Файл: Парнов Е.И. Неуязвимые материалы.pdf

ность учения о химических взаимодействиях, можно сказать, что довольно четко разграни­ чиваются вещества, легко взаимодействующие с кислородом, и вещества, которые легко сое­ диняются с водородом. К первым принадлежат углерод и водород, ко вторым — фтор.

В 1529 г. немецкий ученый Агрикола опи­ сал неизвестный минерал, который обладал способностью быстро расплавляться и способ­ ствовал плавлению других тел. За это он и по­

Легкоплавкий минерал обладал еще одним интересным свойством. В смеси с крепкой сер­ ной кислотой он растворял стекло. Один не­ мецкий исследователь был неприятно поражен, когда после нагревания смеси флюорита и кис­ лоты обнаружил, что дорогая стеклянная ре­ торта осталась... без дна.

После того как было доказано, что соля­ ная кислота есть соединение водорода с хло­ ром, французский ученый А. Ампер высказал

12

предположение, что плавиковая кислота тоже состоит из водорода и неизвестного элемента. Так, в начале прошлого века появилось наз­ вание «фтор», что в переводе с греческого зна­ чит разрушительный.

Фтор действительно разрушительный. Это бледно-желтый с резким запахом газ — один из самых активных. В самых обычных усло­ виях он воспламеняет древесину, бумагу, тка­ ни. Он легко взаимодействует с водородом и водой, даже его соединение с металлами со­ провождается взрывом. Из-за высокой хими­ ческой • активности его нельзя хранить ни в стеклянных, ни в фарфоровых сосудах.

На первый взгляд может показаться, что соединения агрессивного фтора с углеродом должно дать вещество столь же активное, об­ ладающее, как принято говорить в химии, вы­ сокой реакционной способностью. На самом же деле наоборот. Фтор и углерод образуют очень прочные молекулы, которые энергично сопротивляются разложению. Поэтому фтороуглероды не горят и не подвергаются корро­ зии, не гниют и не распадаются. Из них мож­ но получать вещества, которые не разрушает огонь.

В чем же причина таких поразительных свойств?

С давних пор в народе бытует поговорка: «Тверд, как алмаз». Действительно, из всех природных веществ алмаз отличается самой большой твердостью. Недаром он издавна применялся для резки стекла. А ведь алмаз — это чистый углерод. Атомы углерода, образую­ щие алмазный скелет, расположены на строго

одинаковых расстояниях. Такая компактная форма, или «упакова», и определяет замеча­ тельные свойства алмаза.

В основе углеводородов и фтороуглеродов тоже лежит углеродный скелет. Пусть не та­ кой компактный и щрочный, как у алмаза, но тоже весьма устойчивый. И все же не в нем дело.

Ведь высокомолекулярные органические вещества, основа которых углеродная цепочка, недостаточно теплостойки, сравнительно лег­ ко разрушаются под действием кислот и дру­ гих химически активных веществ.

Водородные атомы, если так можно выра­ зиться, чересчур «беспокойны». Они в любой момент могут покинуть свое место в молекуле углеводорода, вступив в реакцию с кислоро­ дом или другим каким-нибудь окислителем.

14

Зато нанизанные на углеродный скелет ато­ мы фтора ведут себя по-иному. Прочность связи между углеродом и фтором во много раз больше, чем прочность связи углерод — водо­ род. Поэтому ее так трудно разорвать.

И еще. Водородный атом — самый малень­ кий из всех возможных. Поэтому оболочка из атомов водорода плохо «прикрывает» углерод­ ный скелет. Другие атомы сравнительно легко могут добраться до атомов углерода. Крупные же атомы фтора, подобно сказочному панци­ рю, окутывают углеродный костяк, не допу­ ская непрошенных гостей.

Замечательная устойчивость фтороуглеродов позволяет предполагать, что их удастся синтезировать не меньше, чем соединений ор­ ганики. Ведь если некоторые комбинации ато-

15

мов углерода и водорода неустойчивы, то взя­ тый в той же пропорции вместо водорода фтор придаст молекуле замечательное свой­ ство — устойчивость. Поэтому если химикиорганики располагают сейчас приблизительно миллионом различных соединений, то фтороорганики могут в сравнительно недалеком бу­ дущем получить, вероятно, их еще больше.

ВОТ ЭТО АВТОМОБИЛЬ!

Стрелка спидометра дрожит у последнего деления шкалы. Кажется, что шоссе превра­ тилось в струю, стремительно летящую под ко­ леса автомобиля. Деревья, столбы, люди, стоя­ щие возле шоссе, — все превратилось в бегу­ щие цветные полосы. Впереди поворот! Нужно сбавить скорость! Но поздно. Машину заносит, она подпрыгивает и переворачивается, будто детский автомобильчик, брошенный рукой кап­ ризного шалуна.

Это не отчет об очередных гонках где-ни­ будь на Западе. Это испытания автомобиля будущего, автомобиля из фторопластов. И не беда, что наш лимузин перевернулся. Это тоже входит в программу испытаний. Никакие уда­ ры не страшны фтороуглеродным пластмас­ сам.

Такой автомобиль пока фантазия. Мы еще не можем делать машины из фторопластов. Но у этой фантазии есть реальный источник.

Ученые в лабораториях получили фторопла­ сты с прочностью стали. А ведь их удельный вес в 3—4 раза меньше! Одних этих качеств

16

достаточно, чтобы вызвать переворот в маши­ ностроении. Не следует забывать и о коэффи­ циенте трения. Ведь у полимерных материалов он минимальный. А это значит, что детали мо­ торов, например шестерни, могут работать без смазки.

