Искусственные материалы и их применение человеком. Удивительные искусственные материалы нашего времени

Честно говоря, я только недавно узнал об этом материале. Старлит - пластик, созданный достаточно давно, а его свойства просто удивительны. Вот, например, видео с демонстрацией возможностей старлита.

После этого выступления по ТВ, с ученым, создавшим старлит связались сотрудники некоторых университетов, решив проверить возможности материала. ОКазалось, что они просто невероятны, старлит выдерживает огромную температуру, оставаясь при этом практически неповрежденным. При этом старлит нетоксичен даже при очень высокой температуре, и очень легкий.

К сожалению, создатель старлита умер в 2011 году, так и не запатентовав свое детище. Плюс ко всему, секрет создания материала, как это принято говорить, ушел с ним в могилу.

2. Аэрогель

Это действительно гель, с очень малой плотностью. При этом аэрогель является довольно прочным материалом, гораздо более прочным, чем некоторые прочие материалы с подобной плотностью. Он - чрезвычайно эффективный теплоизолятор. Например, тонкую пластину аэрогеля можно нагревать с одной стороны, а с другой он будет осаваться холодным.

Еще интересно то, что аэрогель отталкивает воду, и поглощает нефть. На этом свойстве материала базируется намерение ученых создать надежное средство для борьбы с нефтяными пятнами.

3. BacillaFilla

Это не материал, а микроорганизм, бактерия, которая выделяет особого рода цементирующее вещество. Все звучит не очень интересно, но стоит вспомнить, что некоторые здания, базирующиеся на бетонном фундаменте, сносят только потому, что фундамент "устал".

И во многих случаях починить его нет никакой возможности. А вот BacillaFilla - бактерия, которая выделяет вещество, способное надежно зацементировать прорехи в "уставшем" бетоне. В результате можно сэкономить огромное количество денег и человеко-часов.

пока что непонятно, когда эта бактерия пойдет в дело, но ее возможности сейчас оценивают ученые со всего мира.

4. D3o

Еще один уникальный материал, который назвали коротко - D3o. В этом материале молекулы находятся в свободном движении в обычных условиях, фиксируясь при ударе. Материал этот напоминает смесь кукурузного крахмала и воды. При этом из материала можно делать защитную одежду, выдерживающую значительные нагрузки.

Ну, например, шапка из D3o способна принять на себя удар лопатой, оставив голову человека неповрежденной.

В деревообрабатывающей промышленности использу­ются многие производственные материалы, которые либо целиком состоят из искусственных материалов, на­пример лаки и клеи, либо искусственные материалы яв­ляются их важными компонентами, как, например, пла­стины ламината или древесностружечные плиты. Также готовые детали типа нажимной дверной ручки часто из­готавливаются из искусственных материалов (рис. 2.101).

2.11.1. Структура, обозначения, свойства искусственных материалов

Основными сырьевыми веществами для производства искусственных материалов являются нефть, газ, уголь, вода и воздух. Из них прежде всего производятся хи­мическим путем предварительные продукты, молекулы которых состоят из малого количества атомов, напри­мер, этилен (С2Н2) и формальдегид (СН20). Эти не­большие молекулы называют мономерами.

Благодаря химическому соединению тысяч мономе­ров (моно, от греч. - один) образуются большие моле­кулы, макромолекулы (макро, от греч. - большой). Мак­ромолекулы могут иметь нитевидную структуру или объединяться в пространственные структуры, что для дальнейших свойств искусственных материалов имеет Рис. 2.101. Примеры не­большое значение. Вещества, состоящие из макромо - пользования искусственных лекул, называют полимерами (поли, от греч. - много). материалов

Все искусственные материалы являются полимерами. Искусственные мате­риалы состоят, как и натуральные органические вещества, например хлопок, рог и целлюлоза , в основном из элементов углерода (С), водорода (Н) и кислорода (О). Поэтому они также относятся к органическим веществам. Однако некоторые искусственные вещества содержат в качестве важного элемента крем­ний. Такие вещества называются силиконами.

В соответствии с DIN EN ISO 1043 и DIN ISO 1629 искусственные материалы имеют условные обозначения, которые ведут свое начало от их химических на­званий. Например, поливинилхлорид обозначают как ПВХ (PVC), полиэтилен как ПЭ (РЕ) и фенолформальдегидная смола как ПФ (PF) (табл. 2.21, 2.22 и 2.23).

