И в огне не горит...

Действие некоторых фантастических романов развертывается на планетах, где температура достигает нескольких сотен градусов Цельсия, где текут реки из расплавленного камня, а населяющие эти планеты живые существа выдерживают подобную жару.

Так могло, пожалуй, быть, если бы в составе живой материи — молекул органического вещества — место атомов углерода заняли атомы кремния. Все, что в природе связано с этим элементом, например кварц, песок, отличается высокой теплостойкостью.

Ученым удалось ввести в некоторые органические полимеры атомы кремния. Были получены полимеры-гибриды из углеводородных и кислородных соединений кремния, т. е. органических и неорганических веществ.

Современная промышленность нуждается в электрических двигателях, которые развивали бы большую мощность при очень небольших размерах. Этого можно достичь, увеличив силу электрического тока, пропускаемого через обмотки двигателей, что неизбежно ведет к их резкому перегреву. Были созданы совершенно новые изоляционные материалы, способные выдерживать очень высокую температуру.

Получение фторопласта.

В молекулах органических веществ атомы углерода соединяются валентными связями непосредственно друг с другом. Кремнийорганические полимеры, в которых атомы кремния соединены между собой через атомы кислорода, называются силоксанами (от латинских слов «силициум» — кремний и «оксигениум» — кислород) или силиконами и имеют наибольшее применение по сравнению с другими кремнийорганическими полимерами.

Силоксаны, как и органические мономеры, способны соединяться в длинные цепочки. При этом в зависимости от исходного состава мономеров, а также по мере удлинения молекулы сначала получаются жидкие полимеры, затем вязкие смолы, потом каучуки и, наконец, твердые вещества. Если цепочки кремнийорганических полимеров связаны между собой еще и перемычками, они образуют структуру, отличающуюся особой прочностью, термостойкостью и способностью отталкивать воду.

А — каучуки; Б — метод прививки полимеров; В — кремнийорганические полимеры: 1 — двуокись кремния (кварцевый песок); 2 -силоксан.

Получать Кремнийорганические полимеры можно поликонденсацией и полимеризацией. И хотя эта отрасль химии высокомолекулярных соединений зародилась относительно недавно, ее вклад в науку и технику уже сейчас весьма велик.

На основе кремнийорганических полимеров удалось создать краски, которые отлично предохраняют бетонные и каменные сооружения от действия влаги и разрушения. Силоксановыми и силиконовыми красками и лаками окрашивают нагреваемые до высоких температур печи, трубопроводы, которые раньше вообще не окрашивались, так как любые краски на них разлагались или выгорали.

Силиконовыми полимерами пропитывают ткани из стеклянного волокна. Эти ткани используют для изоляции деталей электрических машин. Электрический двигатель с кремнийорганической изоляцией обмотки работает даже будучи погруженным в воду.

Особенно удивительные качества приобретают каучуки, получаемые на основе кремнийорганических полимеров. Никакая автомобильная покрышка, изготовленная из естественного или синтетического каучука, не может выдержать в рабочих условиях изменения температуры от —60 до 130° С. А некоторые сорта силиконовой резины выдерживают нагрев даже до 300° С!

Кремнийорганический каучук очень теплостоек, но плохо переносит действие бензина и масла. Однако если в него ввести соответствующий органический мономер (например, акрилонитрил) и затем воздействовать сильным гамма-излучением, то к кремний-органическому полимеру «привьются» боковые веточки полиакрилонитрила. Получится каучук и теплостойкий и устойчивый против действия бензина и масел.

Многие приборы (вентили, части насосов и т. д.), через которые проходят горячие и едкие жидкости, нуждаются в смазке. Никакие масла и жиры для этого непригодны. А водоотталкивающая, теплостойкая, прочно удерживающаяся на рабочей поверхности кремнийорганическая эмульсия прекрасно справляется с этой задачей.

Кремнийорганическая смазка, нанесенная тонким слоем на окна самолета или автомобиля, длительное время предохраняет стекло от смачивания водой, запотевания, обледенения. Если вылить воду из посуды, покрытой тонким слоем кремнийорганической смазки, на стенках не останется ни капли жидкости. Это очень важно для некоторых химических производств и лабораторных экспериментов.

