«Шуба» из графита

Когда в феврале 2003 года компания «Унихимтек» стала одним из победителей конкурса мегапроектов, проведенного Минпромнауки, сторонние наблюдатели решили, что это очередной пролоббированный нужными людьми проект, стоящий в ряду таких же не слишком «хайтечных» технологий вроде создания производств по выпуску российских дизелей для легковых автомобилей или гофрированного картона. Уж больно приземленным на слух было название поданной заявки: «Разработка технологий и освоение серийного производства нового поколения уплотнительных и огнезащитных материалов общепромышленного применения». На деле оказалось, что разработка «материалов общепромышленного применения» базируется на серьезной фундаментальной науке, уходящей корнями в советское прошлое, и высокотехнологичном производстве.

Все начиналось с графита. Того самого, который, по энциклопедическим данным, является наиболее устойчивой кристаллической полиморфной модификацией углерода.

«Если графит обработать, – говорит профессор химфака МГУ И. Годунов, – получаются интеркалированные соединения, то есть соединения графита с включенными в его структуру веществами. На самом деле это большой класс соединений, но мы имеем дело с окисленными графитами. Если графит поместить, к примеру, в серную кислоту, добавить окислитель, перемешать, то между слоями остаются реагенты, и, чтобы получить зерна окисленного графита, остается все это промыть, высушить и отфильтровать». Слои узкие, и закрепившиеся между ними реагенты при резком нагревании не успевают «выйти» через поры графита и, стремительно увеличиваясь в объеме, взламывают структуру углеродного материала, вспенивая его.

На свойстве интеркалированных соединений графита вспениваться при нагреве и основываются два основных направления их применения: в качестве огнезащитных и уплотнительных материалов.



Лучший пожарник

От пожаров защищаются с помощью активных (извещатели, огнетушители, водометы, автоматы) и пассивных (конструктивная защита, огнезащитные материалы) средств. Первые вступают в дело, когда пожар уже начался, а вторые нужны для того, чтобы не допустить появления огня вовсе. Вот как раз для последнего и используется свойство интеркалированного графита вспениваться при высоких температурах.

Если взять кусок высоковольтного электрического кабеля и подставить его под язык пламени, он быстро займется огнем по всей длине, а от зловония горящей резины не спасает даже мощный воздухоотвод. А участок кабеля, покрытого защитным слоем из интеркалированных соединений графита, соприкасающийся с огнем, тут же увеличивается в объеме в несколько раз – и не горит.

При нагреве или при коротком замыкании полумиллиметровый слой краски, состоящий из нового материала, вспучивается, образуется «шуба», которая и защищает кабель от дальнейшего горения. Сама пена не горит и при трех тысячах градусов, а полимерный материал закрыт от доступа кислорода «шубой».

Похожее происходит и с покрашенными красками на основе графитных соединений металлоконструкциями. При 500 градусах металлические фермы теряют свои несущие свойства и прогибаются, и, к примеру, крыша, которую они держат, может обрушиться. Чтобы этого не произошло, обычно поверхность металла покрывают пятисантиметровым слоем асбеста. Унихимтековской краски нужно нанести слоем всего в миллиметр толщиной. И даже за несколько часов металл не прогревается до пятисот градусов.

Тот же интеркалированный графит можно «прокатать» и получить графитовую фольгу. Для этого графит подают в реактор, где в потоке воздуха происходит его динамическое вспенивание, порошок превращается в пух, который затем и спрессовывается в фольгу без добавки других связующих веществ. Эту фольгу можно, в свою очередь, порезать на ленточки, еще раз спрессовать и получить различные сальниковые уплотнения, химически инертные и, в отличие от привычных прокладок, практически не стирающиеся.




Космический углерод

Классическая модель интеркалированных соединений графита была разработана еще в 1930‑х немецким химиком Вильгельмом Рюдорфом. Теорию развил француз Дюма Эрольд. А американцы первыми придумали, как найти таким соединениям практическое применение, и в 1966 году компания Union Carbide получила патент на фольгу из терморасширенного графита (пенографита) и в последующие пятьдесят лет преуспела в его внедрении на западном рынке.