Так как искусственные материалы на некоторых стадиях обработки могут де­формироваться пластично, то их также можно назвать пластмассами.

Искусственные материалы - это произведенные химическим способом органические, макро - молекулярные вещества. Они состоят в основном из элементов углерода (С), водорода (Н), кислорода (О), азота (N), хлора (CI), серы (S), фтора (F) и кремния (Si).

Искусственные материалы производят в промышленных масштабах тремя спо­собами: полимеризацией, поликонденсацией и ступенчатой полимеризацией.

При полимеризации чаще всего одинаковые мономеры преобразуются в мак­ромолекулы с нитевидной или линейной структурой. Мономеры - это ненасы­щенные углеводородные соединения, например этилен (С2Н2). После разделе­ния двойной связи они могут полимезироваться в длинные молекулярные нити. Из этилена получают полиэтилен (ПЭ) (рис. 2.102).

Полиэтилен (полимер)

Рис. 2.102. Полимеризация (на примере полиэтилена)

Основными полимерами наряду с полиэтиленом (защитная пленка строитель­ных конструкций от коррозии, трубы) являются поливинилхлорид (кантовый профиль, покрытие полов, оконные переплеты) и поливинилацетат (клей ПВА).

Поликонденсацией называется химический процесс получения высокомоле­кулярных соединений из низкомолекулярных исходных веществ, например при реакции фенола (С6Н5ОН) с формальдегидом (СН20), при одновременном выде­лении побочных продуктов (веществ), например воды (Н20) (рис. 2.103).

Основными полимерами, полученными поликонденсацией, являются фенол­формальдегидная смола, резорцино-альдегидный полимер, мочевиноформаль - дегидная смола и полиамиды.

При ступенчатой полимеризации высокомолекулярные соединения, структу­ра которых нитевидная или пространственная, образуются благодаря соедине­нию различных молекул исходных веществ без выделения побочных продуктов, например при реакции диэтилового спирта (С4Н8(ОН)2) с диизоцианатом (С4Н|;(СМО)3).

Основными продуктами ступенчатой полимеризации являются полиуретано­вая смола - клеящее вещество и полиуретановая пена (рис. 2.104).

Благодаря соответствующему химическому составу и способу изготовления искусственных материалов, а также смешиванию различных искусственных ве­ществ можно достичь почти любых свойств материалов.

Типичными свойствами искусственных материалов являются:

Низкая плотность,

Регулируемые механические свойства,

Электрическая непроводимость,

Теплоизоляция,

Коррозионная и химическая стойкость,

Хорошая деформируемость и обрабатываемость,

Хорошая окрашиваемость,

Гладкие, декоративные поверхности.

Искусственные материалы имеют также свойства, которые ограничивают их применение:

В основном низкая термостойкость,

Частично воспламеняющиеся,

В основном невысокая прочность,

Частично неустойчивы против растворителей.

Высокая сопротивляемость искусственных материалов хоть и является пре­имуществом в случае их применения, но служит недостатком при их утилизации. Из-за возрастания количества применяемых продуктов из искусственных мате­риалов их утилизация стала проблемой для охраны окружающей среды.

«Искусственные материалы: пластмасса, пластик, полиэтилен».

Программное содержание:

Углублять представление детей об искусственных материалах: пластмасса, пластик, полиэтилен.

Уточнить знания детей о естественных и искусственных материалах.

Закрепить знания о свойствах и качествах пластмассы, пластика и полиэтилена.

Расширять представление детей о применении этих материалов в быту.

Воспитывать бережное отношение к природе и уважительное отношение к трудовой деятельности людей.

Материал к занятию :

Набор предметов, сделанных из пластмассы (банки для сыпучих продуктов, игрушки, пробки, ручки, ведро); из пластика (бутылки, ваза, одноразовая посуда); образцы полиэтилена, скатерть, полиэтиленовый пакет; образцы природных материалов (глина, дерево, кожа, уголь, песок).

Ход занятия .

Дети, мы с вами знаем о том, что предметы, которые нас окружают, сделаны из разных материалов. Одни из них человек нашёл в природе (это естественные, натуральные материалы). Назовите, что к ним относится? (глина, песок, дерево - их нам дают растения или люди добывают их из земли (уголь, нефть)).

(Показать образцы природных материалов).

