Меламиновые волокна

Перед вами — увеличенное изображение поперечного среза волокон синтетического материала Basofil®, который был запатентован в 1990-е годы химическим концерном BASF и используется с тех пор в качестве эффективного огнеупора. Из него изготавливают кресла для самолетов, пожарное оборудование, защитную одежду и автомобильную изоляцию. Basofil не только обладает низкой теплопроводностью, но еще и не сжимается под воздействием пламени и безопасен в использовании.

С химической точки зрения Basofil — это волокна, состоящие из сополимера молекул меламина (и его производных) с формальдегидом. Меламин является гетероциклическим соединением: это 1,3,5-триазин, замещенный тремя аминогруппами по положениям 2, 4 и 6. Эти аминогруппы легко вступают во взаимодействие с формальдегидом, и образовавшиеся гидроксиметилпроизводные полимеризуются, образуя сетку, состоящую из связанных между собой триазиновых колец, причем характер связи будет зависеть от условий синтеза — количества формальдегида и кислотности среды. Если берется небольшой избыток формальдегида и значение pH составляет 7–8, образуются метиленовые мостики (–CH₂–), а при большом избытке формальдегида и в щелочной среде (pH около 9) мостики будут преимущественно эфирной природы (–CH₂–O–CH₂–). Исходным веществом может служить не сам меламин, а его производные, замещенные по аминогруппам фрагментами спиртов и простых эфиров, — и это тоже будет влиять на строение полимера.

Структурные формулы меламина и фрагмента меламин-формальдегидной смолы. Рисунок из статьи A. Dorieh, et al., 2022. A review of recent progress in melamine-formaldehyde resin based nanocomposites as coating materials, с изменениями

Вне зависимости от нюансов строения, меламин-формальдегидные полимеры всегда представляют из себя систему связанных ароматических колец. Похожее строение встречается и среди других классов органических огнеупорных материалов: арамидов, полиимидов, полифениленсульфидов.

Общие структурные формулы других классов органических огнеупоров. Рисунок из статьи E. D. Weil, et al., 2008. Flame retardants in commercial use or development for textiles, с изменениями

Как такое строение обуславливает огнеупорные свойства? По сути, процесс горения заключается в последовательном разрушении химических связей в молекуле с высвобождением заключенной в них энергии. Прочные ароматические системы разрушить гораздо сложнее, чем одинарные связи (как, например, в молекулах полиэтилена), и это не способствует легкому протеканию горения. Фото ниже иллюстрирует, насколько более огнеустойчивыми являются меламиновый и пара-арамидный материалы, содержащие в структурах ароматические системы, по сравнению с полиэфирными и модакриловыми волокнами, имеющими иное строение.

Слева — горение образцов, выполненных из различных полимерных волокон. Справа — горение матраса с покрытием из меламинового материала Basofil. Фото из статьи A. C. Handermann, 2004. Flame resistant barriers for home furnishings

Меламин-формальдегидные полимеры используются не только в виде волокон. Если полимерную смолу нагревать в присутствии пенообразователя и отвердителя, получится меламиновая пена — материал, который был изобретен BASF еще раньше, чем Basofil. Структура пены представляет собой сетку, строение которой обуславливает два важных свойства этого материала. Во-первых, сетка состоит из глубоких ячеек, которые поглощают звуковые волны и не дают им рассеиваться дальше, — это делает меламиновую пену хорошим материалом для звукоизоляции. Во-вторых, на микроуровне сетка имеет жесткую структуру, обеспечивающую ее абразивные свойства. Именно благодаря этим свойствам с меламиновой пеной многие сталкивались в быту: она является материалом для тех самых «волшебных губок», способных оттереть всё или почти всё на свете.

Увеличенное изображение меламиновой пены, полученное с помощью электронного сканирующего микроскопа. Врезка показывает поперечный срез меламинового каркаса, длина масштабного отрезка — 1,5 мкм. Фото из статьи Y. Tang et al., 2018. Ultralight, highly flexible and conductive carbon foams for high performance electromagnetic shielding application

Бытующее мнение о вреде меламиновых губок вряд ли стоит рассматривать всерьез, но интересно задаться вопросом, откуда оно вообще взялось. Вероятно, репутацию «волшебных губок» испортил меламиновый скандал — события, происходившие в Китае в 2008 году. Тогда стало известно о большом числе случаев патологий почек и мочевыводящих путей у маленьких детей, включая младенцев, всего пострадавшими были признаны около 300 000 человек. Расследование показало, что причиной инцидента стало повышенное содержание меламина в молочных продуктах, прежде всего в детских молочных смесях. Молекулярная формула меламина — C₃H₆N₆, и массовая доля азота в этом веществе очень высока — 66,6%. Поэтому при добавлении меламина в какую-либо смесь элементный анализ покажет завышенное содержание азота — и это создаст впечатление, что белка в продукте якобы больше, чем есть на самом деле. Некоторые недобросовестные производители пользовались такой уловкой, в результате чего содержание меламина в ряде образцов молочных смесей, молока и йогуртов было завышено в десятки раз! Сам по себе меламин практически нетоксичен, однако при высокой концентрации он способен кристаллизоваться в почках, приводя к образованию камней. Важно отметить, что речь идет не о меламиновых полимерах, а непосредственно об индивидуальном веществе C₃H₆N₆.

Безопасность меламиновых полимеров в целом не вызывает сомнений, из них изготовляют даже посуду. Однако меламиновая посуда требует особого обращения: установлено, что нагревание и слабокислая среда могут приводить к высвобождению небольших количеств меламина и формальдегида. В этом случае опасность представляет не меламин, токсичность которого сопоставима с токсичностью поваренной соли, а формальдегид, который примерно так же токсичен, как цинковая соль синильной кислоты.

Фото из статьи A. C. Handermann, 2004. Flame resistant barriers for home furnishings.

Вера Мусияк