Трудно сказать, где и когда наши далекие предки впервые стали заниматься химией. Вначале человек использовал естественные химические изменения биологических объектов, например брожение и гниение. Позднее он подчинил себе огонь и процесс горения и стал применять химические процессы спекания и сплавления в гончарном и стекольном производстве, при выплавке металлов.

Археологические находки в Южной Турции, где было обнаружено много изделий из меди и свинца, остатки плавильных печей, многоцветные настенные росписи, позволяют считать, что люди обладали определенными химическими знаниями уже около 10 тысяч лет назад. Полагают, что примерно 5-6 тысяч лет назад в древнейших очагах цивилизации - Китае, Египте, Индии и Месопотамии - уже получали из руд металлы, готовили краски, обжигали глиняные сосуды, использовали травы для лечения ран и болезней. [2, с. 54].

Состав древнеегипетского стекла, имеющего возраст около 6 тыс. лет, существенно не отличается от современного бутылочного стекла. Уже за 3 тысячи лет до н.э. в Египте выплавляли в больших количествах медь, используя уголь в качестве восстановителя. В эти же времена в Месопотамии существовало развитое производство железа, меди, серебра и свинца. Освоение химических процессов производства меди и бронзы, а затем и железа являлось ступенями эволюции не только химии и металлургии, но и цивилизации в целом, изменяло условия жизни людей, влияло на их поведение.

Возникновению химии, как и других естественных наук, способствовали, прежде всего, потребности практики. Люди постоянно накапливали сведения о различных химических процессах и широко их применяли. Разработку и использование различных методов, приемов и рецептов в практических целях можно назвать «практической химией». [5, с. 80].

Одновременно возникали и теоретические обобщения. В 12 веке до н.э. в древнем Китае была сформулирована система «основных элементов»: вода, огонь, дерево, золото и земля. В Месопотамии родилась идея рядов пар противоположностей: мужское и женское, тепло и холод, влага и сухость. Было осознано единство явлений макрокосмоса и микрокосмоса.

Атомистическое учение древнегреческих философов Левкиппа (5 в. до н.э.) и Демокрита (ок. 470 или 460 до н.э. - ум. в глубокой старости) является, по существу, аналоговой семантической моделью строения вещества, имеющей глубокий комбинаторный смысл: комбинации по определенным правилам небольшого числа неделимых элементов - атомов и букв - в соединения - «молекулы» и слова - создают информационное богатство и разнообразие - вещества и языки.

В 4 веке до н.э. древнегреческий философ и естествоиспытатель Аристотель (383-322 до н.э.) создал химическую систему, основанную на принципах: сухость - влажность и холод - тепло. С помощью их попарных комбинаций в «первичной материи» он выводил 4 основных элемента: земля, воздух, вода и огонь. Огонь сухой и горячий, воздух теплый и влажный, вода влажная и холодная, земля холодная и сухая. [10, 200]

После Аристотеля лидерство в химическом знании постепенно перешло из Афин в Александрию - международный торговый и культурный центр Востока, который был основан в 331-332 годах до н.э. Александром Македонским (365-323 до н.э.). Здесь существовала Академия наук, Александрийский мусейон, где искусству химии было отведено особое здание, храм Сераписа - храм жизни, смерти и исцеления. [37, 356]

В 4-5 веках н.э. химическое знание проникает в Малую Азию. В Сирии возникают философские школы, проповедовавшие греческую натурфилософию и передававшие химические знания арабам. Арабские исследователи химических веществ начали использовать вместо названия «химия» иное - «алхимия».

Идея «златоделия» возникла в 3-4 веках в Египте, а затем перекочевала на Аравийский полуостров. Здесь она оформилась как алхимия - философское и культурное течение, соединяющее мистику и магию с ремеслом и искусством. Алхимики несколько веков упорно искали способ превращения неблагородных металлов - железа, свинца, меди - в благородные - золото и серебро - с помощью особого вещества - «философского камня». [12, 80]

В то же время алхимия внесла значительный вклад в лабораторное мастерство и технику получения многих чистых веществ. Алхимики ввели в обиход разнообразную лабораторную посуду: колбы, реторты, воронки. Они использовали для своих опытов водяную и песчаную бани, жаровни и печи, фильтры и многое другое. Алхимики подробно описали свойства известных к тому времени веществ и открыли много новых: серную, азотную и соляную кислоты, едкие щелочи, различные соли.

