Марк Медовник - Жидкости

Клейкая лента, предложенная Ричардом Дрю, — конечно, полезное изобретение, но не она стала той технической новинкой, которая привела к созданию современных авиалайнеров. Автором нужного нам изобретения стал другой американский химик по имени Лео Бакеланд, которому удалось изготовить одну из первых пластмасс. Она получалась при соединении двух жидкостей. Основой первой были фенолы, главные компоненты березового дегтя, а второй стал формальдегид — раствор, используемый для бальзамирования. Эти две жидкости реагируют друг с другом с образованием новой молекулы. У нее есть свободная связь, к которой могут присоединяться дополнительные фенолы, что, в свою очередь, формирует новые свободные связи для реакций с новыми фенолами, — и со временем вся жидкость (если смешать ее в верных пропорциях) оказывается химически связана и затвердевает. Иными словами, в результате реакции образуется единственная гигантская молекула, в которой все связи постоянны. Так что любой изготовленный вами объект будет твердым и прочным.

Бакеланд использовал свой новый пластик для создания множества вещей — например, телефонных аппаратов, которые как раз были недавно изобретены. Материал, разумеется, пришелся ко двору и принес Бакеланду состояние. Но кроме непосредственной пользы он оказал и другое влияние. Химики поняли, что фенол и формальдегид можно смешивать и применять в месте соединения двух предметов — и смесь, затвердев, их склеит. Это положило начало семейству новых клеев, которые получили название двухкомпонентных; они оказались прочнее всего, что удавалось придумать прежде.

Как из двух жидкостей, фенола и формальдегида, получается мощный клей

Чем шире использовались двухкомпонентные клеи, тем лучше мы понимали, насколько они полезны. Во-первых, составляющие такого клея — фенол и формальдегид — можно хранить в отдельных емкостях, где они будут оставаться жидкими до тех пор, пока не понадобятся. К тому же химический состав компонентов можно менять при помощи добавок, улучшая или ухудшая такие свойства клея, как способность к смачиванию и адгезия к различным материалам, например металлам или дереву.

Новый тип клея сильно повлиял на инженерный мир. Конструкторы вспомнили о фанере, которую первыми научились делать еще древние египтяне. Если изготовить ее с применением двухкомпонентного состава, разработанного специально для идеальной сцепляемости с деревом, то выйдет материал, не ограниченный малой прочностью костного клея и не чувствительный к воде. Но чтобы такая фанера нашла широкое применение, нужна была еще и серьезная рыночная потребность в ней. И она появилась в авиапромышленности — новом, возникшем практически в то же время типе производства. В начале XX в. большинство самолетов делали из дерева, но из-за его текстуры детали часто трескались. Фанера стала идеальным решением: ее можно было гнуть, придавая корпусу аэродинамическую форму, а благодаря новым двухкомпонентным клеям она была надежна и устойчива.

Самым знаменитым из когда-либо существовавших фанерных самолетов стал бомбардировщик de Havilland Mosquito. Когда во время Второй мировой войны он поступил на вооружение, это был самый быстрый самолет в небе. Его даже не вооружали защитными пулеметами, поскольку он способен был обогнать любой другой самолет. Он и до сего дня остается, возможно, самым красивым изделием из фанеры в истории. Его элегантность объясняется способностью фанеры принимать сложную форму в процессе застывания клея. Именно этому свойству она была обязана своей популярностью у конструкторов, длившейся несколько десятков лет.

Фанерный бомбардировщик de Havilland Mosquito

После войны фанера продолжила триумфальное шествие и произвела революцию еще в одной области — на этот раз в производстве мебели. Два самых изобретательных дизайнера того времени, Чарльз и Рэй Имз, использовали ее, чтобы переосмыслить деревянную мебель. Их конструкции, в первую очередь то, что мы сегодня называем стульями Eames, стали классикой. Их делают и подражают им до сих пор: зайдите в любое кафе или в любой класс, и вы, скорее всего, увидите какую-нибудь вариацию на тему этих стульев. Модные течения в мебели приходят и уходят, но фанера сохраняет свою привлекательность.

Фанерный стул, сконструированный Чарльзом и Рэй Имз. © Steven Depolo

Но если мебель из фанеры прошла проверку временем, то в аэронавтике конструкторской мысли пришлось двинуться дальше. После войны основными материалами в самолетостроении стали различные алюминиевые сплавы — не потому, что при том же весе они обладают большей прочностью или хотя бы большей жесткостью. Нет, алюминий победил потому, что его можно надежнее производить, герметизировать и сертифицировать, особенно с учетом того, что самолеты становились всё крупнее и летали всё выше. Очень трудно добиться того, чтобы фанера не впитывала воду или не высыхала. Фанерный самолет, который проводит значительную часть времени в сухих странах, со временем обязательно придет в негодность; его фанера ссохнется, возникнут дополнительные нагрузки на клееные сочленения. А в случае эксплуатации при повышенной влажности фанера разбухнет (или даже сгниет), что опять же поставит под угрозу безопасность самолета.

Алюминий не имеет таких недостатков; к тому же он невероятно стоек к коррозии и потому стал основой конструкции всех самолетов на следующие полвека. Но и он не идеален — не обладает ни достаточной жесткостью, ни достаточной прочностью для создания по-настоящему легких, эффективных по топливу самолетов. Так что даже в тот момент, когда производство алюминиевых самолетов было на пике, целое поколение инженеров чесало головы в поисках материала, идеального для самолетной обшивки. «Может быть, это какой-нибудь другой металл? — гадали они. — Или что-то совсем другое?» Углеродное волокно выглядело перспективно, поскольку при том же весе оно в десять раз жестче, чем сталь, алюминий или фанера. Но это текстиль, а в то время никто не мог сделать самолетное крыло из ткани.

Ответом стал эпоксидный клей. Такие компаунды — еще один вид двухкомпонентных адгезивных составов, но в их основе всегда лежит единственная молекула из категории так называемых эпоксидов.

В центре молекулы эпоксида есть кольцо, в котором два атома углерода соединены с одним атомом кислорода. Если разрушить эти связи, кольцо раскроется и эпоксид сможет реагировать с другими молекулами, образуя прочное твердое покрытие. Реакция затвердевания не начнется, пока кольцо не будет раскрыто путем разрывания связей «углерод — кислород»; для этого, как правило, в эпоксидную смолу добавляют отвердитель.

Отвердитель раскрывает кольцо молекулы эпоксида, позволяя ей образовать полимерный клей