Век пластмасс
В 1960-х годах в Советском Союзе стало модно пытаться заглядывать в светлое будущее. Правда этот футуризм длился всего несколько лет. В журналах «Техника – молодёжи» и «Знание – сила» рисовали картинки прекрасного далёка, приближающегося со скоростью реактивного самолёта ТУ-114, который тоже казался пришельцем из прекрасного будущего. На журнальных картинках городские улицы были широкими, дома высокими и красивыми, хотя без архитектурных излишеств. И люди на картинках были высокими и красивыми. Все они летали в космос, жили в отдельных квартирах и также презирали излишества. Долой комоды со слониками и зачехлённые диваны! Да здравствует лёгкая мебель и пластмассовые радиоприёмники! Пластмасса стала таким же символом грядущего, как космические ракеты.
Про всё это нарисованное, но не случившееся будущее можно было бы вспомнить с лёгкой улыбкой. А можно и задаться вопросом: насколько пластмассы, которые принялись широко внедрять в стране в те давние далёкие годы, приблизили будущее? Каким бы предстал перед нами мир, в котором по какой-то оплошности не были изобретены пластмассы?
Был бы этот мир, несомненно, более тяжёлым, медлительным, нарочито сверкающим сталью и бронзой. А ещё это был бы мир «реальных» вещей, которые следует беречь и использовать чем дольше, тем лучше. Дети донашивают одёжку родителей и пользуются бабушкиными ещё вилками и чашками. Мы не настолько богаты, чтобы покупать дешёвые вещи! Скупердяйский, в общем-то век.
Лео Бэкеланд (Leo Baekeland; 1863 - 1944) немало потрудился для того, чтобы мы оказались в совершенно ином мире, окружённые множеством симпатичных, дешёвых и лёгких вещей.
Будучи талантливым химиком, Бэкеланд придумал одну из первых пластмасс, которая была названа по его фамилии бакелитом. Бакелит не был первой в мире пластмассой. До него в 1855 году английский химик Александр Паркс уже синтезировал из целлюлозы целлулоид. Однако, эта первая пластическая масса, по-видимому, появилась слишком рано и применения в промышленности не получила. А вот бакелит, который был изобретён на полвека позже, оказался широчайше востребованным в самых разных отраслях, и в первую очередь, как прекрасный изолятор, в электротехнике. Новый материал был дёшев, лёгок и легко обрабатывался. Гигантский спрос стимулировал появление новой отрасли химической промышленности – производство пластмасс. А 20-й век с полным на то основанием стал называться не только веком освоения космоса и веком атомной энергии, но также и веком пластмасс.
Молодое дарование
Родился Лео Бэкеланд 14 ноября 1863 года в Бельгийском городе Генте в семье сапожника. Отец считал, что сын унаследует родительскую профессию, а сапожнику зачем образование? В 13 лет он забрал парня из школы и отдал на обучение одному из коллег. Мать же разглядела в сыне желание учиться. По её настоянию Лео продолжал посещать государственную среднюю школу. Здесь он узнал о существовании химии и полюбил её.
Получить химическое образование сыну сапожника в то время было непросто. Окончив школу, Лео записался на вечерние курсы химии, механики и фотографии. Чтобы оплачивать учёбу он подрабатывал помощником фармацевта. В 1880 году семнадцатилетний молодой человек, наконец, поступает в университет Гента, как городской стипендиат. Имелись такие социальные лифты в небедном городе Генте.
Кафедра химии в Гентском университете уже имела мировую известность. Всего пятнадцать лет назад немецкий химик Август Кекуле, работая здесь, сделал открытие, ставшее краеугольным камнем современной органической химии. Он открыл, что молекула бензола имеет странную для тогдашних химиков кольцевую конфигурацию. Никто даже не предполагал, что это возможно. Оказалось, что в мире органической химии молекулы необычной конфигурации – обычное дело. И да, форма молекулы имела значение не меньшее, чем состав. Химики-органики стали не только писать длинные формулы, но и рисовать молекулы.