С 12 века арабская алхимия начала терять практическую направленность, а с этим и лидерство. К этому времени алхимия проникла через Испанию и Сицилию в Европу. Она оказала заметное влияние не только на естествознание, но и на формирование западноевропейской культуры. Соединение реализма с мистикой, познания с созиданием, культ золота берут свои истоки в алхимии. [4, 76]

Потребности металлургии и медицины привели к развитию практической европейской алхимии. Основываясь на алхимических традициях, немецкий врач, металлург и минералог Георгиус Агрикола (1494-1555) - автор «12 книг о металлах» - сумел создать пробирное искусство - методы количественного определения содержания металлов в рудах и материалах. В то же время он одним из первых подверг критике как цели алхимиков, так и способы ведения ими химических операций.

Еще одним реформатором алхимии выступил немецкий врач и естествоиспытатель Теофраст Парацельс (1493-1541). Он фактически основал фармакологическую отрасль химии - ятрохимию, которая рассматривала процессы, происходящие в организме, как химические явления, а болезни - как результат нарушения химического равновесия. Исходя из этого, велся поиск химических средств, необходимых для лечения больных. Парацельс видел основную цель в приготовлении лекарств, а не в поиске «философского камня».

По мере накопления сведений о реальных химических превращениях веществ возрастало и негативное отношение к алхимическим «ухищрениям». Однако алхимия не спешила сдавать свои позиции. Даже такие знаменитые естествоиспытатели как Исаак Ньютон (1643-1727) и Роберт Бойль не избежали алхимических увлечений, немало времени посвятив поискам «философского камня». [11, 29]

Химия как наука возникла в 16-17 веках. В это время в Западной Европе прошла череда тесно связанных революций. Религиозная революция - Реформация - дала новое толкование богоугодности земных дел. Научная революция создала новую, механистическую картину мира, включающую понятия гелиоцентризма, бесконечности, подчиненности естественным законам, их математическое описание. В ходе промышленной революции возникла фабрика - система машин с использованием энергии ископаемого топлива. Социальная революция разрушила феодальное общество и привела к становлению буржуазного общества.

Физика Галилео Галилея (1564-1642) и Исаака Ньютона базировалась на механицизме и абстрагировалась от особенностей индивидуального объекта. Химия же не могла выразить свой предмет чисто количественно и оставалась мостом между миром количества и миром качества. Тем не менее, она развивалась в рамках, определенных ньютоновской картиной мира. [37, 127]

Основы рационализма и экспериментального метода в химии заложил Роберт Бойль. В своем труде «Химик-скептик» он развил представления о химических атомах - корпускулах. Различия в их форме и массе объясняют качества индивидуальных веществ. Атомистические представления в химии подкреплялись идеологической ролью атомизма в европейской культуре: человек-атом стал моделью человека, положенной в основу новой социальной философии.

Металлургическая химия, имевшая дело с реакциями горения и прокаливания металлов, привлекла внимание к образующимся при этом газам. На границе 16 и 17 веков появилась первая научная химическая теория - теория флогистона, то есть вещества горючести, удаляющегося с помощью воздуха из веществ во время их горения. Она освободила химию от продержавшейся 2 тысячи лет системы Аристотеля, однако позднее и сама была опровергнута. Особая заслуга в этом опровержении принадлежит Михаилу Васильевичу Ломоносову, который на основании опытов по обжигу открыл закон сохранения массы в химических реакциях и смог дать правильное объяснение процессам горения и окисления веществ как взаимодействия его с частицами воздуха. Последующие открытия диоксида углерода, кислорода и водорода дали возможность французскому химику Антуану Лорану Лавуазье (1743-1794) создать основы кислородной теории горения и окисления, окончательно похоронив теорию флогистона. [33, 102]

Совершенствование химико-аналитических методов позволило обнаружить большое число новых химических элементов. Первым датированным открытием неметалла стало получение белого фосфора в 1669 году, первым открытием металла - выделение кобальта в 1735 году. До конца 18 века список химических элементов пополнило еще полтора десятка названий, в том числе никель, фтор, хлор. Были открыты многие важнейшие неорганические соединения: сероводород, оксиды азота, некоторые соли. Из природных продуктов удалось выделить несколько десятков органических соединений.

К началу 19 века в химии, наконец, стали использоваться количественные характеристики. Появилось понимание того, что химические элементы соединяются в определенных отношениях. Были сформулированы законы постоянства состава веществ и объемных отношений в химических реакциях.

В первые годы 19 столетия английский химик и физик Джон Дальтон (1766-1844) сформулировал основные принципы химической атомистики. Он убедил современников в существовании атомов и ввел понятие атомного веса. Дальтон возвратил к жизни понятие элемента, но уже в совсем новом смысле - как совокупности атомов одного вида. [7, 50]

Дальнейшее развитие атомно-молекулярного учения теперь базировалось на понятии атомного веса. Эта теория постепенно овладела умами всех химиков. Первый в истории Международный химический конгресс, проходивший в Германии в 1860 году, был посвящен именно проблемам атомно-молекулярной теории.

