книги из ГПНТБ / Парнов Е.И. Неуязвимые материалы

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-

лочей, самые сильные окислители — не оказы­ вают на фторопласт-4 никакого действия даже при высоких температурах.

Ученые перепробовали самые различные соединения, но все было тщетно. Фторопласт

22

оставался неуязвимым. Лишь при высоких тем­ пературах он поддавался действию расплав­ ленных щелочных металлов (натрия, калия, лития) и фтора. Но, несмотря на это, в каче­ стве уплотнительных материалов в аппарату­ ре, работающей с фтором, применяют именно фторопласт-4. И никакой неувязки здесь нет. Из всех известных человеку материалов самым устойчивым к действию фтора оказался всегаки фторопласт!

Образец фторопласта-4 погружали в сосуд с водой. Проходили дни, недели, месяцы. Но каждый раз, когда ученые помещали образец на чашки аналитических весов, вес его оставал­ ся неизменным. Это означало, что фторопласт абсолютно не смачивается и не набухает вводе. Более того, неизвестен ни один растворитель, в том числе и среди фторированных органиче­ ских веществ, в котором фторопласт-4 хотя бы набухал!

Трудно придумать лучшую изоляцию для подводных кабелей. Вблизи такого кабеля мо­ жет даже произойти подводное извержение вулкана и закипеть вода, а он останется невре­ димым. Ничто ему не страшно: ни механиче­ ские повреждения, ни микробы, ни водоросли. Даже ракушки, которые в изобилии покры­ вают днища океанских пароходов, не смогут поселиться на вечно новой, сверкающей по­ верхности неуязвимой пластмассы.

Заслуженной славой пользуется фторо­ пласт и у работников электро- и радиотехниче­ ской промышленности. Его исключительно вы­ сокие диэлектрические свойства не зависят ни от температуры, ни от частоты тока.

23

Из фторопласта-4 прессуют всевозможные пластины, диски, кольца и цилиндры — это все изоляторы. Из него прокатывают тонкие плен­ ки, которые можно использовать в качестве изоляции катушек, конденсаторов, пазов элек­ трических машин.

Газообразные фтороуглероды тоже прекра­ сные диэлектрики, поэтому их все шире ис­ пользуют в качестве наполнителей в высоко­ вольтных трубках. И недаром, потому что по своей химической инертности они не уступают даже благородным газам (неону, аргону идр.).

Вряд ли какой другой материал может со­ ставить конкуренцию фторопласту-4 еще в од­ ной области, о которой говорят незаслуженно мало. Более того, эту область считают при­ кладной, второстепенной, а ведь без нее была бы просто невозможна современная техника. Это всевозможные уплотнительные элементы: прокладки, сальниковые набивки, манжеты, седла, клапаны, сильфоны и т. д.

Широко используют и фторопластовые сильфоны. Они выступают в роли уплотняю­ щих узлов в насосах и вентилях или как само­ стоятельные детали в сильфонных насосах — цилиндры, поршни.

Проведенные испытания показали, что не­ большой сильфон диаметром 62 мм, при тол­ щине стенки всего 1 мм выдерживает внутрен­ нее давление 10 атм. и свыше 500 тыс. сжатий и растяжений. Если при этом напомнить, что фторопласту не страшна коррозия и любая ки­ слота или щелочь неспособна оставить на нем какого-нибудь следа, то, не претендуя на роль пророка, можно предвидеть, какую революцию

24

вызовет этот неуязвимый материал в ближай­ шие годы.

Все решительней вторгается фторопласт в химическую лабораторию. Образно говоря, он хочет поскорее отблагодарить тех, кто дал ему жизнь. Трубы, гибкие шланги, тонкостенные стаканы, реакторы, вентили, краны, клапаны, мембраны, насосы, вставки аккумуляторных баков — вот далеко не полный перечень пред­ метов, где необходим фторопласт, а иногда просто незаменим.

Ведь не следует забывать, что химикам приходится иметь дело с самыми агрессивны­ ми средами, без ограничения концентраций и температур. А здесь возможности фторопла­ стов почти безграничны. И можно с уверенно­ стью сказать, что замечательное творение хи­ миков — фторопласт позволит расширить обла­ сти химического эксперимента и заводской практики.

Из фторопласта может быть изготовлен ма­ териал любой пористости. Он позволяет полу­ чить различные по свойствам материалы — от кожеподобных и гибких с небольшим количе­ ством пор, до рыхлых и мягких масс с объем­ ным весом около 0,6 г/см3.

Из таких пористых материалов можно из­ готовить идеальные пластины для фильтров. Такие пластины в сущности можно даже не промывать, они пригодны для работы в любых условиях. Это вечные пластины, которые не нужно будет менять.

