khimie.ru

Только в последние десятилетия химики сумели синтезировать высокостойкие гидрофобизаторы. Особую известность среди них получил фторопласт.

Нейлон, капрон, лавсан, полиэтилен, полистирол, полиуретан, полипропилен…− все эти полимеры давно «ветераны». Новичками же, наделавшими столько шума, стали фторполимеры − полимеры, содержащие в своем составе атомы фтора.

У них много имен: у нас говорят о фторопластах, в США то же зовется тефлоном, а Англии − флюоном, в Японии − полифлоном… Но суть всюду одна: отор (по-гречески означает «разрушение», «гибель»), самый агрессивный элемент из известных в природе, соединившись с углеродом и образовав длинные полимерные цепочки, резко изменил свой дотоле крутой нрав. В сущности, получились те же соединения, что и углеводороды, только в них атомы водорода захменены атомами фтора.

Новые материалы оказались самыми инертными (в пику чистому фтору!), самыми нейтральными, самыми химически и биологически стойкими… Из самых − самые!

И особенно уникален по свойствам политетрафторэтилен (ПТФЭ), или просто фторопласт-4 (Ф-4). Он-то, нашедший себе применение и в космической технике, и при получении ядерного горючего, и при изготовлении лезвий для бритья, и еще в тысяче дел, ознаменовал новый этап в технологии изготовления пористых электродов для топливных элементов.

Почему элементы Спиридонова и других исследователей, пытающихся изготовить гидрофобизировашше электроды, оказались неудачными? Да, прежде всего, потому, что, видимо, по-настоящему хороших гидрофобизаторов в природе не существует. Так уж, видно, устроен наш мир: он больше гидрофилен, чем гидрофобен.

О гидрофильности и гидрофобности материала судят обычно по поведению капли воды, лежащей на его поверхности. Если край капли образует с поверхностью острый угол (θ < 90 градусов), говорят о гидрофильности. При гупом угле (θ > 90 градусов) − о гидрофобности.

Не редкость встретить в природе вещества с углом θ, близким к нулю (полная смачиваемость), а вот полной несмачиваемости что-то не наблюдается.

Обычно у гидрофобных веществ угол θ лишь ненамного превышает прямой угол. Даже у фторопласта, этого, можно сказать, чемпиона гидрофобности, угол θ порядка 120 градусов, но никак не 180 градусов − полная несмачиваемость! И результат: если гидрофильные стенки пор гидрофобизировать, сделав их частично гидрофобными, то суммарно поверхность останется все же либо практически гидрофильной, либо довольно быстро промокает, ведь вода очень активный и вьедливый агент.

Для гидрофобизации пористых электродов нужен был принципиально иной подход − его дал фторопласт, его особые свойства.

Золото − металл благородный: не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах. Однако против действия царской водки, смеси азотной и соляной кислот, и золото бессильно. У алхимиков для этого факта был особый символ: лев, пожирающий солнце. Но фторопласту и «лев» не страшен! По химической стойкости Ф-4 превосходит только благородную платину, инертный графит, стойкий кварц, но и все известные ныне синтетические материалы. Потому-то и требуется он всюду, и производство его уже превышает десятки миллионов тонн, гораздо больше, чем, скажем, алюминия.

В чем секрет фторопласта? Видимо, прежде всего, в структуре его молекул. Фтор как наиболее реакционно-способный из элементов здесь намертво «вцепился» в углерод, образуя очень прочные химические связи. Вдобавок цепь из примерно 10 тысяч повторяющихся молекулярных звеньев в этой молекуле закручивается вокруг своей оси в спираль. И при этом так хитро, что образуется плотная оболочка атомов фтора вокруг углеродного скелета.

Эту особенность фторуглеродов и имел в виду американский химик Д. Саймоне, долгие годы изучавший нрав этих соединений и заявивший, что у фторопластов «алмазное сердце и шкура носорога». Сюда бы еще следовало добавить, что шкура эта оказалась на удивление гидрофобной

А для проблемы пористых электродов важно еще и то, что в результате полимеризации газообразного тетрафторэтилена образуется белый кристаллический порошок − это и есть фторопласт.

Главное, что этот порошок, агломераты кристалликов Ф-4, порист внутри. А значит, и стенки этих пор чисто гидрофобны, без каких-либо гидрофильных примесей, И вход туда воде строго заказан. И тут уже не столь важно: каков угол несмачивания по абсолютной величине − велик или мал.

Если теперь, а это и делают, смешать порошок фторопласта с мелкими зернами катализатора, то в такой смеси будут гарантированные, как бы «встроенные» в пористый электрод каналы для подачи туда газа.

Ни с воском, ни с парафином, ни с каким-нибудь другим из прежних кандидатов в идеальные гидрофобизаторы по технологическим и иным причинам сделать это не удается. Поры с гидрофильно-гидрофобными стенками? Пожалуйста. А полностью гидрофобные? Да к тому же очень мелкие, что важно для получения еще больших токов, как утверждают расчеты теоретиков? Такого еще не было.

Вот так фторопласт-4 круто изменил судьбу топливных элементов. Электроды начали давать токи на порядок примерно выше, чем гидрофильные образцы бэконовского типа.

Эти меры и обусловили успех дела: топливные элементы стали конкурентоспособными, их используют теперь для различных (список этот все растет) нужд, не только для космических полетов. Так, благодаря пористым гидрофобизированным фторопластом электродам проблема топливного элемента была принципиально решена.