В 19 века произошло разделение химии на неорганическую, органическую, аналитическую и физическую.

Главным достижением неорганической химии стало открытие большого числа химических элементов и их соединений. За эти сто лет было выделено 50 элементов - более половины существующих на Земле. К концу 60-х годов было известно 63 элемента, причем свойства многих из них были изучены достаточно полно. Это обстоятельство стало одной из предпосылок открытия Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодического закона и разработки им периодической системы химических элементов. Он впервые связал количественную меру - атомную массу - с качеством - химическими свойствами, вскрыл понятие «химический элемент», дал химикам теорию большой предсказательной силы. Периодический закон определил место химии в системе наук, разрешив конфликт между химической реальностью и принципами механицизма. [15, 78]

В аналитической химии качественные и количественные методы стали приводиться в определенную систему. Появилась схема анализа катионов металлов. Были созданы новые методы количественного анализа растворов, газов, различных органических соединений. В конце 19 века сложилась теория аналитической химии, в основу которой было положено учение о химическом равновесии в растворах с участием ионов.

Изучение многочисленных веществ животного и растительного происхождения показало, что они состоят из ограниченного числа одних и тех же элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и некоторых других. Развитие органической химии тормозили представления о том, что искусственно могут быть получены только неорганические соединения, тогда как органические создаются в животных и растительных организмах под действием «жизненной силы». Искусственное получение органического вещества мочевины из неорганической соли опровергло это утверждение и положило начало синтезу различных органических соединений. Огромное количество синтезированных и обнаруженных в природных объектах органических веществ потребовало теоретических обобщений. Была разработана классификация органических соединений и теория их химического строения, одним из основоположников которой стал русский химик Александр Михайлович Бутлеров. [13, 41]

В 19 веке началось формирование физической химии. Она складывалась в ходе становления и развития отдельных дисциплин, в первую очередь, электрохимии, термохимии и фотохимии. Постепенно условия протекания и особенности механизмов химических реакций стали получать теоретическое обоснование. Многочисленные законы, открытые в различных физико-химических исследованиях, дали начало развитию современной химии.

Особенности развития химии в 20 веке во многом обусловлены достижениями физики в конце 19 века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В 20 веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.

Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине 20 века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей «производительной силой». Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических. [21, 122]

Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.

В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.

Проникнув в механизмы химических реакций и особенности строения химических соединений, исследователи вплотную подошли к решению проблемы целенаправленного получения химических веществ и материалов, имеющих те или иные полезные свойства. [1, 40].

На основе изложенного выше материала об истории возникновения и развития технологии изготовления пластмасс можно сформулировать вывод о том, что данный вид промышленного производства обладает богатой историей, элементы которой после дидактической переработки могут быть включены в содержание технологического образования школьников.

1.2 Химические свойства пластмасс

С точки зрения химического поведения полимер похож на мономер (или мономеры), из которого (или которых) он получен. Углеводороды этилен H2C=CH2, пропилен H2C=CH-CH3 и стирол H2C=CH-C6H5 претерпевают присоединительную полимеризацию, образуя полиэтилен, полипропилен и полистирол со следующими структурами. Эти полимеры ведут себя как углеводороды. Они, например, растворимы в углеводородах, не смачиваются водой, не реагируют с кислотами и основаниями, горят, подобно углеводородам, могут хлорироваться, бромироваться и - в случае полистирола - нитроваться и сульфироваться. [25, c. 75].

Виниловый спирт CH₂=CHOH полимеризуется в поливиниловый спирт, проявляющий свойства спирта: он растворим в воде, не смачивается маслами, устойчив к действию кислот и щелочей, подвергается этерификации, с альдегидами и - оксидами реагирует подобно другим спиртам.

Полиэфиры, например, состава растворимы в некоторых высококипящих растворителях. Они не набухают в воде, но постепенно гидролизуются и разрушаются кислотами и щелочами, особенно при повышенных температурах. Эти реакции и свойства характерны для всех эфиров.

Полиамиды ведут себя подобно амидам. Они еще более труднорастворимы, чем полиэфиры, не набухают в воде и гидролизуются под воздействием кислот и оснований при повышенных температурах, но гораздо медленнее, чем полиэфиры. [29, 153]

Из изложенного ясно, что все главные химические свойства полимеров можно предсказать на основе их формул, рассматриваемых с точки зрения классической органической химии.

Для проектирования и реализации технологии изготовления пластмасс особенно важны химические, физические, механические и эксплуатационные свойства этих материалов.

