книги из ГПНТБ / Щеголев Н.В. Полимер вездесущий

защищает ракету с находящимися в ней при­ борами от высоких температур.

Но некоторые специальные пластмассы, помимо теплостойкости, обладают еще и дру­ гим весьма ценным свойством — они чрезвы­ чайно прочны и фактически не уступают ста­ ли и прочным легким специальным сплавам.

Это достигается введением в полимер стеклянного волокна. Из одного миллиметра стекла можно, например, вытянуть нить дли­ ной более 5 километров.

Итак, если стеклянное волокно соответ­ ствующим образом расположить, пропитать полимерными смолами и при нагревании спрессовать, то могут быть получены весьма прочные материалы, называемые армирован­ ными пластмассами.

тонко...

ДА НЕ РВЕТСЯ

Может показаться несколько странным: откуда у стекла такая прочность? Ведь в са­ мом деле, трудно даже найти человека, не разбившего на своем веку стеклянного ста­ кана, бутылки или какой-нибудь безделушки

ине убедившегося в непрочности стекла.

Вчем же причина прочности тонких стек­ лянных нитей?

4 9

Вы никогда не задумывались: почему ко­ сти животных, стволы деревьев при относи­ тельно малом их весе так прочны? Ученые нашли разгадку этого: причина в а н и з о ­ т р о п н о с т и их строения.

Если тело обладает во всех направлениях одинаковыми физическими свойствами (уп­ ругостью, прочностью), то оно называется и з о т р о п н ы м . Примером этого может слу­ жить кусок стекла. Анизотропным же телом называют такое, у которого эти свойства раз­ личны в разных направлениях. Для того что­ бы разломить поперек волокон деревянный брусочек сечением всего лишь в один квад­ ратный сантиметр, требуется нагрузка в 800, а то и в 1000 килограммов. Для разрыва же его вдоль волокон требуется нагрузка всего лишь 30—40 килограммов.

Человек широко пользуется этой особен­ ностью материалов, например, при изготов­ лении фанеры. А нельзя ли искусственным путем создать такие материалы, в которых анизотропия была бы выражена более резко, что позволило бы получить материалы с еще более высокими прочными свойствами?

Оказалось, возможно. В Академии наук

СССР, в лаборатории анизотропных структур, группой научных сотрудников под руковод­ ством А. К. Бурова и Г. Д. Андреевской получены такие материалы из... стекла.

Тончайшие стеклянные волокна показали себя удивительно прочными. Стекло в этом случае стало упругим! Достаточно сказать, что нитевидное кварцевое волокно диамет­

5 0

ром 3—6 микрон имеет прочность на разрыв до 2500 кг/мм2, то есть более чем в 300 раз (!) превышает прочность такого же кварцевого стекла в сплошном куске и в 15 раз проч­ ность высококачественной стали. Причем с уменьшением диаметра стеклянного волок­ на прочность его увеличивается в несколько раз. Однако делать стеклопластики из очень тонких волокон оказалось экономически не­ выгодным. Судите сами. Для вытягивания ки­

в этом случае получается 20 тысяч километ­ ров. Если тянуть волокно толщиной 30 мик­ рон, нужно всего лишь 16 часов, а 100 микрон и того меньше — полтора часа. Таким обра­ зом, увеличение диаметра волокна резко по­ вышает производительность фильеры.

Но будут ли более толстые волокна доста­ точно прочны? Работами ученых последних лет доказано, что будут. Соответствующим подбором температуры стекломассы, из ко­ торой делается волокно, и сочетанием различ­ ных технологических приемов — скорость вытяжки, условия застывания стекловолокна и другие — удается получить стекловолокно достаточной прочности.

Оригинально утверждение профессора В. В. Тарасова о том, что молекулярной ориен­ тацией, то есть особым расположением мо­ лекул вдоль оси стекловолокна, ему может быть придана чрезвычайная прочность. Тем самым как бы переносятся некоторые зако­

51

номерности высокомолекулярной органиче­ ской химии ев область химии стекла, которое ученый склонен рассматривать как неоргани­ ческий полимер.