А ещё есть материалы, которые получают на промышленных предприятиях. Они создаются руками человека или техникой, придуманной им. Эти материалы носят название, - вспомните какое? (рукотворные или искусственные).

Дети, посмотрите, у меня на столе лежат предметы (показать игрушки пластмассовые, ведро, пробки, телефон). Как вы думаете, из чего они сделаны?

Это пластмассовые предметы.

Как вы думаете, это природный или искусственный материал?

Искусственный. (Почему?)

Слово пластмасса обозначает «пластическая масса». Пластическая потому, что при сильном нагревании она превращается в массу, напоминающую пластилин, и из этой массы можно сделать любой предмет (как из пластилина). Затем пластмасса охлаждается и застывает, и получается предмет любой нужной формы.

А сейчас возьмите эти предметы в руки. Потрогайте. Что вы можете о них сказать? Они какие? (тяжёлые или лёгкие, мягкие или твёрдые, шершавые или гладкие).

А если посмотреть сквозь пластмассу? Она не прозрачная.

А если уронить предметы на пол, то они разобьются? Нет, они прочные.

Пластмасса очень практичный и дешёвый материал. Благодаря тому, что пластмасса обладает такими свойствами и качествами, как твёрдость, гладкость, лёгкий вес, прочность – люди стали широко применять предметы из пластмассы в своей жизни. Более того, без них уже невозможно представить нашу жизнь.

Назовите пластмассовые предметы, которые вам встречаются (игрушки, телефоны, часы, пуговицы, шприцы, корпус холодильника, компьютера; пластмассовые детали есть и в машинах, и на кораблях, и на самолётах).

Вот как много пластмассовых предметов, потому что они удобные в использовании и не сложные в исполнении.

Дети, на моём столе есть ещё одна группа предметов, сделанных из другого искусственного материала – он называется пластик. С предметами, сделанными из пластика, вы тоже часто встречаетесь. Вот, например, пластиковые бутылки, в которых продаётся газированная вода или соки. Они разные по размеру: большие и маленькие. Они удобны в использовании. А ещё есть пластиковая одноразовая посуда; вам она тоже, наверное, встречалась. Вот она, какая разноцветная (показать), чтобы было приятно ею пользоваться.

Потрогайте, пожалуйста, пластиковые предметы и скажите, какие они?

Лёгкие, твёрдые, гладкие, тонкие, пластик легко гнётся.

По сравнению с пластмассой, пластик более мягкий, пластичный. Менее прочный, если задеть чем-то острым или сильно загнуть, он может порваться. (Режется ножницами).

А сейчас перейдём к третьей группе предметов.

Вот, посмотрите – это пакеты, скатерть, плёнка пищевая. Они тоже встречаются нам каждый день. Сделаны они из искусственного материала, который называется (спросить, кто знает) – полиэтилен.

Возьмите образцы полиэтилена, потрогайте. Что вы можете сказать о свойствах полиэтилена?

Он мягкий, если крепко сжать в кулак – мнётся, шуршит (издаёт звук); если потянуть, то он сначала потянется, а затем порвётся. Значит, он не очень прочный. Лёгкий по весу. Может быть как прозрачный, так и не прозрачный.

Из полиэтилена делают занавески для ванной, т. к. полиэтилен не пропускает воду.

А ещё вы, наверное, видели как на даче, на огороде, мамы и бабушки делают парник (домик для растущих овощей). Там летом, благодаря полиэтилену, всегда тепло, даже жарко. Оно долго сохраняется, и посаженные овощи растут и созревают быстрее, т. к. очень любят тепло.

А теперь вы подумайте, и подскажите мне, где вы встречали полиэтилен?

Дети, представьте себе, что вы поиграли в пластмассовую игрушку, и она сломалась; попили из пластиковой бутылки, поели из одноразовой пластиковой посуды; использовали полиэтиленовые пакеты, они порвались, помялись – что вы тогда с ними делаете?

Выбрасываете. Часто люди выбрасывают это не в специальные места, а прямо на землю. Или ветер унёс лёгкий полиэтиленовый пакет из мусора, и не один! То возникает какая проблема? – Мы засоряем природу, засоряем нашу землю. У искусственных материалов пластмасса, пластик, полиэтилен есть одно отрицательное (плохое) свойство – они трудно уничтожаются. Им не страшны ни солнечные лучи, ни вода; они могут сотни лет пролежать в земле! А если каждый день это выкидывать, то сколько мусора может накопиться!