Ниже в таблице 1 приведены основные свойства широко распространенных полимерных материалов.

Таблица 1. Основные виды пластмасс и их свойства

Изложенный выше материал относительно химических свойств пластических масс является основой для формулирования вывода о том, что современная органическая химия достигла значительных успехов фундаментального и прикладного характера, часть из которых могут быть усвоены школьниками на занятиях по технологии.

1.3 Физические и механические свойства пластмасс

Для технологического процесса изготовления пластмасс наиболее важны физические и механические свойства пластических масс.

В связи с этим рассмотрим основные физические и механические свойства выделенных материалов органической химии.

Пластмассы обладают ценными физико-механическими свойствами, которые способствуют их широкому распространению в строительстве.

Малая плотность (15…2200 кг/м3) пластмасс позволяет значительно снизить массу строительных конструкций, сократить транспортные расходы, упростить подъемно-транспортное оборудование при монтаже, улучшить теплозвукоизолирующие свойства конструкций. В среднем пластмассы, за исключением пенопластов, в два-три раза легче алюминия и в пять-восемь раз легче стали, меди, свинца. Прочность пластмасс различна. Например, предел прочности при сжатии пластмасс с порошкообразным наполнителем составляет 100…150 МПа, а стекловолокнистых пластмасс - 400 МПа, в то время как предел прочности при сжатии бетона, пропитанного полимерами (бетонополимеры), достигает 200…250 МПа. Предел прочности при растяжении стекловолокнистых пластмасс составляет 400…950 МПа, что немногим меньше прочности стали марки Ст5. Высокая прочность некоторых пластмасс позволяет применять их в несущих конструкциях. Низкая истираемость пластмасс обусловливает их широкое применение в качестве покрытия при устройстве полов; например, истираемость линолеума 45…90 мкм, гранита - 40 мкм.

Химическая стойкость пластмасс высокая: они стойки по отношению к воде, растворам кислот, солей и щелочей. Срок службы деталей из пластмасс в коррозионных средах значительно выше, чем деталей из металла. [39, 74]

Теплопроводность пластмасс довольно низкая и зависит от их пористости. У пористых пластмасс теплопроводность 0,03 Вт/(м °С), у плотных 0,22…0,68 Вт/(м°С). Низкая теплопроводность позволяет изготовлять ограждающие конструкции зданий и сооружений тонкими и легкими.

Прозрачность и светопроницаемость многих пластмасс дает возможность успешно применять их для остекления специальных помещений, создавать новые конструкции оконных проемов и кровель большепролетных и промышленных зданий. Так, прозрачность органических стекол 83…94, а прозрачность алмаза принята за 100.

Высокие декоративные качества пластмасс значительно расширяют область их применения как отделочного материала, создают художественные возможности при разработке и создании интерьеров. [26, 100]

Пластмассы обладают ценными технологическими свойствами: сравнительно легко формуются (литье, штампование, прессование) и обрабатываются (распиливание, строгание, сверление), что позволяет из пластмасс получать разнообразные по форме и сложные по очертанию изделия. Пластмассы можно сваривать и склеивать между собой.

Отрицательные свойства пластмасс - горючесть, способность изменять свои размеры в процессе эксплуатации, большое удельное электрическое сопротивление, невысокая теплостойкость, повышенная ползучесть, старение. Горючестью обладают многие виды линолеумов и отделочные пленки. При горении они выделяют ядовитые газы, легко воспламеняются. Некоторые виды пластмасс в процессе эксплуатации способны изменять свои размеры. При применении пластмасс в качестве конструкционного или отделочного материала стабильность размеров - основной фактор выбора типа полимера. Изменение линейных размеров - усадка поливинилхлоридных материалов для покрытия полов и стен составляет 0,1…0,5%. Большим удельным сопротивлением электрическому току характеризуются многие полимеры: фторопласты, поливинилхлорид, полистирол. Такие материалы плохо проводят электрический ток, а это приводит к тому, что в процессе эксплуатации они статически электризуются и неблагоприятно воздействуют на организм человека. Поэтому многие из этих материалов нельзя применять в культурно-бытовом строительстве. Чтобы понизить образование статической электризации, в состав полимера вводят специальные вещества - антистатики.

Теплостойкость пластмасс довольно низкая, она не превышает 200° С. При более высоких температурах многие пластмассы размягчаются и теряют свои свойства, что ограничивает их область применения в различных условиях эксплуатации (температура, механические напряжения). [17, 81]

Старение пластмасс - необратимое изменение свойств полимеров вследствие химических превращений под действием света, кислорода, воздуха, переменных температур, влажности и т.п., при этом ухудшаются декоративные свойства (цвет, прозрачность), резко снижаются показатели физико-механических свойств (прочность на растяжение, относительное удлинение), материал становится хрупким и может даже разрушаться. Поэтому в состав полимерных строительных материалов входят специальные добавки - стабилизаторы, антиоксиданты.

Физические свойства полимера, напротив, зависят не только от характера мономера, но в большей степени от среднего количества мономерных звеньев в цепи и от того, как цепи расположены в конечной макромолекуле. Все синтетические и используемые в промышленности природные полимеры содержат цепи с различным числом мономерных единиц. Это число называют степенью полимеризации (СП) и обычно пользуются его средним значением, поскольку цепи не одинаковы по длине. Средняя длина цепи и СП может быть определена экспериментально несколькими методами (например, осмометрией - измерением осмотического давления различных растворов; вискозиметрией - измерением вязкости; оптическими методами - измерением светорассеяния различными растворами; ультрацентрифугированием, при котором вещества разделяются по их плотности). СП особенно важна при определении механических свойств полимера, поскольку при прочих равных условиях более длинные цепи налагаются друг на друга более эффективно и порождают большие силы сцепления. Можно сказать, что заметная механическая прочность наблюдается уже при СП 50-100, достигая максимума при СП выше 1000. [30, 67]

В последние годы в конструкциях получают все большее применение новые материалы на основе природных и синтетических полимеров, так называемые пластмассы или пластики.

Пластмассы Представляют собой или чистые смолы, или композицию из смолы и ряда компонентов - наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и др.

В зависимости от применяемого наполнителя пластмассы разделяют на композиционные и слоистые. Композиционные в свою очередь разделяют на порошкообразные, волокнистые и с наполнителем в виде крошки.

Наполнители применяют органические и неорганические; они служат для модификации свойств материала, улучшения физико-механических, фрикционных и других свойств материала, а также для снижения его стоимости. [20, 45]

Органическими наполнителями являются древесная мука, целлюлоза, бумага, хлопчатобумажная ткань. В качестве неорганических наполнителей используют асбест, графит, стеклоткань, слюду, кварц и другие материалы.

Наполнители в виде полотнищ (тканых или нетканых) позволяют получать слоистые пластики высокой прочности.

При использовании в качестве наполнителя хлопчатобумажной ткани получают текстолит, стеклоткани - стеклотекстолит, бумаги - гетинакс, асбестовой ткани - асботекстолит, древесного шпона - древеснослоистые пластики (ДСП), песка и щебня - пластобетон.

Особую группу наполнителей составляют армирующие материалы на основе стекловолокна, стекложгута, стекломата, которые могут обеспечить изготовление деталей, по прочности не уступающих стали.

Стеклопластики, полученные на основе полиамидов, поликарбонатов, используют для изготовления брони, не пробиваемой пулями.

Из стеклопластиков изготовляют направляющие лопатки компрессоров, авиационных и ракетных двигателей, что дает возможность снизить вес этих аппаратов. [34, 72]

Стеклопластики сравнительно хорошо сопротивляются действию динамических нагрузок и способны гасить колебания элементов конструкций.

Пластмассы как конструкционные материалы имеют следующие особенности:

1) малый удельный вес (1,2-1,9 Г/см³), что в сочетании с высокой прочностью дает возможность выполнять очень легкие конструкции; у многих пластмасс отношение предела прочности к удельному весу (удельная прочность) значительно выше, чем у сталей.

В этой таблице приведены данные о стекловолокнистом анизотроп
ном материале СВАМ с различным соотношением продольных и поперечных стеклянных волокон;

2) диаграммы деформирования пластмасс весьма разнообразны; У стеклопластиков с направленным расположением стеклянных нитей, как например, у СВАМ это прямые почти до разрушения.

Однако у большинства пластмасс диаграммы ? - ? имеют вид плавной кривой, которую на некотором протяжении от начала координат можно принимать за прямую. [14, 33]

У большинства конструкционных пластмасс удлинение при разрыве не превосходит 3 - 4%, т.е. значительно ниже, чем у сталей;

3) пластмассы имеют обычно неодинаковые механические характеристики при растяжении и сжатии;

4) пластмассы значительно хуже, чем металлы, сопротивляются переменным и длительным нагрузкам;

5) для характеристик упругих и прочностных свойств пластиков характерен больший разброс, чем у металлов. Это объясняется старением материалов, гигроскопичностью, влиянием температуры, анизотропией свойств, неоднородностью структуры, влиянием технологии изготовления;

6) для пластмасс характерно более значительное по сравнению с металлами проявление масштабного эффекта. Предел прочности деталей из пластмасс существенно уменьшается с увеличением размеров поперечного сечения.

7) свойства пластмасс существенно зависят от температуры. Основные группы пластмасс могут работать в интервале температур от -200^?С до +250^?С; с появлением пластмасс на основе кремнийорганических полимеров и фторопластов верхний предел температуры поднялся до +500^?С.

Стеклопласты на основе кремнийорганической смолы не теряют прочности при 250 °С, выдерживают нагрев до 2750^?С в течение 2 мин;

пластики обладают большой склонностью к ползучести и релаксации даже при нормальных температурах;

для пластиков характерна малая жесткость; модуль упругости самых жестких пластиков (стеклопластиков) примерно в 10 раз меньше, чем у сталей. В результате этого детали из пластмасс получают более значительные деформации и перемещения, чем стальные детали;

многие пластмассы анизотропны, т.е. имеют в разных направлениях различные свойства. Анизотропия ярко выражена у слоистых пластиков.

Рассмотренный выше материал по физико-механическим свойствам пластических масс служит основой для формулирования вывода о том, что данные материалы органического происхождения выделяются уникальными особенностями, важными для проектирования и реализации технологии промышленного производства.

2. Проектирование и реализация демонстрационных моделей пластиковых окон

При разработке материалов и оформлении параграфов данной оригинальной главы выпускной квалификационной работы на тему «Проектирование и реализация демонстрационных моделей пластиковых окон» в качестве источников справочной информации использовались такие научные труды, как «Материаловедение и технология металлов» Г.П. Фетисова [8], «Методика проведения занятий по технологи» В.М. Казакевича [17] и «КБЕ Оконные технологии» В.А. Тарасова [35].

2.1 Краткая история становления и развития технологии пластиковых окон

Невозможно представить современные квартиры и дома без окон. Как и все лучшее, мы замечаем их только когда нужно протереть стекла и проветрить комнаты, либо если погода капризничает. А между тем они защищают наши дома от холода и шума, сквозняков зимой и кусачих комаров летом. Окна сегодняшнего дня многофункциональны, имеют различные конструкции и решают несколько задач одновременно. Но прежде чем воплотить в себе столько достоинств, окна прошли длинную историю, от проема в стене до сложных архитектурных изысков. Начнем, пожалуй, с древних времен, когда наши предки еще не придумали способы защищаться от буйства природной стихии. В те времена окон практически не было, а прародителем современных стеклопакетов стало обычное отверстие - дымоход первобытного жилища, также пропускавший внутрь немного дневного света и свежего воздуха.

На то мы и люди, чтобы искать возможности избежать опасностей внешнего мира, и далекие предки, спасаясь от злых духов и птиц, по преданию приносивших беду, полностью исключили проемы во внешних стенах. В древнейших постройках Египта и Греции, да и Рима не найти даже намека на окна. Свет поступал лишь через внутренний дворик и никак иначе. У древних греков окна были диковинной редкостью, и представляли собой узкие щели. В комнатах для пиршеств, где отмечали радости жизни только мужчины, в стене с солнечной стороны делали несколько оконных прорезей. А вот женской половине вообще не полагалось довольствоваться дневным светом.

Время шло, и однажды в российских деревянных постройках для крестьян и даже зданиях администрации появились слюдяные оконницы. Поскольку холода на нашей родине суровые, в качестве защиты от морозов на оконные проемы устанавливались задвижные доски, и родилось волоковое окно. А вот первые застекленные окна существовали еще в Романскую эпоху. Уже в те времена перед архитекторами открывались огромные возможности: пустить в помещения свет, контролировать потоки свежего воздуха, декорировать фасад здания и, что самое главное, обеспечивать хороший вид на улицу, создавая дополнительный комфорт для жильцов. Впервые оконным стеклом сверкнули бани в Помпеях, а средневековая Венеция превратилась в образец оконного декора из стекла. В семнадцатом веке французы изобрели новую технологию изготовления плоского и прозрачного стекла больших размеров, что послужило серьезным толчком в оконной эволюции. В Версальском дворце засияли зеркала и так называемые «французские балконы».

В нашей стране большие проемы для окон ввел Петр Первый - в Санкт Петербурге появились эталонные постройки, служившие архитекторам образцом - это дворец Меньшикова, а также Зимний и Летний дворцы. Суровый климат не позволял «французским балконам» обрести широкую популярность, а в девятнадцатом веке здания эпохи классицизма в пух и прах раскритиковали современники. Двадцатый век запомнился нашей стране типовыми застройками и скучными деревянными окошками. Массовое и недорогое производство, как водится, негативно отразилось на качестве. А в итоге нарисовалась следующая картина - чтобы согреться, Россия тратит в 3-4 раза больше энергоресурсов, нежели страны Европы. Главная причина вовсе не в морозах, просто стены, крыши и окна типовых домов пропускают тепло. Через окна на улицу уходит более 40% тепла, а в домах первых массовых серий от 50% до 80% теплопотерь. В шестидесятых появились первые пластиковые окна из поливинилхлорида (ПВХ), и сразу заняли прочные позиции на рынке в силу многих преимуществ.

Несмотря на то, что пластиковые окна появились на российском рынке сравнительно недавно, в мире о них знают уже больше полувека.

Идея замены традиционной деревянной оконной рамы на пластик впервые пришла в голову американцам, но отнюдь не была принята на ура. Материал, из которого они изготавливаются, - поливинилхлорид (ПВХ) - является одним из самых ранних искусственных материалов. Его создатель - химик Регнальд, ученому удалось получить этот материал еще в 1835 году. В 1912-м году начались поиски возможностей промышленного выпуска ПВХ, а в 1931 году концерн PASF выпустил первые тонны этого материала.

Недоверие американцев к новым конструкциям было обусловлено объективными причинами. Дело в том, что появлялись ошибочные разработки, приводившие отчасти к дискредитации окна из пластика. Так, некоторые конструкции были выполнены с учетом предположения, что действующие на раму силы может принять на себя и пластик. Армирование стальными профилями до некоторой степени обуславливалось соображениями, которые при серьезном рассмотрении сегодня уже не могут быть приняты в расчет. Так, существовали конструкции, армированные стальными полудюймовыми трубками, и другие конструкции с арматурой из полосовой стали. В конце 60-х годов на рынке появились системы пластиковых окон, определенно базировавшихся на инженерных знаниях. Серьезные отличия при теоретическом рассмотрении заключались скорее в том, что в одной системе большее значение придавалось возможности статически высококачественных армирований, а в другой - деталям фурнитуры с резьбовым соединением многоходовой резки и т.п.

Так или иначе, в начале 50-х годов началось сначала в США, а затем и в Европе победное шествие ПВХ в качестве материала для оконных рам. Один из первых немецких патентов на оконные рамы из ПВХ датируется 1952 годом. В 1959 году были оборудованы первые квартиры с окнами из твердого, модифицированного на ударную вязкость поливинилхлорида. После этого прошло еще несколько лет, пока рамы из ПВХ профилей стали находить массовое применение.

Систематическая работа как над сырьем, так и над машинами (экструдерами) сопровождали быстрое развитие окон из ПВХ профилей. Важнейшей целью работ было достижение как минимум того же срока службы, какой был известен у деревянных окон, а по возможности, превышение его. Сегодня можно говорить о том, что это удалось: опыты доказали, что «средняя продолжительность жизни» пластикового окна - минимум 40 лет. Недавно в Германии был отмечен своеобразный юбилей. Фирма - производитель ПВХ в рекламных целях бесплатно заменила пластиковые окна одному из своих первых клиентов, установившему их 35 лет назад.

Важнейшим этапом в завоевании пластиковыми окнами мирового рынка стали научные исследования, которые были призваны доказать экологичность этого материала. Результат - усовершенствование производства, из которого постепенно исчезли использовавшиеся в качестве катализаторов тяжелые металлы, а также свинец, который добавляли в пластик для приданию ему безупречной белизны. Сегодня большинство производителей для этих целей применяют безопасные для здоровья цинк и кальций.

Оконные ПВХ-профили поставляют к нам из Австрии, Швейцарии, Англии, Франции, Турции и других стран, но лидерство, несомненно, остается за Германией. Немцам принадлежит до 90 процентов российского рынка пластиковых окон (производители - Actual, Aluplast, ARreK, prugmann, Gealan, KpE, Knipping, Plustek, Rehau, Roplasto, Schuco, Thyssen, Trocal, Veka и другие). Фурнитура и прочие комплектующие также приходят из Европы, и тоже в основном из Германии (Aupi, Rota, Siegenia, Winkhaus). Фирмы перечислены просто в алфавитном порядке, поскольку объективно сказать, чья продукция лучше, сложно.