Углеводороды, содержащие в себе кольцевую структуру, назвали ароматическими. Бензол оказался одним из самых распространённых ароматических углеводородов. На основе одного из производных бензола, анилина, английский химик Уильям Перкин получил первый искусственный краситель фиолетового цвета, мовеин. Промышленное производство анилинового красителя началось в 1856 году. Тем самым получил своё начало новый огромный раздел химической технологии, производство красителей. Это опосредствованно повлияло на развитие искусства. Художники получили краски самых разнообразных цветов, упакованные в жестяные тюбики. С такими красками можно было выезжать на пленэр и изображать мир совершенно в иной манере. Привет, импрессионисты, экспрессионисты и прочие дадаисты! В мире всё взаимосвязано.
Наставником студента химического факультета Лео Бэкеланда, был профессор Теодор Суортс. Который в своё время учился у Августа Кекуле. Под руководством Суортса в 1887 году Бэкеленд, закончив с отличием учёбу, стал доцентом на кафедре химии. Блестящая академическая карьера! Но главное, 8 августа 1889 года Лео Бэкеланд женился на дочери профессора Теодора Суортса милой и красивой Селин Суортс. Селин также полюбила Лео и их брак оказался в высшей степени удачным. Спустя много лет Бэкеланд сказал, что величайшим своим открытием, сделанным ещё до других открытий, была встреча с Селин.
Америка, Америка!
Свадебное путешествие молодожёны решили совершить в Америку. Выбор для того времени был необычный, но, как оказалось, судьбоносный. Бэкеланд получил стипендию для поездки за океан и обучения там. Но назад, на родину, он уже не вернулся. Так же как не вернулся он и к занятиям чисто научными аспектами химии. Жизнь и реальное производство оказались и более разнообразными, и более богатыми. Во всех смыслах этого слова.
Бэкеланд поселился в Нью-Йорке и, спустя некоторое время, занял должность химика в местной компании, производившей различные фотоматериалы. Здесь Бэкеланд сделал и запатентовал своё первое крупное изобретение, фотобумагу высокой светочувствительности Velox.
Изобретение Бэкеланда полностью изменило процесс фотопечати. Прежняя фотобумага имела невысокую светочувствительность. Печать позитивного изображения с негативной пластинки производили на ярком солнечном свете. Бумага, изобретённая Бэкеландом, позволяла делать отпечатки при помощи искусственного света, например, от электрической лампочки. Так для печати фотографий на бумаге появились фотоувеличители и тёмные фотолаборатории, которые ещё помнят люди старшего поколения.
Естественно, что на новую фотобумагу вскоре обратил внимание основатель компании «Кодак» Джордж Истман. В 1899 году он выкупил у Бэкеланда патент на Velox за большие деньги. В результате 36-летний химик стал очень богатым американцем. Да, американцем, потому что в 1897 году Бэкеланд получил гражданство США. Бэкеланд был американским патриотом. Старшего сына он назвал Джордж Вашингтон в честь первого американского президента. Америка, по его мнению, обеспечивала самые лучшие условия для развития личности, производства и науки.
Главное открытие
Творческие натуры обилие денег не развращает. Лео Бэкеланд наслаждался своим процветанием. Он имел два поместья, одно, с видом на Гудзон, в штате Нью-Йорк, а другое во Флориде, где можно было приятно проводить зимы. У Бэкеланда была даже яхта, которую он назвал химическим термином «Ион». На самой заре автомобилизма Бэкеланд стал заядлым автомобилистом и путешествовал по Европе на машине со своей семьей.
Вместе с тем Бэкеланд не оставил занятия любимой наукой. В своём доме в штате Нью-Йорк он оборудовал лабораторию, позволявшую ему заниматься химией на самом современном уровне.
В 1902 году внимание Бэкеланда привлекла весьма перспективная тема. В конце 19-го века начала развиваться электротехника, в результате чего повысился спрос на электроизоляционные материалы. Лучшим изолятором в то время был шеллак, вещество органического происхождения, экскременты червячков, водившихся в джунглях Индии и Юго-Восточной Азии. Ясно, что даже миллиардная колония червячков не обеспечила бы нужды мировой электротехнической промышленности. Тем более, что сбор шеллака был очень трудоёмким. Лео Бэкеланд решил синтезировать искусственную смолу, которая заменила бы шеллак. Это было не только интересной задачей. Производство такой смолы сулило грандиозные доходы.
