Як правильно тягнути гуму, або Історія створення синтетичного каучуку

Каучук отримав свою назву від індіанського слова «каучу», що означає буквально «сльози дерева». Майя і ацтеки добували його з соку бразильської гевеї (Hevea brasiliensis або гумового дерева), схожого на білий сік кульбаби, який темнів і твердне на повітрі. З соку вони випарювали липке темне смолообразниє речовина «каучу», виготовляючи з нього примітивну промокне в непогоду взуття, тканини, судини, дитячі іграшки. Також у індіанців існувала нагадує баскетбол командна гра, в якій застосовувалися спеціальні каучукові м'ячі, що відрізняються дивовижною стрибучістю. За часів Великих географічних відкриттів Колумб привіз до Іспанії серед інших чудасій Південної Америки кілька таких м'ячів. Вони полюбилися іспанцям, які, змінивши правила індіанських змагань, винайшли щось, що стало прообразом нинішнього футболу.
Наступна згадка про каучуку з'явилося лише в 1735-му році, коли французький мандрівник і натураліст Шарль Кондамин, досліджуючи басейн Амазонки, відкрив для європейців дерево гевею і його молочний сік. Виявлене членами експедиції дерево виділяла дивну, швидко твердне смолу, якою мислителі з Паризької академії наук пізніше дали назву «гума». Після того, як в 1738-му Кондамин привіз на континент зразки каучуку і різні вироби з нього разом з докладним описом способів видобутку, в Європі почалися пошуки способів застосування цього речовина. Французи сплітали гумові нитки з бавовною і використовували як підв'язки і підтяжки. Потомствений англійський швець Самуель Пив в 1791-му році отримав патент на виготовлення тканин, просочених розчином каучуку в скипидарі, створивши фірму Peal & Co. В цей же час виникли перші експерименти по захисту взуття чохлами з такої тканини. У 1823-му році якийсь Чарлз Макінтош з Шотландії придумав перший непромокальний плащ, додаючи між двома шарами тканини тонкий шматок гуми. Плащі швидко стали популярними, отримали назву на честь творця і поклали початок справжньому «гумовому буму». А незабаром в Америці в сиру погоду стали надягати поверх черевиків незграбну індіанську взуття з гуми - калоші. Макінтош до самої смерті продовжував змішувати каучук з різними речовинами на кшталт сажі, масел, сірки в спробах змінити його властивості. Але його експерименти до успіху не привели.

З прогумованої тканини робили одяг, головні убори, даху фургонів і будинків. Однак у подібних виробів був один недолік - вузький температурний діапазон еластичності каучуку. У холодну погоду така тканина тверділа і могла потріскатися, а в теплу, навпаки, розм'якшуючись, перетворювалася на смердючу липку масу. І якщо одяг можна було прибрати в прохолодне місце, то власникам дахів з прогумованої тканини доводилося миритися з неприємними запахами. Таким чином, захоплення новим матеріалом швидко минуло. А спекотні літні дні приносили розорення компаніям, яка налагодила виробництво гуми, оскільки вся їхня продукція перетворювалася в ганебні киселі. І світ знову на кілька років забув про каучук і все пов'язане з ним.
Пережити друге народження гумовим виробам допоміг випадок. Що жив в Америці Чарльз Нельсон Гудьир завжди вірив, що каучук здатний перетворитися в хороший матеріал. Він виношував цю ідею багато років, наполегливо змішуючи його з усім, що потрапляло під руку: з піском, з сіллю, навіть з перцем. У 1939-му році, витративши всі свої заощадження і заборгувавши понад 35 тисяч доларів, він домігся успіху.

Сучасники насміхалися над дивакуватим дослідником: «Якщо ви зустрінете людину в гумових черевиках, гумовому пальто, гумовому циліндрі і гаманцем з гуми, в якому не буде жодного цента, то будьте впевнені - перед вами Гудьир».