Вот как выглядят прочностные показатели некоторых армированных пластмасс в таб­ лице:

Вдумайтесь в цифровые величины табли­ цы. Помимо прочностных показателей, сопо­ ставьте удельные веса стеклопластика и ме­ талла, и вы убедитесь в замечательных каче­ ствах этого нового полимерного материала.

В таблице вы также, очевидно, заметили, что прочность стеклопластика, полученного

52

с использованием стеклоткани, меньше, чем при использовании длинных нитей (ровницы). Причина в том, что при изготовлении стек­ лянного полотна некоторая часть волокон ломается и это сказывается на прочности по­ лучаемого пластика,

При использовании для производства стеклопластиков других полимерных смол могут получаться другие прочностные харак­ теристики материала.

Подобные армированные пластмассы на­ шли широкое применение в различных обла­ стях техники. Из них стали изготовлять кор­ пуса лодок, катеров и небольших судов. Успешно эти материалы используются, как вы уже знаете, и в строительной технике. Из них был сделан даже плавательный бас­ сейн длиной 25 и шириной 11 метров. Неко­ торым недостатком стеклопластиков являет­ ся их относительно малая устойчивость к ис­ тиранию. Если из этого материала изготовить ступени лестниц или плитами из стеклопла­ стика покрыть пол в вестибюле гостиницы, то они окажутся недолговечны. Поэтому этот материал здесь не применялся. А жаль! Стеклопластик имеет очень нарядный вид. Но огорчаться все-таки не следует. В Научноисследовательском институте стекла в лабо­ ратории В. А. Рябова предложено покрыть стеклопластик сверху слоем мелких стеклян­ ных шариков. Таким образом, основную на­ грузку несет внутренний слой стеклопласти­ ка, а внешний отлично противостоит истира­ нию. Предполагают, что, используя шарики

5 3

разных цветов, можно создать такие замеча­ тельные мозаичные покрытия, каких нельзя сделать из других материалов.

Из стеклопластика изготовляют также трубы, различные инструменты, детали ма­ шин.

Находят они применение и для производ­ ства кровельного материала, баллонов для сжатого газа, защитных шлемов для велогон­ щиков, мотоциклистов, шахтеров, летчиков.

Из этих пластиков делаются также под­ весные контейнеры для перевозки горючего по воздуху.

Если к этому добавить удилища для ры­ баков, салазки для ребят, лыжные палки, хоккейные клюшки, луки для спортсменов, то все равно перечень возможных областей применения этих замечательных материалов будет далеко не полным.

ПОЛИМЕРЫ НА ПРОВОДЕ

Когда телевизор ломается и техник из ателье, начиная ремонт, снимает крышку, вам бросается в глаза обилие разноцветных проводков, катушек, конденсаторов. Вы обра­ тите, конечно, внимание на то, что почти все провода покрыты ¡полимерной изоляцией,—

5 4

вот об этом мы и хотим рассказать более под­

робно.

Цех, в котором это делают, скорее похож на цех ткацкой фабрики: шпули, ка­ тушки, перемоточные, намоточные станки

ит. д.

Всовременной технике производства элек­

трических машин, в технике связи к прово­ дам и в первую очередь к изоляции предъяв­ ляются повышенные требования.

Ведь для повышения мощности электро­ двигателей, трансформаторов при сохране­ нии их размеров по проводам необходимо пропускать электрический ток большей мощ­ ности. Для этого нужна высококачественная изоляция, так как увеличение нагрузки при­ ведет к повышенному разогреванию прово­ дов, разрушению изоляции и даже короткому замыканию и выходу двигателя из строя. По­ этому для создания электрических машин малых габаритов, но большой мощности не­ обходима изоляция, способная выдерживать высокую температуру до 200° и даже до

300°С.

Есть много и других специфических тре­ бований со стороны современной радиотех­ ники, телевидения, электроники...

Хлопчатобумажная изоляция не может прийти на помощь в данном случае: она не выдерживает температур выше 80—90°С, да и толщина ее весьма велика.

Обычные эмали, приготовленные на осно­ ве канифоли, льняного и более ценного тун­ гового масла, хотя и лучше, но также недо­

5 5

статочно пригодны. Такая изоляция плоха и по механической прочности.