Пластиковые окна герметичны, обладают непревзойденными теплосберегающими свойствами и обеспечивают полную шумоизоляцию. Окна ПВХ не нужно красить и ремонтировать, а пластичный профиль способен принимать любые конфигурации, удовлетворяя самые смелые фантазии архитекторов и ускоряя процесс выполнения заказов. Чистый ПВХ на 43% состоит из этилена и 57% из связанного хлора. Для производства профилей в ПВХ добавляют стабилизаторы, модификаторы, пигменты и прочие компоненты, оказывающие влияние на светостойкость, цветовую гамму, качество и прочие характеристики. Современное окно - это сложная конструкция, выдерживающая самые высокие требования и обеспечивающая комфорт и эстетику. Архитекторы украшают здания окнами, пропускающими много света, теплотехники предпочитают отличную теплоизоляцию, а обычные жильцы мечтают о недорогих, легко моющихся окнах, которые защитят от шума, холода и даже взлома. Тем не менее, это далеко не все возможности окон, и они не ограничиваются комфортом, освещенностью, возможностью проветривания и теплоизоляцией.

Окна могут служить даже элементом системы отопления, но биоархитектурой занимается узкий круг специалистов. Одним словом, процесс эволюции окон не останавливается, и развитие идет полным ходом, но это уже совсем другая история.

Практическое применение ПВХ получил лишь столетие спустя, когда был придуман способ его промышленного производства. Пластиковые окна из ПВХ стали делать в середине прошлого века в Германии. Один предприимчивый бизнесмен установил пластиковые окна в доме своего первого клиента бесплатно и развернул широкую рекламную кампанию по установке пластиковых окон. В течение нескольких лет обыватель привыкал к пластиковым окнам, а в середине шестидесятых годов, когда технология была отработана до совершенства, случился первый бум, который из Германии перекинулся на соседние страны, а дальше спрос на пластиковые окна только нарастал. Россия была последней страной на европейском континенте, где тоже оценили пластиковые окна. Но и в нашей стране установка пластиковых окон существует на строительном рынке уже два десятка лет.

В России оценили пластиковые окна за их прекрасные качества, соответствующие разным климатическим условиям. Пластиковые окна превосходно выдерживают температурные перепады, случающиеся в различных российских регионах. Пластиковые окна не подвержены влиянию прямых солнечных лучей, перепадам давления и изменениям влажности окружающей среды. Пластиковые окна служат так же долго, что и те, рамы которых изготавливаются из дерева, а иногда пластиковые окна превосходят срок службы старого проверенного материала. Со временем изначальный состав пластика претерпел некоторые изменения, и теперь специалисты гарантируют сорок лет исправной службы без дополнительного ухода и замены. Это оказалось чуть ли не решающим аргументом. Пластиковые окна постепенно вытесняют с рынка деревянные. Ко всему прочему по своим потребительским свойствам пластиковые окна превосходят и другие альтернативные профили.

Долгое время придирчивые россияне, начитавшиеся и наслушавшиеся страшных историй, не доверяли рекламе о полезности и практичности пластиковых окон. Решающим аргументом было то, что поливинилхлорид якобы вреден для здоровья. На самом деле ПВХ тут не причём. Сам по себе этот пластик биологически нейтрален. Но вот добавки в состав материала, которые европейские производители стали делать для усиления его потребительских свойств, оказались действительно экологически опасными. Для усиления жёсткости и долговечности, в состав материала пластиковых окон долгое время входили органические соединения свинца. Они загрязняли окружающую среду уже в процессе производства, поэтому в Евросоюзе на уровне правительств были приняты решения о запрете производства пластиковых профилей. Производителям были поставлены условия о снижении вредных примесей. И требования эти к 2005 году дисциплинированными европейцами были выполнены. Более того, сейчас Европа объявила о новом законе, который должен вступить в силу через шесть лет. В соответствии с этим законом свинец должен быть полностью исключён из технологии производства пластиковых окон. Кое-какие научные изыскания в направлении замены этого элемента на более безопасные уже проведены. Ожидается, что вместо вредного свинца в состав материала для производства пластиковых окон будут включены кальций и цинк.

Пластиковые окна в наше время изготавливаются разных форм и цветов, а потому являются важной составляющей дизайнерского решения квартиры и даже дома в целом. Если говорить о формах пластиковых окон, то наиболее востребованными являются всё же традиционные стандартные прямоугольники. Тем не менее, можно увидеть и круглые пластиковые окна, и пластиковые окна треугольных и трапециевидных форм. Россияне охотно пользуются возможностями технологичных решений, поскольку всё чаще приходят к идее индивидуализации личного жилья. Пластиковые окна круглой формы чаще всего устанавливают в спальных помещениях и коридорах. Стеклопакеты таких пластиковых окон при этом могут иметь разную тонировку, цвет, быть сплошными или створчатыми. Установку сложнопрофильных пластиковых окон должны производить только высококлассные профессионалы, ведь помимо оформительской круглые пластиковые окна должны соответствовать и другим своим функциям, быть защитой от шума, пыли и температурных перепадов.