Ходить легенда, що відкритий ним хімічний процес, який отримав назву вулканізації, з'явився завдяки забутого на грубці шматку плаща макінтоша. Так чи інакше, але саме атоми сірки об'єднали молекулярні ланцюги натурального каучуку, перетворивши його в тепло- і морозостійкий, еластичний матеріал. Саме його і прийнято сьогодні називати гумою. Історія цього наполегливої ​​людини має щасливий кінець, він продав патент на винахід і оплатив усі свої борги.
Ще за життя Гудьира почався бурхливий виробництво каучуку. США відразу захопили лідерство з виробництва калош, які продавали по всьому світу, включаючи і Росію. Коштували вони дорого, і дозволити їх купити могли тільки багаті люди. Найцікавіше, що калоші застосовували не для збереження від промокання основний взуття, а як домашні тапочки для гостей, щоб вони не забруднили килими і паркет. У Росії перше підприємство, яке виготовляє гумові вироби, відкрилося в Санкт-Петербурзі в 1860-му році. Німецький ділок Фердинанд Краузкопф, вже мав завод з виробництва калош в Гамбурзі, оцінив перспективи нового ринку, знайшов інвесторів і створив «Товариство Російсько-американської мануфактури».

Мало хто знає, що фінська компанія «Nokia», крім іншого, з 1923-ий по 1988-ий рік спеціалізувалася на випуску гумових чобіт і калош. Власне в роки криз це і допомогло втриматися компанії на плаву. Всесвітньо відомій ж «Nokia» стала завдяки своїм стільниковим телефонам.

У другій половині 19-го століття Бразилія переживала пік свого розквіту, будучи монополістом з вирощування гевеї. Манаус, колишній центром каучуконосних районів, став найбагатшим містом на західній півкулі. Чого тільки вартий приголомшливий оперний театр, побудований в прихованому джунглями місті. Його створювали кращі архітектори Франції, а будматеріали для нього везли з самої Європи. Бразилія ретельно охороняла джерело своєї розкоші. За спробу вивезення насіння гевеї покладалася страта. Однак в 1876-му році англієць Генрі Уікхем таємно вивіз до трюмах корабля «Амазонас» сімдесят тисяч насіння гевеї. Вони послужили основою перших плантацій каучуконосов, закладених в колоніях Англії в Південно-Східній Азії. Так на світовому ринку виник дешевий натуральний британський каучук.
Незабаром різноманітні гумові вироби завоювали весь світ. З каучуку виготовлялися транспортерні стрічки конвеєрів, всілякі приводні ремені, взуття, гнучка електроізоляція, білизняні гумки, дитячі повітряні кулі, амортизатори, ущільнювальні прокладки, шланги і багато-багато іншого. Іншого схожого на каучук продукту просто не існує. Він володіє ізоляційними властивостями, водонепроникний, гнучкий, може розтягуватися і стискатися. При цьому міцний, міцний, легко обробляється і стійкий до стирання. Спадщина індіанців виявилося куди більш цінним, ніж все золото знаменитого Ельдорадо. Без гуми неможливо уявити всю нашу технічну цивілізацію.
Основне застосування новий матеріал отримав з відкриттям і поширенням спочатку гумових екіпажних, а потім вже автомобільних шин. Незважаючи на те, що екіпажі з шинами з металу були дуже незручні і видавали страшенний галас і тряску, новий винахід було зустрінуте неохоче. В Америці навіть заборонили екіпажі на масивних суцільнолитих шинах, оскільки вони славилися дуже небезпечними через неможливість шумом попередити перехожих про близькість транспортного засобу.

У Росії подібні кінні екіпажі теж викликали невдоволення. Основна проблема полягала в тому, що вони часто обливали брудом не встигли відскочити пішоходів. Московським властям довелося випустити спеціальний закон про оснащення екіпажів з гумовими шинами особливими номерними знаками. Це робилося для того, щоб городяни могли помітити і залучити своїх кривдників до відповідальності.

