Реферат: Химические волокна
На Уфим. арендном з-де текстильного стекловолокна, в АО «Салаватстекло»
с использованием технологии произ-ва синт. полимерных волокон
изготовляют непрерывное (дл. более 20 км) стекловолокно, а также
короткое штапельное (дл. 1-50 см) волокно . Стекловолокно - основа
стеклопластиков. Увеличению износостойкости и адгезии стекловолокна
способствует обработка их спец. аппретирующими составами. Освоено также
произ-во стеклошариков, используемых для диспергирования пигментов в
лакокрасочной пром-сти, а также выработки супертонкого стекл.
штапельного волокна ; нитей крученых для изготовления
теплоизоляционных, тканых и нетканых материалов; ровингов для намоточных
изделий; прошивных материалов и труб; стекл. тканей, сетки, матов,
холстов для изоляции строит. конструкций, трубопроводов и т.д. Большую
гр. изделий из С. составляют бытовые и отделочные изделия. С. в виде
простейшего материала-стеклокрошки используется для декор. отделки стен.
Образующиеся в произ-ве С. и с.м. отходы после измельчения и спец.
обработки используются для получения готовой продукции.
В связи с ускоренным развитием космонавтики и авиац. техники появился
новый кл. конструкционных материалов на полимерных и металлич. матрицах.
В развитие материаловед. иссл. и создание новых полимеров и полимерных
материалов внесли значит. вклад ученые Института органической химии
(С.Р.Рафиков). В 80-90-е гг. в КБ «Мотор», н.-и. ин-те
двигателестроения, институте проблем сверхпластичности металлов, в Уфим.
гос. авиационном техническом университете получили развитие
материаловед. работы по применению угле- и стеклопластиков, бороалюминия
для авиац., косм. и ракетной техники. Пром. выпуск полипропилена на АО
«Уфаоргсинтез» и введение в него коротких стекловолокон увеличивает до
50% его прочность и ударную вязкость, что расширяет сферу его
использования как конструкционного материала в разл. обл. техники.
Волокна полипропилена могут быть использованы в качестве армирующих
в композиционных материалах для изготовления деталей и элем.
конструкций быт. техники. Получает распространение одно из перспективных
направлений в произ-ве конструкционных композиционных материалов -
т.наз. «волоконная технология», заключающаяся в получении тканей или
ровницы, в к-рых армирующие нити чередуются с нитями термопластичного
связующего. В качестве армирующих могут быть стекло-, угле-,
органоволокна, а также хлопок, целлюлоза и др. В качестве связующих
используются полиамидные, полипропиленовые нити и др. Материалы,
изготовленные по такой технологии, могут храниться годами.
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 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!
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
1200-1400оС, 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.
 |