Один учёный говорил об этих искусственных материалах: « Вы можете их ломать, рубить, закапывать, но они всё равно отказываются умирать!»

А если их сжигать, то они выделяют вредный ядовитый дым, и мы загрязняем воздух.

Поэтому, если вы воспользовались чем-то пластмассовым, пластиковым, полиэтиленовым, то выбрасывать это необходимо только в специальные места для мусора. А затем машина это увезёт и на специальных заводах это переработают.

Подведение итога:

Сегодня мы с вами рассмотрели предметы, сделанные из пластмассы, пластика и полиэтилена. Это искусственные материалы, их создал человек.

Определили, какими свойствами и качествами они обладают. Вспомнили, где и как применяет человек предметы, сделанные из этих материалов в своей жизни.

А также вы теперь знаете, что использованные предметы, попадая в природу, засоряют её. Поэтому надо заботиться о природе, беречь её и правильно поступать.

Еще 10-15 лет назад никто не предполагал, что человеку удастся создать такой искусственный материал, как, например, старлит или бесформенный металл.

Это было что-то из области фантастики, такое только показывали в научных фильмах. Однако технологии и наука не стоят на месте, и появляются различные идеи и проекты.

Не совсем новый материал, но названию соответствует. По сути, это щелочной материал, который состоит из воды и имеет частицы силиката калия и натрия. Процедура создания имеет различные варианты. Его могут создавать, как и обычное твёрдое стекло, используя температуру плавления, для того чтобы расплавить песок и питьевую соду. Второй способ основывается на воздействии лития на материал с кремнезем.

Жидкое стекло обладает высокой клеящей способностью, поскольку молекулы находятся на поверхности. Они соприкасаются с другими молекулами и отдают свою влагу, при этом повышая плотность и вязкость. Изоляция у такого стекла потрясающая: оно способно выдерживать температуру 1200-1300 градусов по Цельсию.

Почему же его добавляют в цементные растворы? Все потому что в сочетании с низкой ценой стекла и его способностями цементный раствор улучшает свои качества. Также из-за стойкости к влаге такое стекло рекомендуется использовать при строительстве домов и хозяйственных помещений. Также оно применяется как изолятор в электрике, в укладке линолеума и даже в садоводстве все из-за тех же клеящих свойств.

Бесформенный металл

Данный металл позволяет сильнее бить по мячу игрокам гольфа, увеличивает дальность и мощность поражения пули, скальпели делает устойчивее к износу. Это новшество в основном используется в создании оружия и клюшек для гольфа.

Старлит

Это вид пластика, способный выдержать большую температуру. При этом тепловой порог настолько большой, что сначала создателям вообще не поверили. И только после того, как они показали его свойство на камеру, их изобретение признали. Этот материал облучали несколько раз, но он оставался невредимым. Главная особенность старлита: он никогда не становится токсичным при высокой температуре. Также он лёгкий, его можно использовать в аэрокосмических технологиях, летательных аппаратах и огнезащитных костюмах.

Обычный лист углерода, который имеет толщину одного атома и свернут в цилиндр. Хоть он и лёгкий, все же крепче стали в 100 раз. К тому же, проводит электричество не хуже, чем медь. Трубки небольшие и не видны невооруженным глазом. Имеют форму сажи в необработанном состоянии. Применяются при производстве кабеля для «лифта в космос», ведь такой лист углерода может выдержать большой вес и при этом не согнуться.

Это далеко не все искусственно созданные материалы. Каждый год учёные разных стран делают открытия в синтезе новых. Ведь наука это – «неизведанный» мир, в котором каждый раз можно найти и открыть что-то новое.

Какие материалы применяются в технике?