Виробництво каучуку виросло в багато разів, але потреба в ньому продовжувала зростати. Близько ста років вчені люди по всьому світу шукали спосіб навчитися виготовляти його хімічним шляхом. Поступово виявилося, що натуральний каучук являє собою змішання кількох речовин, але 90 відсотків його маси являє собою вуглеводень поліізопрен. Подібні речовини відносяться до групи полімерів - високомолекулярних продуктів, що утворюються з'єднанням дуже багатьох, однакових молекул набагато більш простих речовин, що називаються мономерами. У разі каучуку - це були молекули ізопрену. При сприятливих умовах молекули-мономери з'єднувалися між собою в довгі, гнучкі ниточки-ланцюга. Подібна реакція виникнення полімеру отримала назву полімеризації. Решта десять відсотків в каучуку склали смоловидна мінеральні та білкові речовини. Без них поліізопрен ставав дуже нестійким, втрачаючи на повітрі свої цінні властивості еластичності і міцності. Таким чином, щоб навчитися отримувати штучний каучук, вченим було необхідно вирішити три речі: синтезувати ізопрен, полимеризовать його і захистити від розкладання отриманий каучук. Кожна з цих завдань виявилася надзвичайно складна. У 1860-му році англійський хімік Вільямс отримав изопрен з каучуку, який представляв собою безбарвну рідину зі специфічним запахом. У 1879-му році француз Густав Бушарда, нагрів изопрен і за допомогою соляної кислоти зміг здійснити зворотну реакцію - отримати каучук. У 1884-му році британський учений Тилден виділив изопрен, розклавши скипидар в ході нагрівання. Незважаючи на те, що кожен з цих людей вніс свій внесок у вивчення каучуку, таємниця його виготовлення залишилася нерозгаданою в XIX-му столітті, тому що всі виявлені способи були непридатні для промислового виготовлення внаслідок малого виходу ізопрену, дорожнечі сировини, складності технічних процесів і ряду інших факторів.
На початку двадцятого століття дослідники задумалися, а чи дійсно изопрен потрібен для виготовлення каучуку? Чи існує спосіб отримати з інших вуглеводнів необхідну макромолекулу? У 1901-му році російський вчений Кондаков виявив, що діметілбутадіен, залишений на рік в темряві, перетворюється в каучукоподобное речовина. Цей спосіб пізніше використовувала під час Першої світової війни Німеччина, відрізана від всіх джерел. Синтетичний каучук виходив дуже поганої якості, процес виготовлення був дуже складний, а ціна непомірно висока. Після війни подібний метил-каучук ніде і ніколи більше не проводився. У 1914-му році вчені-дослідники Метьюс і Стрендж з Англії отримали дуже непоганий каучук з дивинила використовуючи металевий натрій. Але далі дослідів в лабораторії їх відкриття не пішла, бо не було зрозуміло, як в свою чергу виробляти дивинил. Також вони не зуміли створити установку для синтезу в заводських умовах.

Через п'ятнадцять років відповідь на обидва ці питання знайшов наш співвітчизник Сергій Лебедєв. До світової війни російські фабрики виробляли з привізного каучуку близько дванадцяти тисяч тонн гуми в рік. Після того як закінчилася революція потреби нової влади, яка проводить індустріалізацію промисловості, у каучуку багаторазово зросли. Один танк вимагав 800 кілограм гуми, автомобіль - 160 кілограм, літак - 600 кілограм, корабель - 68 тонн. Щороку покупки каучуку за кордоном все зростали і зростали, незважаючи на те, що в 1924-му році його ціна досягала двох з половиною тисяч золотих рублів за одну тонну. Керівництво країни було стурбоване не так необхідністю платити такі величезні гроші, скільки залежністю, в яку ставили Радянська держава постачальники. На вищому рівні було прийнято рішення розробити промисловий спосіб виготовлення синтетичного каучуку. Для цього наприкінці 1925-го року ВРНГ запропонувало конкурс на найкращий спосіб його отримання. Конкурс був міжнародним, проте згідно з умовами каучук мав виготовлятися з продуктів, що добуваються в Радянському Союзі, а ціна на нього не повинна була перевищувати середньосвітовий за останні п'ять років. Підсумки конкурсу підбивалися 1 січня 1928 го року в Москві за результатами аналізу наданих зразків вагою не менше двох кілограм.

Сергій Васильович Лебедєв з'явився на світ 25 липня 1874 го року в родині священика в Любліні. Коли хлопчикові виповнилося сім років, його батько помер, а мати була змушена перебратися з дітьми до батьків до Варшави. Навчаючись у Варшавській гімназії, Сергій подружився з сином знаменитого російського вченого-хіміка Вагнера. Часто буваючи в їхньому будинку, Сергій слухав захоплюючі розповіді професора про своїх колег-друзів Менделєєва, Бутлерова, Меншуткин, а також про таємничу науку, що займається перетворенням речовин. У 1895-му році, успішно закінчивши гімназію, Сергій вступив на фізико-математичний факультет Петербурзького університету. Весь вільний час молодий юнак проводив в будинку Марії Остроумовой, що була сестрою його матері. У неї було шестеро дітей, але особливо Сергія цікавила кузина Ганна. Вона була багатообіцяючою художником, вчилася у Іллі Рєпіна. Коли молоді люди зрозуміли, що їхні почуття далекі від родинних, то вирішили побратися. У 1899-му році Лебедєв був арештований за участь у студентських заворушеннях і висланий на рік зі столиці. Однак це не завадило йому в 1900-му блискуче закінчити університет. Під час російсько-японської війни Сергій Васильович був покликаний в армію, а повернувшись в 1906-му, цілком присвятив себе дослідженням. Він цілі дні жив в лабораторії, спорудивши собі ложе з зберігаються на випадок пожежі ковдр. Анна Петрівна Остроумова кілька разів виявляла Сергія в лікарні, який лікується від опіків, отриманих в результаті небезпечних експериментів, які хімік проводив завжди сам. Уже в кінці 1909 го року він, працюючи практично один, зумів досягти вражаючих результатів, продемонструвавши колегам каучукоподібний полімер дивинила.

