Полимеры и композиты на их основе появились в космосе буквально с первых дней его освоения человеком: например, скафандр, в котором летал Юрий Гагарин, содержал лавсан — полимер, из которого сегодня делают, в частности, пластиковые бутылки. В современных ракетах металлы постепенно уступают свое место композитам, в том числе полимерным.
Причина проста — уменьшение веса. Использование композитных материалов при производстве космической техники позволяет сэкономить от 5 до 30% веса летательного аппарата, что приводит к снижению стоимости полета. Наиболее используемые в космической отрасли композиты — это термопластики, стеклопластики, углепластики, боропластики, органопластики, порошковые полимеры и текстолиты.
Какой пластик отправляется в космос
Основной вопрос — где именно будет применяться тот или иной материал, и какие факторы внешней среды будут на него воздействовать. Основные требования к композитам в космосе — это устойчивость к криогенным температурам, отсутствие эмиссии газов и механическая прочность и гибкость.
Материал каптон стабилен в диапазоне температур от минус 273 до плюс 400 градусов по Цельсию и благодаря этому использовался в программе «Аполлон» в качестве теплоизоляции лунного модуля. Сегодня каптон применяют для изготовления внешних слоев скафандров, а с помощью каптоновой ленты космонавты устраняют мелкие повреждения обшивки космических кораблей. Из каптона сделан термозащитный экран телескопа «Джеймс Уэбб».
Значительно более серьезная угроза для полимеров в космосе — проникающая радиация и ультрафиолет. Вот как описывает воздействие радиации Максим Поздняков, ведущий специалист лаборатории синтеза полимеров НИОСТ:
«Потоки частиц — протонов и электронов, которые мы называем альфа- и бета-излучением, разрушают поверхность полимерных материалов разрушают кристаллическую решетку пластика, что приводит к помутнению прозрачных полимеров, а пенополиуретан, например, под действием этих типов излучения начинает крошиться. В случае же высокоэнергетического гамма-излучения все еще серьезнее: деструкция начнет протекать по всей глубине материала, в том числе окисляется весь „пакет“ добавок, которые всегда есть в полимерах. Окрашивание материала, снижение прозрачности и механических свойств — самое ожидаемое изменение полимеров в космосе».
Чтобы противостоять радиации, применяются аддитивы, то есть добавки, например, армирующие волокна. Подобные материалы демонстрируют значительную устойчивость не только к гамма-излучениям, но и к воздействию на них ультрафиолета.
В Томском университете систем управления и радиоэлектроники предложили защитить полипропилен от радиации с помощью наночастиц, однако эта технология весьма трудоемка, говорит Станислав Хвостов, менеджер группы переработки и развития продуктов СИБУР ПолиЛаба.
«Наноразмерные частицы самопроизвольно собираются в группы для компенсации своей высокой поверхностной энергии, поэтому добиваться их однородного распределения в материалах невероятно сложно. В ход идут ультразвук, обработка частиц поверхностно-активными веществами, длительное смешение на высокоскоростных смесителях, механохимическая обработка материалов, а также ряд других сложных приемов», — отмечает Станислав.
Его дополняет Александр Екимов, главный эксперт группы переработки и развития продуктов СИБУР ПолиЛаба: «Безусловно, использование специальных систем аддитивации и упомянутых наномодификаторов позволит значительно повысить ресурс полимера, однако в ряде случаев удорожание финального компаунда может не оправдать возможность замены высокотемпературных конструкционных термопластов».
Сейчас радиационно-стойкий пластик производят преимущественно путем изменения внутренней структуры.
«В них по-другому организована макромолекулярная цепь: если макромолекулярная цепь полиолефинов (полипропилен/полиэтилен) содержит атомы углерода в виде простых линейных цепочек, то у радиационно-стойких эти атомы углерода формируют циклические ансамбли, например, бензольных колец. Такие цепочки крайне устойчивы к окислительной активности активных радикалов, при этом такой полимер можно дополнительно стабилизировать „пакетом“ добавок. Однако зачастую такие полимеры высококристалличные и получить из них прозрачные изделия невозможно», — объясняет Максим Поздняков, ведущий специалист лаборатории синтеза полимеров в НИОСТе.
Космический пластик на Земле
А что с этого нам, ведь мы не в космосе? Космическая отрасль очень часто является испытательным полигоном, и технологии, вчера используемые за пределами атмосферы, сегодня довольно активно применяются на Земле во благо человека.
Например, радиационно-стойкие полиэфиркетокетон и полиэфирэфиркетон нашли вполне земные применения. Они широко используются в медицине, поскольку переносят стерилизацию рентгеновскими лучами после изготовления имплантата (покрытие зубного имплантата, вкладыш имплантата бедренной кости и т. д.). Подобные полимеры применяются как материал при изготовлении периферии ядерных реакторов — трубопроводов, элементов защитной футеровки активной зоны. В этих областях радиационно-стойкий пластик — материал практически безальтернативный.
Источник: СИБУР
Напоминаем, что с 28 по 30 марта 2023 года состоится выставка «Композит-Экспо 2023».
Подробнее о выставке читайте здесь
28 марта 2023 года в рамках выставки «Композит – Экспо 2023» пройдет круглый стол «Защита интеллектуальной собственности производителей композитных материалов».
Подробнее о тематике и спикерах круглого стола читайте здесь