Хімічні волокна

Євген ВАРНАВСЬКИЙ

З 1931 року крім бутадієновий каучуку, синтетичних полімерів ще не було, а для виготовлення волокон використовувалися єдино відомі тоді матеріали на основі природного полімеру - целюлози.

Революційні зміни настали на початку 60-х років, коли після оголошення відомої програми хімізації народного господарства промисловість нашої країни почала освоювати виробництво волокон на основі полікапроамід, поліефірів, поліетилену, Поліакрилонітрил, поліпропілену та інших полімерів.

У той час полімери вважали лише дешевими замінниками дефіцитного природної сировини - бавовни, шовку, вовни. Але невдовзі прийшло розуміння того, що полімери і волокна на їх основі часом краще традиційно використовуваних природних матеріалів - вони легше, міцніше, більш жаростійкі, здатні працювати в агресивних середовищах. Тому всі свої зусилля хіміки і технологи направили на створення нових полімерів, що володіють високими експлуатаційними характеристиками, і методів їх переробки. І досягли в цій справі результатів, деколи перевершують результати аналогічної діяльності відомих зарубіжних фірм.

На початку 70-х за кордоном з'явилися що вражають уяву своєю міцністю волокна кевлар (США), дещо пізніше - тварон (Нідерланди), технора (Японія) та інші, виготовлені на основі полі-п-фенілентерефталаміда та інших аналогічних полімерів ароматичного ряду, що отримали збірне назва арамідов. На основі таких волокон були створені різні композиційні матеріали, які стали успішно застосовувати для виготовлення відповідальних деталей літаків і ракет, а також шинного корду, бронежилетів, вогнезахисною одягу, канатів, привідних ременів, транспортерних стрічок і безлічі інших виробів.

Ці волокна широко рекламувалися у світовій пресі. Однак лише вузькому колу фахівців відомо, що в ті ж роки російські хіміки і технологи самостійно створили арамідне волокно терлон, не поступається за своїми властивостями закордонним аналогам. А потім тут же були розроблені методи отримання волокон СВМ і армос, міцність яких перевищує міцність кевлара в півтора рази, а питома міцність (тобто міцність, віднесена до одиниці ваги) перевершує міцність високолегованої стали в 10-13 разів! І якщо міцність сталі на розрив становить 160-220 кг/мм2, то зараз активно ведуться роботи зі створення полімерного волокна з міцністю до 600 кг/мм2.

Інший клас полімерів, придатних для отримання високоміцних волокон - рідкокристалічні ароматичні поліефіри, тобто полімери, що мають властивості кристалів в рідкому стані. Волокна на їх основі властиві не тільки гідності арамідних волокон, але ще й висока радіаційна стійкість, а також стійкість до впливу неорганічних кислот і різних органічних розчинників. Це ідеальний матеріал для армування гуми і створення високонаповнених композитів; на його основі створені зразки світловодів, якість яких відповідає вищому світовому рівню. А найближче завдання - створення так званих молекулярних композитів, тобто композиційних матеріалів, у яких армуючим компонентами служать самі молекули рідкокристалічних полімерів.

Молекули звичайних полімерів містять, крім вуглецю, ще й атоми інших елементів - водню, кисню, азоту. Але зараз розроблені методи отримання волокон, що представляють собою, по суті справи, чистий полімерний вуглець. Такі волокна володіють рекордної міцністю (понад 700 кг/мм2) і жорсткістю, а також надзвичайно малими коефіцієнтами термічного розширення, високою стійкістю до зносу та корозії, до дії високих температур і радіації. Це дозволяє успішно використовувати їх для виготовлення композиційних матеріалів - вуглепластиків, що застосовуються в самих відповідальних конструкційних вузлах швидкісних літаків, ракет і космічних апаратів.

Застосування вуглепластика виявляється економічно дуже вигідним. На одиницю ваги виготовленого з нього вироби потрібно затратити в 3 рази менше енергії, ніж на виріб із сталі, і в 20 разів менше, ніж з титану. Тонна вуглепластика може замінити 10-20 тонн високолегованої сталі. Турбіна насоса, виготовлена з вуглепластику та придатна для перекачування мінеральних кислот при температурах до 150оС, виявляється вдвічі дешевше і служить в шість разів довше. Зменшується і трудомісткість виготовлення деталей складної конфігурації.

Багато властивості углекомпозітов можна змінювати в найширших межах. Наприклад, створені матеріали з коефіцієнтом тертя, що становлять всього 0,06, - їх можна використовувати в підшипниках ковзання. Однак є й матеріали з коефіцієнтом тертя до 0,7, а це означає, що з них можна робити гальмові колодки, що не містять азбесту.

Ще одна чудова властивість матеріалів на основі вуглецевих волокон - їх здатність добре проводити електрику і тепло. Це дозволяє робити на їх основі сухі безінерційні електронагрівачі у вигляді небудь жорстких пластин, або м'яких тканин. Вони абсолютно безпечні в пожежному відношенні, тому що тепловий потік рівномірно розподіляється по великій поверхні, і їх можна використовувати для обігріву приміщень або сидінь автомобілів і тракторів. Харчуються такі нагрівальні елементи або постійним струмом з напругою від 6 до 18 В, або змінним струмом з напругою від 24 до 220 В.

Електропровідність вуглецевих волокон дозволяє боротися і з доставляє чимало клопоту статичною електрикою (до речі, далеко не нешкідливим для здоров'я людини): достатньо ввести в матеріал (тканина, папір) всього 0,02 - 1% вуглецевого волокна, щоб електричні заряди повністю «стікали» з цього матеріалу, як після обробки антистатиком.

Вуглецеві матеріали мають і медичні області застосування: живий організм їх не сприймає. Тому якщо скріпити зламану кістку штифтом на основі вуглепластику, а пошкоджене сухожилля замінити легкої та міцної вуглецевої стрічкою, то організм не сприйме цей матеріал як чужорідний. А вуглецеві матеріали, що мають високу адсорбційної активністю, з успіхом застосовують у вигляді пов'язок, тампонів і дренажів при лікуванні відкритих ран і опіків - у тому числі і хімічних. Сорбційні властивості спеціально приготованого вуглецевого волокна в 2,5 рази вище сорбційних властивостей активованого вугілля!