Сергій Васильович Лебедєв прекрасно уявляв собі всі труднощі виробництва синтетичного каучуку, проте вирішив взяти участь в конкурсі. Час був важкий, Лебедєв очолював в Ленінградському університеті кафедру загальної хімії, тому працювати доводилося вечорами, вихідні дні і зовсім безоплатно. На щастя кілька студентів вирішили допомогти йому. Щоб встигнути до терміну, всі працювали з великим напруженням. Складні експерименти проводили в найгірших умовах. Учасники цього підприємства пізніше згадували, що абсолютно нічого не вистачало і доводилося робити або знаходити самостійно. Наприклад, лід для охолодження хімічних процесів все разом кололи на Неві. Лебедєв крім своєї спеціальності освоїв професії склодува, слюсаря і електромонтера. І все-таки справа рухалася. Завдяки попереднім багаторічним дослідженням Сергій Васильович відразу відмовився від експериментів з ізопрену і зупинився на дівініле в якості вихідного продукту. Як легкодоступного сировини для виробництва дивинила Лебедєв спробував нафту, але потім все ж зупинився на спирті. Спирт виявився реальним початковим сировиною. Основна проблема реакції розкладання етилового спирту на дивинил, водень і воду полягала у відсутності відповідного каталізатора. Сергій Васильович припустив, що їм може бути одна з природних глин. У 1927-му році, проводячи відпустку на Кавказі, він постійно шукав і вивчав зразки глин. Потрібну він відшукав на Коктебелі. Реакція в присутності знайденої їм глини дала відмінний результат, і наприкінці 1927-го року був отриманий дивинил зі спирту.

Дружина великого хіміка Анна Лебедєва згадувала: «Іноді він, відпочиваючи, лежав на спині із закритими очима. Здавалося, Сергій Васильович спить, і тут він діставав записну книжку і починав писати хімічні формули. Багато разів, сидячи в концерті, і будучи схвильованим музикою він поспішно діставав свій блокнот або навіть афішу і починав щось записувати, а потім прибирав все в кишеню. Те ж саме могло статися і на виставках ».

Полімеризацію дивинила Лебедєв проводив за способом британських дослідників з присутністю металевого натрію. На кінцевому етапі отриманий каучук змішували з магнезією, каоліном, сажею і деякими іншими компонентами для запобігання від розпаду. Оскільки готовий продукт виходив в мізерних кількостях - пара грамів на добу - роботи йшли майже до останніх днів конкурсу. В кінці грудня синтез двох кілограмів каучуку було закінчено, і його відправили до столиці.

Анна Петрівна писала в своїх мемуарах: «В останній день в лабораторії панувало пожвавлення. Присутні були радісні і задоволені. Зазвичай Сергій Васильович був мовчазний і стриманий. Злегка посміхаючись, він дивився на нас, і все говорило про те, що він задоволений. Каучук виглядав як велика пряник, схожа кольором на мед. Запах був різкий і досить неприємний. Після того, як опис способу виготовлення каучуку було закінчено, його упакували в ящик і повезли в Москву ».

Журі закінчіло вівчаті надіслані зразки в лютому 1 928 го року. Їх виявило зовсім Небагато. Результати робіт вчених з Франції і Італії, але основна боротьба розгорнулася між Сергієм Лебедєвим і Борисом Бизов, який отримав дивинил з нафти. У разом каучук Лебедєва був визнаний найкращим. Отримання дивинила з нафтової сировини було важче реалізувати в промислових масштабах в той час.