Детали можно штамповать без всякой по­ следующей обработки. Фторопластовые ше­ стерни не нужно будет точно и скрупулезно рассчитывать на прочность. Ведь если нагруз­ ка увеличится, то зубья немного деформи­ руются, но не поломаются. А это значит, что станку или двигателю не страшны временные перегрузки.

Подшипники из фторопластов тоже весьма перспективны. Низкий коэффициент трения и высокая прочность фторопластов открывают им и эту дорогу. Такие подшипники почти не изнашиваются и совершенно не требуют смаз­ ки. А работать они могут на много тысяч ча­ сов дольше. Вот и говори после этого, кто же заменитель: металл или полимер!

Но вернемся к нашему автомобилю. Если в нем и есть трущиеся детали, которые требуют смазки, то смазкой может служить жидкий фтороуглерод. Фтороуглеродные смазочные масла не окисляются и поэтому не нуждаются в замене. Они смогут работать даже в таких условиях, где обыкновенные масла и смазки окажутся совершенно непригодными. Ни чис­ тый кислород, ни перекись водорода, ни азот­ ная кислота — ничто не сумеет вызвать даже малейшего окисления «вечных» масел. Значит, двигатели завтрашних машин не понадобится открывать — их станут делать закрытыми на-

17

уЛ

всегда. Система охлаждения, заполненная жид­ кими фтороуглеродами, не испугается никакой ржавчины.

А какими идеальными станут пожарные ма­ шины! Они будут врываться в горящую тайгу, валить на ходу пылающие деревья и давить

18

пламя гусеницами, заливая огненные языки пенящимися фтороуглеродами — огнегасителями.

Чудесные превращения произойдут и с ши­ нами. Покрышки из фтороуглеродных эласто­ меров окажутся не менее долговечными, чем сами автомобили. Им не опасны медленное окисление и солнечные лучи. Они обладают та­ ким незаменимым качеством, как бензостой­ кость и маслостойкость. Им под силу любые дороги. Почти не истираемые, они не страшат­ ся ни гвоздей, ни битого стекла.

На таком автомобиле не страшно будет от­ правиться в любое путешествие: в пески Са­ хары или к Южному полюсу. Действительно, при температуре ниже —80°, которая была за­ регистрирована в Антарктиде, обычная резина становится хрупкой, как стекло, и ломкой, а фтороуглеродный эластомер, над которым се­ годня работают ученые, видимо, не потеряет своих свойств даже при температуре, близкой к абсолютному нулю.

СОВЕТСКИЕ ФТОРОПЛАСТЫ

Пластические массы, изготовленные на ос­ нове фторозамещенных веществ, впервые по­ явились в середине 40-х годов. Однако орга­ низация производства фторопластов была со­ пряжена со значительными трудностями тех­ нического характера. Поэтому-то фторопласты выпускаются пока еще в немногих странах.

СССР, США, Англия, Италия, ФРГ, Франция, Чехословакия — вот их полный список.

В Советском Союзе производство фторо­ пласта-4 началось в 1949 г., а фторопла­ ста-3— в 1951 г. В организации этих произ­ водств главная заслуга принадлежит лабора­ тории фторопластов Ленинградского научноисследовательского института полимеризационных пластмасс под руководством Л. В. Черешкевича.

Фторопласт-4 — это полимер на основе тетрафторэтилена; последний представляет со­ бой этилен, в котором все водородные атомы заменены фтором. Фторопласт-4 в необрабо­ танном виде — рыхлый волокнистый порошок, немного напоминающий только что выпавший снег. Однако эта волокнистая масса легко уп­ лотняется. Специальный пресс при обычной температуре превращает рыхлый порошок в прочные, слегка поблескивающие таблетки. Таблетки являются полуфабрикатом. Для из­ готовления изделий таблетки загружают в пе­ чи, где они спекаются в плотную однородную массу.

Если из этого материала изготовить обра­ зец и испытать его на механическую прочность, то здесь-то и проявляется одно из замечатель­ нейших свойств фторопластов. Исчезает хруп­ кость. Под действием ударных нагрузок сло­ мать образец не удается, он только изгибается.

Попробуем подействовать на фторопласт низкими температурами. Все ниже и ниже па­ дает температура, а хрупкость не наступает. Каучук уже давно превратился в твердое, негнущееся тело, а фторопласт ведет себя попрежнему. Резиновый шланг, брошенный на пол, разлетается на мелкие части, точно стек-

20

лянный, а фторопласт совершенно не меняет своих свойств!

Наконец возьмем жидкий гелий. Его тем­ пература (—269,3°) всего на 4° выше абсолют­ ного нуля. Но и здесь неуязвимый материал вышел победителем. Оказывается, можно при­ менять фторопластовые сосуды для хранения того же жидкого гелия.

Не удалось победить фторопласт-4 холо­ дом, попробуем жарой. Но и здесь победа оста­ лась за химиками. Изделия из фторопласта не теряли своих свойств даже при температуре

260°. О т —269,3 до +260° — таков интервал температур, в котором может быть использо­ ван фторопласт-4.

Сравните его с любой другой пластмассой (кроме кремнийорганической). При темпера­ туре выше 100°, а иногда ниже она уже непри­ годна для эксплуатации.

Перед фторопластами здесь открываются широкие перспективы. Их с радостью встретят в авиации, где, кроме хороших температурных характеристик, требуются и такие качества, как защита от действия влаги, масла, незначи­ тельный вес и высокая прочность.

Но самым удивительным свойством фторо­ пласта-4 является, конечно, его исключитель­ ная химическая стойкость. Здесь у него нет со­ перников ни среди природных материалов, ни среди творений человеческих рук. Золото и платина, стекло и фарфор, эмали и качествен­ ные нержавеющие стали — все они далеко ус­

ные кислоты, концентрированные растворы ще-