Работы над интеркалированными соединениями велись и в нашей стране, в 1970‑х годах. Но серьезного интереса ни работы НИИ «Графит», ни исследования, проводимые на химфаке МГУ, тогда не вызвали. Положение изменилось в 1984 году. Работы над интеркалированным графитом велись на кафедре физики и химии высоких давлений, организованной на химфаке отцом советских искусственных алмазов академиком Л. Верещагиным, создавшим целую отрасль промышленности по их производству. Здесь с применением технологий высоких давлений получили первый советский пенографит. После этого по приказу министра общего машиностроения СССР Олега Бакланова в МГУ была создана отраслевая лаборатория НИИ-4, а на кафедре высоких давлений появилась лаборатория химии и технологий углеродных материалов, которую возглавил В. Авдеев.

Министерство, курирующее космическую отрасль, в первую очередь заинтересовала низкая плотность полученного материала, и было принято решение разрабатывать легкие пенографиты в качестве уплотнительного материала для аэрокосмической отрасли, а его жаропрочные свойства применять в ракетной технике.

Было и вполне «земное» направление исследований. В Казахстане открыли большое месторождение мелкодисперсионных алмазов, но их было очень трудно изъять из сопутствующих графитовых структур. Дорогостоящие химические способы высвобождения алмазов ученые Московского университета предложили заменить на технологию интеркалирования графита. Подготовленный графит предполагалось быстро нагревать, а получившийся легкий пенографит просто смывать водой. Но дело шло к 1990‑м, щедрые финансовые потоки Минобщемаша были перекрыты, и исследования по графиту застопорились.



Краска борется с огнем

Когда открыли пенографит, один из сотрудников кафедры высоких давлений, сомневаясь, что новый материал окажется кому‑то нужным, шутил, что из него можно делать матрасы, которые не горят при трех тысячах градусов. Сейчас же его выпускают уже десятками тонн в месяц.

Тяжелее пришлось с продвижением огнезащитных материалов. Лишь когда «Мосэнерго» приобрело партию продукции в 16 тонн, на них обратили внимание и региональные энергокомпании.

Работа с промышленными потребителями заставила перенаправить часть фундаментальных исследований, ведущихся в стенах университета, в прикладном направлении. Первые огнезащитные материалы были сделаны на основе интеркалированного графита. Но парадокс в том, что графитовая краска, разведенная органическим растворителем, при покрасочных работах пожароопасна. По просьбе энергетиков для обработки кабелей или металлоконструкций в небольших закрытых помещениях пришлось разработать огнезащитную краску, основанную уже на другой химии. Такая краска состоит из нескольких основных компонентов (оксид титана, полифосфат высокомолекулярный аммония) и примерно двадцати других добавок.



Как обуздать водород

Есть способ решения технических задач, основанный на образном восприятии проблемы. Именно такой «взгляд изнутри» привел ученых к открытию нового класса пенографитов с такой структурой поверхности, что материал почти идеально поглощает из воды нефтепродукты и другие примеси и его можно использовать для глубокой очистки воды. В итоге были разработаны адсорбирующие вещества для устройств, аккумулирующих углеводороды и, что самое главное, водород. Развитие водородной энергетики потребует большого количества баллонов для хранения этого взрывоопасного газа. Хранить и возить приемлемый объем водорода сейчас приходится при опасно высоком давлении. А если засыпать в баллон адсорбирующий порошок, то он свяжет водород и хранить то же количество топлива можно будет при значительно меньшем давлении, а по мере уменьшения газа в баллоне водород начнет высвобождаться. Там же, где давление не является критической характеристикой, например в стационарных хранилищах, за счет такого адсорбента можно просто значительно увеличить объем хранимого газа.

Сейчас ученые ведут разработку уже не моно-, а ко- и гетероинтеркалированных графитов. Если в мономатериале между слоями графита введена только серная кислота, то в коинтеркалированном соединении в слоистой структуре графита уже две кислоты. А можно получить гетеросоединения – своеобразный пирог из мономолекулярных слоев различных веществ. Это нужно для создания материалов с температурой вспенивания ниже 200‑300 градусов – например, для защиты хранящихся в сейфах документов и денег.

Ирик ИМАМУТДИНОВ

Источник: http://www.eprussia.ru