Забегая вперёд, скажем, что Бэкеланд синтезировал и запатентовал искусственный шеллак. Но это, против ожидания, не принесло ему ни больших денег, ни научной славы. Однако, продолжив исследования, он открыл процесс создания пластмасс и получил бакелит, прославивший его имя.
Бэкеланд обратил внимание на реакцию фенола с формальдегидом, которую открыл ещё в 1872 году немецкий химик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии по химии. Реакция эта протекала очень бурно и приводила к образованию смолоподобного вещества, чрезвычайно устойчивого к воздействию каких-либо химических реагентов. Поэтому состав этого вещества Байер определить не смог. И даже не пытался продолжить исследования в этом направлении, считая это бессмысленным.
Ещё раз повторим: в мире всё взаимосвязано. А уж, тем более, в тогдашнем очень тесном мире химиков. Учителем Адольфа фон Байера был тот самый Август Кекуле, который работал в том самом Гентском университете, где спустя 25 лет учился и получил учёную степень по химии Бэкеланд. Который в 1902 году обратил своё внимание на, казалось бы, малоинтересное вещество, открытое Байером за три десятка лет до того. Такое вот фенол-формальдегидное кольцо судеб.
Бэкеланд занялся исследованием фенол-формальдегидной смолы, получавшейся в результате реакции Байера. Это было твёрдое вещество, которое при нагревании сначала становилось мягким и текучим, что позволяло его легко формовать. Но при дальнейшем увеличении температуры смола превращалась в твердую и нерастворимую субстанцию.
Бэкеланд изучил все особенности реакции между формальдегидом и фенолами. Оказалось, что эту реакцию можно разделить на несколько стадий. Присутствие в качестве катализатора какого-либо основания, например, каустической соды (NaOH) или аммиака, позволяло удлинить реакцию и облегчить её контроль на любой стадии. Чтобы прекратить реакцию достаточно было понизить температуру. Другим важнейшим фактором, позволявшим управлять реакцией, оказалось давление. Бэкеланда это не удивило. Он был осведомлён о первых успехах физической химии, среди прочего изучающей как раз влияние на ход реакции давления. Чтобы управлять ходом реакции Бэкеланд решил производить её в герметично закрытом автоклаве с возможностью изменять давление и температуру. Он сам разработал такой автоклав, который скромно назвал «бэкелайзером». Этот автоклав сохранился и в 1993 году был признан памятником национальной научной истории США. Сейчас, как реликвия, он хранится в Смитсоновском институте в Вашингтоне.
В результате долгих и упорных исследований Бэкеланд научился получать высокопрочный бакелит. Это была смола янтарно-желтого цвета. При нагревании бакелит становился мягким и легко формовался, принимая любую сложную форму. При дальнейшем нагревании бакелит затвердевал и после этого уже не поддавался воздействию температуры и не разрушался под влиянием кислот и щелочей. Такие пластмассы, которые как бы «закаляются» под воздействием температуры, называются термореактивными.
Искусственное вещество: полезное и красивое
7 декабря 1909 года Лео Бэкеланд запатентовал синтезированную им пластическую массу под названием «бакелит». В 1910 году учёный создал компанию по производству этого пластика, на который был стабильный и высокий спрос, и тоже назвал её «Бакелит».
Бакелит, прочный и лёгкий, стал первой пластмассой, которая оказалась широко востребованной промышленностью, особенно электро- и радиотехникой. Осветительные приборы, телефоны и радиоприёмники из бакелита появились в каждом доме. Автомобильная и авиационная промышленности тоже заинтересовались бакелитом. Оказалось, что в бакелит можно добавлять наполнители разных цветов. В результате его можно было сделать и черным, напоминающим эбеновое дерево, и белым, цвета слоновой кости, и зелёным, и жёлтым, и красноватым. Лёгкие бакелитовые пластины заменили отделку из ценных пород дерева. В годы Второй мировой войны, промышленность США испытывала дефицит меди, и правительство США даже задумывалось над тем, чтобы выпускать дешёвые монеты из бакелита.
Бакелит открыл «эру пластмасс». И, как положено, вслед за бакелитом химическая промышленность стала выпускать на рынок новые пластические массы. Оказалось, что разнообразие пластмасс неисчерпаемо.
Мир, в который пришли пластмассы, изменился. Вещи стали более легкими, более красочными, более дешевыми. И гораздо менее серьезным. И, наверное, это к лучшему.
