радикали виникають під дією випромінювання і як вони реагують між собою і з молекулами і атомами середовища, в якому вони утворюються. Численні дослідження, показали, що процеси радіаційної полімеризації протікають по ланцюговому механізму. Але одного лише встановлення цього факту ще недостатньо для вирішення питання про доцільність використання радіаційної полімеризації. Ясно, що потрібно знати, як велика її ефективність.

Так як в основі будь-якого радіаційно-хімічного процесу лежить витрачання енергії іонізуючого випромінювання на розрив наявних і утворення нових хімічних зв’язків між атомами і молекулами речовини (поряд з побічними процесами, що приводять до розсіювання енергії, наприклад, у вигляді тепла), то ефективність таких реакцій прийнято характеризувати числом молекул, що прореагували (або утворилися) на 100 електроновольт поглиненої енергії.

Виявилося, що процеси радіаційної полімеризації можуть бути здійснені з виходами, що досягають тисячі і більше полімеризованих молекул мономера на 100 електроновольт поглиненої енергії. З техніко-економічної точки зору, це високий показник, і, значить, такий процес був би надзвичайно вигідним. Принципово радіаційна полімеризація здійснюється досить просто. Розчин етилену в якій-небудь рідини (наприклад, в гексані) піддають дії гамма-випромінювання від джерела (кобальт-60), спеціально приготованого в реакторі, або ж використовують для цієї мети спеціальні тепловиділяючі елементи (ТВЕЛ) атомного реактора. Радіаційно-хімічний вихід при температурі 25 ° і невисоких тисках (50 атмосфер) досягає в цьому випадку 2 тисяч молекул на 100 електроновольт і за 36 годин полімеризується до 40 відсотків загальної кількості мономера; збільшення його концентрації різко підвищує швидкість полімеризації.

Поряд з відносною простотою практичного здійснення радіаційна полімеризація має і низкою серйозних переваг в порівнянні з іншими методами. Радіаційним методом можна викликати полімеризацію таких мономерів, які іншими способами взагалі не полімеризуються (наприклад, гексафторпропілен). Істотно також, що процес радіаційної полімеризації легко регулювати зміною інтенсивності випромінювання; швидкість радіаційної полімеризації при нормальній температурі і відносно низьких тисках дуже висока. Нарешті, важливо, що радіаційна полімеризація здійснюється без введення в систему сторонніх речовин – ініціаторів, залишки яких зазвичай сильно погіршують властивості одержуваних продуктів.

Економічність радіаційної полімеризації поліетилену цікаво проілюструвати такими цифрами. Якщо в якості джерела випромінювання використовувати ТВЕЛ реактора атомної електростанції потужністю 2 мільйони кіловат, то річне виробництво поліетилену, організоване на базі такої атомної станції, досягне 120 тисяч тонн, що становить приблизно одну третину від кількості поліетилену, що випускається в США.

Методи радіаційної полімеризації застосовні, звичайно, не тільки до етилену. Вони можуть використовуватись для полімеризації стиролу, метилметакрилату та інших мономерів. Вельми показовим спосіб отримання лоліметілметакрілата (органічного скла). Значення цього матеріалу для різних галузей техніки загальновідомо. Однак полімеризація вихідного мономера – метилметакрилату – звичайними методами пов’язана з низкою труднощів. Для проведення цього процесу необхідно вводити спеціальні добавки – ініціатори. Крім того, форми із залитим в них мономером потрібно нагрівати в особливих печах.

Цікаво було з’ясувати, чи не допоможе і в цьому випадку радіаційна хімія. Дійсно, виявилося, що метілметакрілат легко полімеризується під дією іонізуючого випромінювання. Причому тут мається можливість більш простого практичного здійснення цього процесу. Досліди показали, що якщо опромінення метилметакрилату виробляти на повітрі, то полімеризація не відбувається, так як кисень затримує цей процес. Але достатньо припинити доступ повітря до опроміненого мономеру, як він починає полімеризуватись при кімнатних або навіть більш низьких температурах і перетворюється на тверде прозоре скло високої якості.

Отже, на відміну від етилену полімеризацію метилметакрилату можна проводити не безпосередньо під впливом випромінювання, а шляхом попереднього опромінення мономера. Ця чудова особливість радіаційної полімеризації метилметакрилату відкриває великі можливості для виробництва. Подібний метод «роздільної» радіаційної полімеризації може бути застосовний, мабуть, і до інших мономерів.

Автор: Фінкель Е. Е.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *