Химические волокна
Химические волокна
Евгений Варнавский
С 1931 года кроме бутадиенового каучука,
синтетических полимеров еще не было, а для изготовления
волокон использовались единственно известные тогда материалы на
основе природного полимера - целлюлозы.
Революционные изменения наступили в начале 60-х
годов, когда после объявления известной программы химизации народного хозяйства
промышленность нашей страны начала осваивать производство волокон
на основе поликапроамида, полиэфиров, полиэтилена, полиакрилонитрила,
полипропилена и других полимеров.
В то время полимеры считали лишь дешевыми
заменителями дефицитного природного сырья - хлопка, шелка, шерсти. Но вскоре
пришло понимание того, что полимеры и волокна на их
основе подчас лучше традиционно используемых природных материалов - они легче,
прочнее, более жаростойки, способны работать в агрессивных средах. Поэтому все
свои усилия химики и технологи направили на создание новых полимеров,
обладающих высокими эксплуатационными характеристиками, и методов их
переработки. И достигли в этом деле результатов, порой превосходящих результаты
аналогичной деятельности известных зарубежных фирм.
В начале 70-х за рубежом появились поражающие
воображение своей прочностью волокна кевлар (США),
несколько позже - тварон (Нидерланды), технора (Япония) и другие, изготовленные
на основе поли-п-фенилентерефталамида и других аналогичных полимеров
ароматического ряда, получивших собирательное название арамидов. На основе таких
волокон были созданы различные композиционные
материалы, которые стали успешно применять для
изготовления ответственных деталей самолетов и ракет, а
также шинного корда, бронежилетов, огнезащитной одежды, канатов, приводных
ремней, транспортерных лент и множества других изделий.
Эти волокна широко
рекламировались в мировой печати. Однако только узкому кругу специалистов
известно, что в те же годы российские химики и технологи самостоятельно создали
арамидное волокно терлон, не уступающее по своим свойствам
зарубежным аналогам. А потом здесь же были разработаны методы получения
волокон СВМ и армос, прочность которых превышает
прочность кевлара в полтора раза, а удельная прочность (то есть прочность,
отнесенная к единице веса) превосходит прочность высоколегированной стали в
10-13 раз! И если прочность стали на разрыв составляет 160-220 кг/мм2,
то сейчас активно ведутся работы по созданию полимерного
волокна с прочностью до 600 кг/мм2.
Другой класс полимеров, пригодных для получения
высокопрочных волокон - жидкокристаллические ароматические полиэфиры, то есть
полимеры, обладающие свойствами кристаллов в жидком состоянии. Волокнам на их
основе свойственны не только достоинства арамидных волокон, но еще и высокая
радиационная стойкость, а также устойчивость к воздействию неорганических
кислот и различных органических растворителей. Это идеальный материал для
армирования резины и создания высоконаполненных композитов; на его основе
созданы образцы световодов, качество которых соответствует высшему мировому
уровню. А ближайшая задача - создание так называемых молекулярных композитов,
то есть композиционных материалов, в которых армирующими компонентами служат
сами молекулы жидкокристаллических полимеров.
Молекулы обычных полимеров содержат, помимо углерода,
еще и атомы других элементов - водорода, кислорода, азота. Но сейчас
разработаны методы получения волокон, представляющих собой, по сути
дела, чистый полимерный углерод. Такие волокна обладают
рекордной прочностью (свыше 700 кг/мм2) и жесткостью, а также
чрезвычайно малыми коэффициентами термического расширения, высокой стойкостью к
износу и коррозии, к воздействию высоких температур и радиации. Это позволяет
успешно использовать их для изготовления композиционных
материалов - углепластиков, применяемых в самых ответственных конструкционных
узлах скоростных самолетов, ракет и космических аппаратов.
Применение углепластика оказывается экономически
весьма выгодным. На единицу веса изготовленного из него изделия нужно затратить
в 3 раза меньше энергии, чем на изделие из стали, и в 20 раз меньше, чем из
титана. Тонна углепластика может заменить 10-20 тонн высоколегированной стали.
Турбина насоса, изготовленная из углепластика и пригодная для перекачки
минеральных кислот при температурах до 150оС, оказывается вдвое дешевле и
служит в шесть раз дольше. Уменьшается и трудоемкость изготовления деталей
сложной конфигурации.
Многие свойства углекомпозитов можно изменять в
широчайших пределах. Например, созданы материалы с коэффициентом трения,
составляющим всего 0,06, - их можно использовать в подшипниках скольжения.
Однако есть и материалы с коэффициентом трения до 0,7, а это значит, что из них
можно делать тормозные колодки, не содержащие асбеста.
Еще одно замечательное свойство материалов на основе
углеродных волокон - их способность хорошо проводить электричество
и тепло. Это позволяет делать на их основе сухие безынерционные электронагреватели
в виде либо жестких пластин, либо мягких тканей. Они совершенно безопасны в
пожарном отношении, так как тепловой поток равномерно распределяется по большой
поверхности, и их можно использовать для обогревания помещений или сидений
автомобилей и тракторов. Питаются такие нагревательные элементы либо постоянным
током с напряжением от 6 до 18 В, либо переменным током с напряжением от 24 до
220 В.
Электропроводность углеродных
волокон позволяет бороться и с доставляющим немало
хлопот статическим электричеством (кстати, далеко не безвредным для здоровья
человека): достаточно ввести в материал (ткань, бумагу) всего 0,02 - 1%
углеродного волокна, чтобы электрические заряды полностью «стекали»
с этого материала, как после обработки антистатиком.
Углеродные материалы имеют и медицинские области
применения: живой организм их не отторгает. Поэтому если скрепить сломанную
кость штифтом на основе углепластика, а поврежденное сухожилие заменить легкой
и прочной углеродной лентой, то организм не воспримет этот материал как
чужеродный. А углеродные материалы, обладающие высокой адсорбционной
активностью, с успехом применяют в виде повязок, тампонов и дренажей при
лечении открытых ран и ожогов - в том числе и химических. Сорбционные свойства
специально приготовленного углеродного волокна в 2,5
раза выше сорбционных свойств активированного угля!