В настоящее время в качестве антикорро­ зийной оболочки в кабелях широко исполь­ зуется дешевый и доступный поливинилхло-

25

ридный пластикат. Всего 1 т пластиката по­ зволяет заменить 4 т свинца. А пластики на основе фтора по своим диэлектрическим свой­ ствам превосходят даже поливинилхлорид. Там же, где дело касается токов высокой ча­ стоты, они просто незаменимы- -

26

Есть еще одна область применения фторо­ пластов — трубы.

Трубы из фторопласта не подвержены кор­ розии, им не угрожает разрыв при замерзании. Они прочнее стальных. При толщине стенки всего в 1,5 мм фторопластовая труба легко вы­ держивает внутреннее давление в 15 атм. Та­ кие трубы можно использовать для транспор­ тировки особо агрессивных жидкостей.

Фторопласт-3 отличается от фторопласта-4 тем, что его получают путем полимеризации трифторхлорэтилена, в молекуле которого, кроме атомов фтора, есть и один атом хлора. По химической стойкости фторопласт-3 не­ сколько уступает фторопласту-4 и температур­ ный интервал у него уже. В отличие от фто- ропласта-4 он при повышенной температуре растворяется в некоторых органических веще­ ствах. На первый взгляд это можно расценить как недостаток. Действительно, зачем произ­ водить фторопласт-3, который растворяется в некоторых веществах, когда уже есть фторо­ пласт-4, который ни в чем не растворяется?

Но это не так. В некоторых случаях раст­ воримость веществ не является недостатком, а наоборот, ценным практическим свойством. Ра­ створимость фторопласта-3 позволяет полу­ чать из него суспензии.

Фторопласт-3 в виде суспензий может быть применен для получения электроизоляционных покрытий на проводах. Его можно нанести на неглазурованный фарфор, керамику, и они не будут смачиваться водой. Это позволит исполь­ зовать их в очень влажной атмосфере.

Технология нанесения фторопластовых по-

27

крытий на любое изделие очень проста. Сус­ пензию фторопласта-3 наносят на предмет, а когда растворитель испарится, то образуется тонкая рыхлая пленка фторопласта. Затем из­ делие нагревают, и суспензия превращается в прочную неуязвимую пленку, которая защитит предмет от любых воздействий внешней среды.

Такие пленки, например, дают возмож^ ность значительно улучшить качества совре­ менных конденсаторов, которые смогут рабо­ тать даже при температуре +125°.

Некоторые свойства, присущие фторопла­ стам, могли бы сделать их незаменимыми во многих областях науки и техники.

Но есть у фторопласта и одно неприятное свойство, которое часто (кстати, совершенно неправильно) называют «хладотекучестью». Оно выражается в том, что материал под дей­ ствием нагрузок начинает как бы течь уже при температурах более низких, чем точка плавле­ ния.

Неудачи, связанные с применением фторо- пласта-4, встречались при попытках увеличить рабочие температуры приборов или механиз­ мов путем простой замены менее теплостойко­ го материала на фторопласт. Причем особые свойства фторопласта не учитывали, да и кон­ струкцию механизма не изменяли. А потом удивлялись: почему фторопластовая деталь раздавливается и прорезывается? И вместо то­ го, чтобы тщательно изучать причины неудачи, какой-нибудь горе-конструктор жаловался на химиков и требовал от них «фторопласт-4 без хладотекучести». А такое свойство фторопла-

28

сту-4 придать нельзя без того, чтобы не ухуд­ шить его другие свойства.

Во многих случаях хладотекучесть фторо­ пласта-4 можно как бы обойти стороной. Нуж­ но только найти правильное конструктивное решение, учитывающее особые свойства этого замечательного материала.

Есть и еще недостатки у неуязвимых. В от­ личие от других пластмасс они очень капризны во время изготовления из них деталей. Тре­ буется точное соблюдение довольно сложных режимов спекания, прессования и охлаждения отпрессованных изделий. Из фторопласта с огромным трудом удается сделать достаточно прочные детали сложной формы. Приходится прибегать к такому несовершенному (с точки зрения современных' методов переработки пластмасс) методу, как обработка на метал­ лорежущих станках.

Фторопласты за их неуязвимость иногда называют «пластмассовой платиной». Но это определение в какой-то степени характеризует их с еще одной стороны: фторопласты — одни из самых дорогих пластмасс. Поэтому некото­ рые нарисованные нами картины их примене­ ния на сегодняшний день скорее могут быть оценены как смесь научной фантастики и пред­ видимого будущего. Но все-таки будущее при­ надлежит неуязвимым!

За последние несколько лет почти в сто раз возросло применение таких металлов, как ти­ тан, ванадий, вольфрам, молибден, ниобий. И это не удивительно! Век железа переживает часы заката. Человечеству нужны новые, об­ ладающие замечательными, подчас уникаль-

29