Разработчики из Томского политехнического университета Алексей Ляпков и Юрий Донцов
– Вот наш материал с добавлением нанотрубок, а вот с армированной основой из углеткани, – показывает полимерные пластины аспирант Томского политехнического университета Юрий Донцов. – А этот образец без добавок недавно испытали в термокамере и выяснили, что при –30 °С прочность материала в среднем увеличивается в 1,5 раза.
Кого не знает Google
На столе перед ним полимер, который в общем-то еще никто в мире, кроме узкого круга специалистов, не держал в руках. Томские химики готовы предложить рынку новый материал, который не только прекрасно себя чувствует при экстремально низких температурах, но еще и «не стареет» от воздействия ультрафиолета и кислорода, а при введении наноструктурированных добавок и армировании обретает дополнительные свойства.
– Мы его называем «сшитый полидиметилэндикат», – говорит Юрий Донцов. Но если вбить это слово в Google или «Яндекс», то ничего не найдешь. – Это понятно, – не удивляется он. – По нему есть лишь несколько успешных диссертаций у наших политехников. Видимо, Google о них еще не знает. Работа над новым полимером велась на двух площадках: в НИОСТе (R&D-центр компании «СИБУР») и международной научно-образовательной лаборатории «Термореактивные полимеры». Ее создание – совместный проект СИБУРа и Томского политехнического университета. Лабораторию возглавляет ученый с мировым именем – доктор наук, профессор Гентского университета (Бельгия) Френсис Верпоорт.
Новый полимер может помочь снизить вес тары, что также важно для северных проектов
Новый полимер производится из базового мономера – дициклопентадиена, который, в свою очередь, извлекается из побочной продукции пиролиза нефтехимического сырья.
– Это квалифицированное использование отходов, – говорит куратор разработки кандидат химических наук Алексей Ляпков. – В нашем случае из жидких продуктов пиролиза выделяется индивидуальный мономер, на основе которого и создаются новые полимеры. В России этого практически никто не делает, побочные продукты используют преимущественно для производства нефтеполимерных смол, и вся линейка мономеров, которая там содержится, полимеризуется в общей массе. В итоге получают лакокрасочные материалы, а чаще – добавки к битумам. Но это, по сути, укрывание такого типа отходов в дорожное полотно, тогда как из них можно извлекать индивидуальные элементы и использовать для производства более сложных изделий.
Кувалдой его
Сфера применения – карьерные самосвалы и другие спецсредства, работающие в экстремальных условиях
Насколько сложных – можно понять из видеоролика, который Алексей Ляпков демонстрирует на своем компьютере. Ролик длится 12 минут – ровно столько заняли подготовка оборудования и производство капота для автомобиля из полидициклопентадиена (ПДЦПД), материала, близкого по свойствам «томскому» полимеру и послужившего отправной точкой при его создании.
Небольшая производственная установка европейского завода Telen. Под негромкую музыку рабочий выдает автомату задание. Пресс-форма смыкается, в нее подается густая темная масса – смесь мономера с катализатором. В течение нескольких минут идет полимеризация. Остается только вынуть изделие и убрать облой (излишки материала, остающиеся на детали). Получается капот. Вещь, если она изготовлена из традиционных для автопрома материалов, довольно уязвимая: может помяться от упавшей ветки или чьей-то хулиганской выходки.
Но то, что происходит в кадре дальше, разрушает шаблоны: человек берет в руки кувалду и роняет ее в ударе на блестящую поверхность капота. Кувалда отскакивает, не оставив следов. Улыбка в камеру. Изделия из ПДЦПД и композиции на его основе получаются не только ударопрочные, они еще не проводят электричество и активно применяются в автомобильной, трубной и строительной отраслях.
– Мы с ПДЦПД начинали, – говорит Алексей Ляпков, – и сейчас делаем и изучаем композиты на его базе. Но есть у него слабое место: ПДЦПД довольно быстро окисляется. И без специальных добавок под воздействием кислорода и солнечных лучей вот эти связи (он наскоро рисует молекулярную схему на лабораторном столе) рушатся, изделие трескается и становится желтым. Мы его модифицировали, добавив в мономер кислородные звенья. Провели полимеризацию и выяснили, что от проблемы старения удалось уйти.
