Российские ученые создали полимер, который защитит самолеты от пожаров

Ученые РХТУ им. Д. И. Менделеева разработали новый огнестойкий полимер для авиакосмической отрасли. Разработка станет основой композитного материала, который будет использоваться при изготовлении элементов салонов самолетов. От аналогов полимер отличается более высокими механическими и прочностными качествами. Кроме того, ученым удалось ускорить время его синтезирования и снизить за счет этого стоимость производства.

Последний полет

Бортпроводника Максима Моисеева в небо тянуло с детства. Два года в школе-интернате с первоначальной летной подготовкой имени трижды Героя советского Союза А. И. Покрышкина, учеба в Санкт-Петербургском государственном университете гражданской авиации, работа стюардом в «Аэрофлоте» — все, чтобы приблизиться к мечте и однажды стать пилотом.

Вечером 5 мая 2019 года у Максима был запланирован очередной рабочий рейс «Москва — Мурманск». Вылет из аэропорта Шереметьево. Смена начиналась как обычно: встреча пассажиров, помощь в рассадке и инструктаж по технике безопасности. Но, едва взлетев, самолет попал в тучу. Хлопок, вспышка света — в лайнер ударила молния. Начались проблемы со связью. Экипаж принял решение вернуться в аэропорт.

Кроме Максима, на борту находились еще двое женщин-бортпроводников. Перед посадкой парень решил поменяться местами с одной из коллег и пересесть в хвостовую часть самолета. Почему — в тот момент было неизвестно. Но когда самолет совершил жесткую посадку и в хвосте началось задымление, стало понятно, что Максим предчувствовал такой исход событий и не хотел подвергать опасности коллегу.

Эвакуация началась как только самолет остановился. Уже в тот момент от жара начали плавиться иллюминаторы. Быстро открыть переднюю дверь удалось бортпроводнице Татьяне Касаткиной. К задней двери бросился Максим. Он был ближе всех к очагу возгорания. Но как парень ни старался, дверь не открывалась. Не теряя времени, Максим решил помогать пассажирам выбираться через переднюю часть самолета. И помогал до тех пор, пока сам не потерял сознание.

Максиму Моисееву было 22 года. В тот день, кроме него, из горящего самолета не смогли выбраться еще 40 человек, а повреждения разной тяжести получили еще десять пассажиров. Всего в самолете находилось 78 человек. По предварительной версии, трагедия произошла из-за ошибки пилота во время приземления. Но расследование продолжается до сих пор.

Согласно исследованиям, около 20% жертв авиакатастроф погибают не вследствие самой аварии, а из-за возникшего на борту пожара и продуктов горения. Шансы человека не отравиться ими и успешно эвакуироваться снижаются из-за сильно ограниченного пространства. Поэтому одним из важнейших направлений развития авиационной промышленности всегда было и будет создание огнеупорных полимеров — материалов, которые способны противостоять распространению огня. В случае аварии они могут подарить пассажирам и экипажу несколько дополнительных минут для спасения.

Полимерная эра

Слово «полимер» имеет греческое происхождение: «поли» — значит много, а «мерос» — часть. То есть буквально это молекула, состоящая из цепочки множества повторяющихся простых, или мономерных, частей. Как жемчужное ожерелье. К полимерам относятся самые разные вещества: белки, кварц, каучук, полиэтилен, целлюлоза и другие. Даже человеческая молекула ДНК — биологический полимер. А это значит, что полимеры окружают нас вообще всегда и везде. Они могут быть как природными, так и синтетическими.

Создавать полимеры искусственно начали в первой половине ХХ века. Тогда американский химик бельгийского происхождения Лео Бакеланд изобрел и запатентовал первую универсальную, негорючую и в то же время недорогую пластмассу. Назвали ее в честь ученого — бакелит.

К открытию Бакеланда привел поиск синтетического заменителя шеллака — природной смолы, которую производят некоторые тропические насекомые (главные среди них — лаковые червецы). Это воскообразное вещество активно применялось в электротехнической промышленности, например в производстве пластинок и изоляторов. И Бакеланд хотел найти ему альтернативу, которую человек может создавать сам тогда, когда ему вздумается. В ходе экспериментов химик решил соединить фенол и формальдегид и нагреть их при участии щелочного ускорителя реакции. В результате получилось жидкое вещество, которое при застывании становилось невероятно прочным, нерастворимым в кислоте и устойчивым к относительно высоким температурам.

Из бакелита изготавливали телефонные аппараты, корпуса светильников и других электротехнических приборов, рукоятки и магазины для стрелкового оружия, пряжки для ремней, броши и другие ювелирные изделия. Менее чем за год этот пластик распространился по всему миру.