Подія мала величезне значення для радянської промисловості, дозволивши зменшити споживання натуральних каучуків. Також синтетичний продукт мав новими властивостями, наприклад, стійкістю до бензину і мастил. Сергію Васильовичу було доручено продовжити дослідження і виготовити промисловий спосіб виробництва каучуку. Знову почалася важка робота. Однак тепер можливостей у Лебедєва було хоч відбавляй. Розуміючи всю важливість робіт, уряд дав усе необхідне. У Ленінградському університеті створили лабораторію синтетичного каучуку. За рік в ній була побудована експериментальна установка, яка виробляла по два-три кілограми каучуку в добу. У наприкінці 1929-го року технологія заводського процесу було закінчено, а в лютому 1930-го в Ленінграді почалося будівництво першого заводу. Заводська лабораторія, обладнана за розпорядженням Лебедєва, була справжнім науковим центром синтетичного каучуку і одночасно однією з кращих хімлабораторій того часу. Тут прославився хімік пізніше сформулював правила, що дозволяли його послідовникам правильно визначати речовини для синтезу. Крім цього, Лебедєв мав право підбирати собі будь-яких фахівців. За який виникав питань він звертатися особисто до Кірова. Споруда дослідного заводу було завершено в січні 1931 го року, а в лютому вже були отримані перші дешеві 250 кілограм синтетичного каучуку. В цьому ж році Лебедєва нагородили орденом Леніна і обрали в Академію наук. Незабаром було закладено будівництво ще трьох заводів-гігантів за єдиним проектом - в Єфремова, Ярославлі та Воронежі. А перед війною з'явився завод і в Казані. Потужність кожного з них становила десять тисяч тонн каучуку в рік. Їх будували біля місць, де проводився спирт. Сировиною для спирту спочатку служили харчові продукти, в основному картопля. На одну тонну спирту потрібно дванадцять тонн картоплі, а для виготовлення шини для автомобіля в той час йшло близько п'ятисот кілограмів картоплі. Заводи оголосили комсомольськими будівництвами і споруджували з приголомшливою швидкістю. У 1932-му перший каучук дав Ярославський завод. Спочатку в виробничих умовах синтез дивинила проходив з працею. Була потрібна налагодження устаткування, тому Лебедєв разом зі своїми співробітниками відправився спочатку в Ярославль, а потім до Воронежа і Єфремов. Навесні 1934 року року в Єфремова Лебедєв підхопив висипний тиф. Він помер незабаром після повернення додому на шестидесятих році життя. Його тіло було поховано в Олександро-Невській лаврі.
Однак справа, якій він дав таку значущу основу, розвивалося. У 1934-му році Радянський Союз випустив одинадцять тисяч тонн штучного каучуку, в 1935-му - двадцять п'ять тисяч, а в 1936-му - сорок тисяч. Складна наукова і технічна задача була успішно вирішена. Можливість обладнати автотехніку шинами вітчизняного виробництва зіграла важливу роль в перемозі над фашизмом.
На другому місці з виробництва синтетичних каучуків в той час були німці, які активно готувалися до війни. Їх виробництво було налагоджено на заводі в місті Шкопау, який СРСР після перемоги за умовами репарацій вивіз до Воронежа. Третім виробником сталі Сполучені Штати Америки після втрати на початку 1942-го року ринків природних каучуків. Японці захопили Індокитай, Нідерландську Індію і Малайю, де видобувалося понад 90 відсотків натурального продукту. Після вступу Америки в Другу Світову продаж їм була припинена, у відповідь уряд США менш ніж за три роки побудувала 51 завод.
Наука також не стояла на місці. Удосконалювалися способи виготовлення і сировинна база. Синтетичні каучуки по застосуванню розділилися на загальні і спеціальні зі специфічними властивостями. З'явилися спеціальні групи штучних каучуків на кшталт латексів, отверждающихся олігомерів, пластіфікаторних сумішей. До кінця минулого століття світове виробництво цієї продукції досягло дванадцяти мільйонів тонн на рік, виробленої в двадцяти дев'яти країнах. Аж до 1990-го року наша країна утримувала перше місце за обсягами виробництва синтетичного каучуку. Половина вироблених в СРСР штучних каучуків йшла на експорт. Однак після розвалу Радянського Союзу ситуація змінилася докорінно. З лідируючих позицій наша країна потрапила спочатку до числа відстаючих, а потім опустилася до категорії тих, що наздоганяють. В останні роки спостерігається поліпшення ситуації в цій галузі промисловості. Частка Росії на світовому ринку виробництва синтетичного каучуку сьогодні становить дев'ять відсотків.