VIVOS VOCO: В.С.Матвеев, Г.А.Будницкий, "Многоликие волокна"

Многоликие волокна

В.С. Матвеев, Г.А. Будницкий

В Подмосковье, близ железнодорожной станции Мытищи, расположен Всероссийский научно-исследовательский институт полимерных волокон (ВНИИПВ). Он был организован в 1931 году, когда, кроме бутадиенового каучука, синтетических полимеров еще и не было, а для изготовления волокон использовались единственно известные тогда материалы на основе природного полимера - целлюлозы.

Революционные изменения в деятельности института 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 природых материалов - они легче, прочнее, более жаростойки, способны работать в агрессивных средах. Поэтому все свои усилия мытищинские 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.

Прочнее стали

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 мытищинские 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 во ВНИИПВе 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.

Один лишь углерод

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, в 6,5 раза меньше, чем на изделие из алюминия, 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 150^оС, 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!

Углерод плюс кремний

Давно известно, что карбид кремния - прочнейший материал, способный конкурировать с металлами. Поэтому изготовленные из него волокна обладают уникальными характеристиками: они выдерживают температуру до 1200-1400^оС, не меняя своих свойств, да еще в окислительной атмосфере, когда другие материалы просто сгорают. А поскольку карбидокремниевые волокна обладают к тому же прочностью, превышающей прочность стали (порядка 250 кг/мм² на разрыв и сжатие), то на их основе делают композиты, способные длительное время работать в экстремальных условиях: в газотурбинных двигателях и двигателях внутреннего сгорания, фильтрах для выхлопных газов автомобилей, установках для очистки при высокой температуре химически агрессивных газов и растворов, химических реакторах. Из материалов на основе карбидокремниевых волокон можно делать даже сосуды и желоба для разливки расплавленных металлов!

Мембранные фильтры

Сейчас мембранные фильтры уже широко применяют в технике, сельском хозяйстве, медицине и даже в быту; подробно о них рассказывал в "Химии и жизни" академик Н.А.Платэ (1995, N 4).

А при чем здесь волокна, коль скоро обычно для разделения молекул используются мембраны, которые, по нашему разумению, непременно должны представлять собой нечто вроде пленки? А при том, что мембраной может служить и стенка самого волокна, если волокно полое, вроде очень тонкой макаронины. Например, когда внутрь такого волокна поступает смесь, подлежащая разделению, а наружу выходят только те молекулы, которые пропускают через себя микропоры. Такие волоконные фильтры наиболее эффективны, поскольку их удельная фильтрующая поверхность может быть огромной, а это позволяет делать установки компактными и потребляющими мало энергии.

Приведем лишь наиболее яркие примеры разработок нашего института. Например, с помощью фильтрующих волокон можно очищать питьевую воду не только от примесей минеральных частиц, но даже от микроорганизмов (что, в частности, позволяет готовить стерильные растворы для медицинских целей без нагревания). Мембранные фильтры способны разделять газы и создавать атмосферу с нужным соотношением компонентов - например, повышать концентрацию азота в овощехранилищах или создавать оздоровительную атмосферу с помощью медицинских установок типа "горный воздух".

Естественно, что изготовление полупроницаемых мембран в виде тонких полых волокон - сложнейшая технологическая задача. Но эта задача уже решена, и фильтрующие волокна находят сейчас все новые и новые области применения.

Польза химического сродства

Синтетические волокна могут не только механически отфильтровывать молекулы, но и улавливать их с помощью сил химического сродства. Такой способностью обладают так называемые хемосорбционные волокна, поверхность которых усеяна химически активными группами (-COOH, - SO₃H, - NH₂ и другими), связывающими катионы или анионы.