Качество изоляции проверяется весьма простым, но оригинальным способом. По ис­ пытываемому проводу периодически с опре­ деленной нагрузкой скользит особая игла, она как бы царапает его. Через некоторое время изоляция нарушается, и металл иглы соприкасается с оголенным участком прово­ да. В этот момент происходит замыкание электрической цепи (к игле и проводу под­ веден ток) и счетное устройство останавли­ вается, указывая число царапаний иглы до разрушения изоляции.

Судите сами, если изоляция из обычной эмали выдерживает всего лишь пять-семь ца­ рапаний иглой, после чего она разрушается, то изоляция из полимера винифлекса выдер­ живает десятки царапаний и к тому же более стойка к повышенным температурам, она вполне работоспособна до 125°С. Полимерная эмаль с любопытным названием — винифлекс — поступает в цех в виде 20-процент- ного раствора в особых растворителях (этилцелозольве и хлорбензоле).

Готовится эмаль на основе поливинилацетатной и фенолформальдегидной смол на за­ водах химической промышленности.

Поливинилацетатная смола изготовляется сложным химическим путем. Вначале полу­ чают винилацетат из ацетилена и уксусной кислоты в присутствии солей ртути. Этот син­ тез стал возможен благодаря работам рус­ ского химика М. Г. Кучерова, открывшего

56

реакцию превращения ацетилена в уксусную кислоту при катализаторе реакции — солях ртути. Рассказывают, что Кучерову долго не удавалось провести этот синтез. Разные ката­ лизаторы были испытаны, но все они оказа­ лись неэффективными. Но вот произошла счастливая неприятность. Или лаборант, или сам Кучеров неосторожным движением раз­ бил ртутный термометр в колбе, где исследо­ валась эта реакция. Ртуть из термометра ока­ залась в продуктах реакции, и синтез пошел. Так в 1881 году была открыта всемирно из­ вестная реакция Кучерова.

А теперь вернемся к винилацетату. В его молекуле имеется двойная связь, и она может вступать в достаточно хорошо нам известную реакцию полимеризации. Получаемый при этом полимер носит название «поливинилацетат». Далее его превращают в другой поли­ мер— поливиниловый спирт, который обра­ батывают формалином и ацетальдегидом и смешивают с фенолформальдегидной смолой. Затем в виде готового лака этот продукт по­ ступает на заводы, где и производится изго­ товление проводов и изоляции.

Сам процесс нанесения изоляции выгля­ дит примерно так: голый медный провод последовательно пропускают через ванну, за­ полненную жидким лаком, затем провод по­ ступает в печь, где находится всего лишь 3— 5 секунд в зоне температур 250—300°С. Это­ го времени, однако, достаточно для того, что­ бы испарились растворители и в лаке завер­ шилась поликонденсация. Процесс нанесения

57

лака и сушку повторяют трижды. После этого изоляция приобретает необходимую проч­ ность.

Большие выгоды сулит замена тепловой сушки сушкой ультразвуком. Этот способ особо ценен при изготовлении проводов боль­ шого сечения, разумеется, и с более толстой изоляцией. Кроме того, печь в этом случае можно сделать более компактной и значи­ тельно меньше обычной, ведь участок нагре­ ва уменьшается ¡с пяти-шести метров до по­ лутора.

Радует глаз провод в полимерной изоля­ ции, придавшей ему высокие электротехни­ ческие свойства и обеспечившей его исполь­ зование и на космических кораблях, и при создании электрооборудования громадных реактивных самолетов, и в других областях техники.

Но не только полимерная изоляция из винифлекса нашла применение при изготовлеяии проводов. Капрон с успехом заменил на­ туральный шелк при изоляции специальных гроводов. Изоляция из стекловолокна и крем- -яийорганического лака повысила рабочий диапазон особых проводов до температур 250—300°С! Это позволило заменить в ряде случаев асбестовую изоляцию, которая была к тому же в три-четыре раза толще, что ска­ зывалось на конструктивных размерах элект­ рических машин.

58