Накануне Второй мировой войны СССР, Англия, Германия и США освоили также производство синтетического каучука — материала, который характеризуется эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами. Из него производят, например, разные виды резины.

Тогда же ученые углубились в изучение и разработку огнестойких полимеров — тех, которые устойчивы к разложению при высоких температурах. Ведь наличие таких материалов в оборонном производстве какого-либо государства дает существенное преимущество его армии. Хотя контроль воспламеняемости материалов был интересен людям еще до нашей эры. Например египтяне пытались снизить степень воспламеняемости древесины, пропитывая ее сульфатами калия и алюминия. Но продвинуться в этой теме человечество смогло лишь в ХХ веке, когда наука и техника достигла необходимого уровня.

Чтобы полимер можно было назвать огнестойким, он должен выдерживать температуры от 900 до 1100 °С. Но горючесть материала зависит не только от его химической природы, но и от температуры источника горения, условий воспламенения, наличия других легкогорючих составляющих в конструкции, а также формы и положения этой конструкции по отношению к пламени, и других нюансов. Все это усложняет разработку безопасных и надежных огнестойких материалов. Но не останавливает ее, ведь такие полимеры жизненно важны при создании конструкций, которые предполагают наличие небольших замкнутых и труднодоступных пространств: небоскребов, кораблей и самолетов.

Новый уровень защиты

Повысить безопасность авиакосмической отрасли взялись ученые Российского химико-технического университета им. Д. И. Менделеева. Они разработали уникальный огнестойкий полимер, который станет основой для материалов, используемых в интерьере воздушных судов. По словам специалистов, полимер отличается не только пониженной горючестью, но и скоростью производства, а стоимость процесса синтезирования гораздо ниже стоимости зарубежных аналогов.

Новосозданное вещество в «сыром» варианте представляет из себя бензоксазиновые мономеры, которые и становятся «бусинками» на цепях будущего полимера. Они состоят из нескольких органических соединений: ароматического амина, фенола и формальдегида. Внешне ароматический амин выглядит как бесцветная жидкость или кристаллическое вещество, производное от аммиака, со специфическим рыбным запахом. Фенол — бесцветный игольчатый кристаллик, который окисляется на воздухе и становится розовым. А вот формальдегид — это бесцветный газ с резким запахом, который часто можно встретить в мебельных магазинах, потому что при производстве некоторой мебели используется клей с высоким содержанием этого вещества.

Чтобы создать те самые мономеры, нужно смешать ароматический амин, фенол и формальдегид в определенных пропорциях. И нагревать до тех пор, пока все эти компоненты не растворятся и не образуют тягучую смесь. После, для того чтобы получить уже твердый полимер – провести реакцию полимеризации, то есть заставить эту тягучую смесь затвердеть. И вот на этом этапе специалисты РХТУ им. Д. И. Менделеева сделали то, что до них никто сделать не додумался.

Дело в том, что реакция полимеризации может проходить и самостоятельно: надо всего лишь держать смесь в нагретой до 180 °С печи и ждать. Но ожидание может длиться более десяти часов, что совершенно невыгодно с экономической точки зрения. Поэтому ученые решили использовать катализатор, ускоритель реакции, на основе фосфазенов. Это класс соединений, в которых атом фосфора соединен двойной связью с атомом азота. Выглядят фосфазены как бесцветные жидкости или кристаллические вещества. Они хорошо совмещаются с полимерами, встраиваясь в их структуру. Ранее в качестве катализатора фосфазены никто не применял, хотя в теории такой вариант рассматривался.

Так, в результате долгих экспериментов ученым удалось разработать хорошо масштабируемую технологию производства двух основных компонентов будущего композитного материала, который в частности будет использоваться в салонах российского судна МС-21: бензоксазинового мономера и фосфазенового катализатора для ускорения процесса полимеризации.

Все тонкости своего ноу-хау ученые раскрывать пока не готовы. Главное, по их мнению, то, что горючесть материала снизилась в десять раз по сравнению с аналогами, а скорость полимеризации нового материала сократилась в четыре раза. Значит, уменьшились временные и энергетические затраты, а следовательно и стоимость полимера. При этом абсолютно не пострадали его механические и прочностные свойства.

Технологию производства полноценных композитных материалов, в основе которых будет лежать полимер, планируют разработать и начать применять на предприятиях компании «Росатом» до конца 2021 года. Мощность опытного производства полимера составит до 200 тонн в год. Кроме того, использовать разработку планируют в транспортном строительстве и производстве электронной техники.