Однако хемосорбционная эффективность ионитов, как и эффективность мембранных фильтров, напрямую зависит от их удельной поверхности, то есть поверхности, приходящейся на единицу массы. Удельная поверхность ионитов, изготовленных в виде гранул, растет по мере их измельчения, но обычно не превышает 10 м²/кг. Удельная же поверхность хемосорбционных волокон в 15-40 раз больше; при этом у волокон лучшие механические свойства, чем у гранул даже с самой развитой поверхностью. И еще важное преимущество хемосорбционных волокон: из них можно делать не только фильтры, но и ткани для одежды, надежно защищающей персонал химических предприятий от вредного воздействия паров и брызг различных кислот и щелочей.

И естественно, хемосорбционные волокна с успехом применяют так же, как и обычные гранулированные иониты, - для очестки газов (в том числе и воздуха) и жидкостей (в том числе и питьевой воды).

Сейчас на опытном заводе ВНИИПВа выпускают хемосорбционные волокна нескольких разновидностей, используемые на предприятиях химической, электронной, радиотехнической, цветной и черной металлургии для очистки воздуха; эти волокна успешно заменяют активированный уголь в респираторах типа "Снежок КУ" и "Астра 20".

Волокна-биокатализаторы

Как всем известно еще из школьного курса химии, катализаторы - это вещества, ускоряющие химические реакции во много раз, но сами при этом остающиеся практически неизменными; каталитические процессы лежат в основе большинства современных химических производств. Живая природа тоже использует катализаторы, называемые ферментами. Ферменты в 10¹⁰-10¹⁵ (ой ли! - V.V.) раз активнее катализаторов небиологического происхождения и при этом работают строго селективно, то есть ускоряют только определенные реакции и не способствуют образованию побочных продуктов.

Однако биокатализаторы обладают существенными недостатками, от которых избавляются путем иммобилизации, то есть как бы обездвиживания молекул ферментов. Для этого их связывают с нерастворимой неорганической или органической матрицей - например, стеклом или различными полимерами. В том числе и полимерами, используемыми для изготовления волокон.

Так, к волокнам из триацетата целлюлозы можно "пришивать" молекулы пенициллинамидазы, аминоацилазы, уреазы, каталазы, инвертазы и других ферментов. Полученные во ВНИИПВе волокна-биокатализаторы успешно применяют в тонком органическом синтезе, медицине, в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Волокна, к которым пришиты молекулы фермента бета-галактозидазы, способного расщеплять молочный сахар (так называемую лактозу) на глюкозу и галактозу, позволяют получать безлактозное молоко, необходимое многим людям, организм которых не способен усваивать лактозу.

Эти же волокна решают и другую важную проблему - утилизацию сыворотки предприятий, перерабатывающих молоко в творог или сыры. Дело в том, что в сыворотке, обычно сбрасываемой в стоки (в сотни раз более вредные для окружающей среды, чем типичные промышленные стоки), содержится все та же лактоза и молочные белки. Сама по себе лактоза никому не нужна, но если обработать выворотку бета-галактозидазой, иммобилизованной на волокнах, то из раствора можно выделить смесь глюкозы и галактозы, способную успешно заменять обычный сахар при изготовлении различных кондитерских изделий, мороженого и безалкогольных напитков.

Сегодня на мировом рынке больше всего ценится не сырье, главный продукт нашего экспорта, а продукты интеллектуального труда - новое оборудование, конкурентоспособные технологии и товары. Всем этим располагает наш институт, тематика которого формировалась как неотъемлемая часть национальной программы создания новых материалов. Но если до недавнего времени потребители этой продукции сотрудничали с нами в плановом, приказном порядке, то теперь информационные связи рвутся и многие наши потенциальные партнеры просто не знают о том, что неподалеку от Москвы, в Мытищах, есть институт, разработки которого способны успешно конкурировать с разработкам крупнейших мировых фирм.

Однако дело не только (и даже не столько) в этом. Если раньше новые разработки и их внедрение исправно финансировалось государством, то сейчас у института нет оборотных средств, а предприятия, ранее выпускавшие волокна по нашей технологии, тоже находятся в бедственном положении. В таком же положении находятся, увы, и потребители новых материалов...