Ответ на такой вопрос, кажется, всем известен: металл, дерево, пластмассы... Да, действительно, эти материалы широко используются в технике. Однако они далеко не исчерпывают всего богатейшего их набора, применяемого для этих целей.
Природа подарила человеку множество материалов для его трудовой деятельности. Железо, дерево, камень, глина, такие природные полимеры, как лен, хлопок, шерсть, кожа... Они широко используются и сейчас. Но многие из них - в совершенно ином качестве. Новейшие сплавы на основе железа, например, выдерживают невиданные ранее температуры и давления, весьма устойчивы к кислотам и щелочам (агрессивным средам), очень прочны. Недаром они остаются основой машиностроения. Но для железа это еще далеко не предел. Ученые уже нащупывают пути, чтобы сделать его еще прочнее, причем в десятки и сотни раз.
Не обойтись теперь в технике и без других металлов и сплавов. Так, без сплавов на основе алюминия и титана не могли бы летать в небе самолеты и подниматься в космос ракеты. А редкоземельные элементы! Без них не сваришь высококачественной стали, не создашь полупроводникового прибора, электронной лампы и т. д.
Сплавление материалов, которые дала нам природа, лишь один из путей их использования. Есть и другой путь - соединение механическое. Вспомним всем известный железобетон. В нем соединены совершенно разнородные вещества - бетон и сталь. И тем не менее этот "союз" оказался настолько прочным, что из железобетона создают самые долгоживущие сооружения - мосты, плотины, здания. Из него теперь делают даже плавучие причалы, корпуса судов, станины станков.
А вот другой подобный материал - металлокерамика. Здесь сочетание свойств металла и очень твердой жароустойчивой керамики дало прямо-таки удивительные результаты. Достаточно сказать, что некоторые виды металлокерамики выдерживают температуру в несколько тысяч градусов, - когда любая сталь превращается в жидкость.
Ну и, конечно, всем знакомы автомобильные шины, в которых сочетаются каучук с капроном. Они очень прочны, выдерживают сотни тысяч километров дорог.
И еще один путь улучшения традиционных материалов - их обработка при помощи различных физико-химических способов. Мы уже говорили: ученые нащупывают пути, чтобы сделать железо прочнее. Дело в том, что они обнаружили особенности в строении его кристаллической решетки, влияющие на прочность металла. Если эти "нарушения" (дислокации, как их назвали) подправить - сделать кристаллическую структуру более правильной, прочность железа возрастет в сотни раз. Уже выращены в лаборатории кристаллы ("усы") железа, в которых дислокаций почти нет. Это пока только начало большого, очень трудного пути по улучшению многих материалов.
А вот если вещество очистить от всех посторонних примесей - сделать его сверхчистым, оно приобретает новые свойства. Сверхчистые германий и кремний, например, становятся полупроводниками. Причем в зависимости от количества примесей (а они в этих случаях измеряются буквально считанными атомами) их свойства резко меняются. Так, удалось, вводя в кристалл полупроводника нужные атомы, сделать из него сложный электронный прибор со своими диодами, триодами, сопротивлениями. И все это в одном маленьком кристалле!
Сверхвысокие и сверхнизкие давления и температуры тоже резко меняют свойства материалов. Обычное стекло при подобной обработке превращается в ситалл - материал, способный состязаться со сталью по прочности, не боящийся ни ударов, ни больших нагрузок. А из песка после соответствующей его обработки получают силикальцит - строительный материал, не уступающий по своим качествам бетону.
Способов переработки и использования старых, традиционных материалов открыто немало. Но все же на современном уровне развития техники этого оказалось недостаточно. Для специальных целей понадобились совсем новые материалы, с невиданными в природе (свойствами. И они созданы искусственно, их дала химия.
Мы уже говорили (см. ст. "Техника идет вперед") о ее роли в создании синтетических материалов. Их в наши дни появилось множество новых, с заранее заданными свойствами: прочных, эластичных, стойких к кислотам, способных выдерживать высокие и низкие температуры, не боящихся влаги и огня, легко обрабатываемых, дешевых...
Во время прошлой войны говорили: "Нейлон создал тяжелые бомбардировщики". И действительно, не будь изобретены шины с синтетической основой (кордом), нить которой подчас надежнее стальной проволоки, не смогли бы взлетать и садиться на бетонированные дорожки аэродромов огромные самолеты, мчаться по асфальту большие грузовые автомобили.
И это только один пример того, что дает синтетика для развития техники. Таких примеров бесчисленное множество - синтетические технические ткани, детали машин, полупроводники, приводные ремни, канаты, сети, фильтры... всего и не перечислить. А ведь синтетика только-только начинается, ей по существу всего каких-нибудь три десятка лет.
Как видим, арсенал материалов современной техники поистине неисчерпаем. Столь же разнообразны и методы их получения. И все это ведет к одному - к необычайно быстрому развитию техники.

Е.В. Дубровский
В.А. Мезенцев

Размещение фотографий и цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.