Будет ли полимерное вещество обладать способностью повторно размягчаться и формоваться в новые изделия или же необратимо твердеть, зависит от взаимного расположения полимерных цепочек. При линейно-разветвленном расположении мономеров получаются так называемые термопластические полимеры (А); при поперечных связях с соседними цепочками — термореактивные (В).

Очень ценны Кремнийорганические соединения в тех случаях, когда нужно предотвратить прилипание одного вещества к другому, независимо от того, будут эти вещества в холодном, теплом или горячем состоянии. В литейном производстве долгое время был большой производственный брак оттого, что формовочная смесь прилипала к стенкам моделей, а расплавленный металл — к изложницам. Когда модели стали покрывать силиконовыми смазками, брак был устранен. Применяются эти смазки и в производстве резиновых изделий: смазкой покрывают внутреннюю поверхность труб и аппаратуры, по которым проходят липкие жидкости. В кастрюлях и на сковородках, покрытых изнутри силиконовой пленкой, можно готовить пищу без масла — она не пригорит.

Ученых заинтересовала и такая проблема: если можно получить полимер, содержащий кремний, то почему бы не попытаться ввести в него и металлы? Появились полимеры, в молекулы которых входят атомы других элементов — алюминия, фтора, бора, кобальта. Такие элементоорганические соединения особенно интересны тем, что позволяют поднять «потолок» устойчивости к высоким температурам. Например, замещая в молекуле полиэтилена водородные атомы атомами фтора, получаем пластическую массу политетрафторэтилен, или фторопласт (тефлон) :

Эта белая твердая масса обладает необыкновенными свойствами и сохраняет их в очень широких температурных пределах от —60 до 300° С. На фторопласт не действуют ни щелочи, ни кислоты. Его не растворяет даже так называемая царская водка (смесь соляной и азотной кислот), разъедающая золото и платину. Поэтому фторопласт, который иногда называют органической платиной, — идеальный материал для изготовления химической посуды, труб и аппаратуры. Кроме того, пока это самое скользкое вещество в мире. Брошенная на стол пленка из фторопласта может буквально «стечь» на пол. Если скользящую поверхность лыж подбить такой пленкой, скорость спуска с горы резко увеличится. Фторопластовые подшипники в некоторых приборах и машинах могут работать, бесконечно долго без всякой смазки!

Фторопласт — прекрасный диэлектрик, обладающий к тому же исключительно высокой теплостойкостью. Защищенные им электрические провода и обмотки могут выдерживать температуру до 400° С (температура, при которой плавится свинец). Единственный недостаток полимера — трудность и сложность переработки его в изделия.

Синтез фторопласта

Химики задались целью получить новый материал с такими свойствами, каких не имело раньше ни одно природное вещество. Этот материал не должен бояться ни тепла, ни холода, обладать очень высокой химической стойкостью — не растворяться и не набухать в самых сильных кислотах и щелочах. Такой материал был создан и назван фторопластом.

Исходным веществом служил газ метан СН₄. Чтобы получить из него фторопласт, атомы водорода надо заменить атомами фтора. Для этого метан подвергают действию хлора. В ходе химической реакции из молекулы метана удаляются три атома водорода, и на их место становятся три атома хлора. Вместо молекулы метана образуется молекула хлороформа СНСl₃. В ней еще сохраняется один атом водорода. Хлороформ подвергают воздействию фтористого водорода. В результате из молекулы хлороформа удаляются два атома хлора, и на их место становятся два атома фтора. Образуется молекула дифторо-хлорметана CHF₂Cl.

Итак, атомы фтора заняли в молекуле метана место атомов водорода. Сейчас уже можно приступить к созданию тетрафторэтилена — исходного мономера, необходимого для постройки цепочки задуманного полимера.

Для этого остается удалить из новой молекулы «вспомогательный» атом хлора и атом водорода, которые тяготеют друг к другу и стремятся соединиться в молекулу НСl. Но это может произойти лишь в ходе взаимодействия двух молекул дифторхлор-метана, так как иначе в них остались бы свободные связи у атомов углерода.

Заготовка исходного вещества закончена. Можно приступить к «сшиванию» полученных мономерных молекул в политетрафторэтилен, или фторопласт (тефлон). Процесс полимеризации проводят под высоким давлением в присутствии катализатора, например перекиси водорода.

перейти к началу страницы