Работы по созданию полимера ведутся с «прицелом» на Арктические проекты
Алексей Ляпков говорит о работе своей лаборатории в течение последних пяти-шести лет. Если совсем коротко, томские химики применили в своих решениях реакцию метатезиса. Она, по мнению экспертов, отменяет границы в органической химии и позволяет так же легко обращаться с химическими связями, как если бы они были нарисованы на бумаге.
На определенном этапе томские разработчики пришли к еще одному решению: стали добавлять в видоизмененный мономер сшивающие агенты – вещества, которые помогают создать именно сетчатую, а не линейную молекулярную структуру материала в процессе полимеризации. Понятно, что любая ткань прочнее отдельных ниток, из которых она состоит. Вот такая «сшивка» отдельных молекулярных цепочек в пространственную сетку и происходит. И теперь речь идет именно о сшитом полидиметилэндикате, «о котором еще не знает Google». После серии успешных испытаний можно говорить, что в Томске получили конструкционный материал нового направления.
Готовь сани
Этот полимер еще никто в мире, кроме узкого круга специалистов, не держал в руках
– По своим свойствам он не уступает ПДЦПД и в то же время оптически более стойкий. Вот эти образцы у нас пролежали в камере светового старения 30 дней, а это сопоставимо с эксплуатацией в обычных условиях в течение нескольких лет. Свойства материала практически не изменились. А при испытании нового полимера при температуре –30 °С оказалось, что его прочность даже в 1,2–1,5 раза выше той, что материал проявляет при комнатной температуре. То же можно сказать, сравнивая прочность нового материала на морозе с ПДЦПД, – продолжает Алексей Ляпков.
Новый полимер технологичен и имеет почти неограниченный потенциал при производстве пластиковых изделий способом, аналогичным тому, что продемонстрировал в видеоролике улыбчивый европеец. Сделать можно все – от малогабаритных деталей до объемных корпусных элементов. Правда, на вопрос о массовом производстве Алексей иронично улыбается.
– Сложно переломить идеологию современных производителей бытовой техники, легковых автомобилей, – говорит он. – Представьте бампер, с которым ничего не происходит, даже если вы основательно задели его о бордюр. Его же менять не нужно! Возможно, я преувеличиваю, но мало какой производитель массовых авто пойдет на это. Наш полимер мы позиционируем для другого класса техники. Это карьерные самосвалы, другие спецсредства с потенциально большим сроком эксплуатации, которые работают в экстремальных условиях, когда заменить деталь, провести качественный ремонт проблематично.
К томским химикам этим летом обратились производители дорожных ограждений из Кемерова. Одна из их топовых позиций – пластиковые разграничители, которые устанавливают на дороге во время ее ремонта. Ожидания кемеровчан связаны с тем, что дорожные блоки, если их изготовить из нового полимера, отлично выдержат сибирские морозы и не потрескаются. Кстати, температура стеклования для нового материала, когда он становится хрупким, лежит в границе +140 °С, а мороз для него – нормальная среда, в которой полимер чувствует себя комфортно. Дополнительные возможности, связанные с применением сшитого полидиметилэндиката, увидели для себя и производители оборотной тары.
При –30 °С прочность материала в среднем увеличивается в 1,5 раза
– Мы ищем решение для снижения веса пластиковой тары без потери ее прочности, – говорит Вячеслав Сельсков, директор по маркетингу и продажам нижнекамской компании iPlast. – Обратились к томским разработчикам с запросом относительно применения нового материала. Если удастся снизить вес тары хотя бы на 10, то наши клиенты смогут дополнительно перевозить полезного груза в фуре на 500–600 кг больше.
Пена из полимера
Мороз для этого полимера – нормальная среда, в которой он чувствует себя комфортно
Материал может найти применение и в Арктическом проекте, над которым также работает команда ученых Томского политеха. В Международном арктическом научном сибирском центре, созданном на его базе, занимаются проблемами разработки шельфа. В лабораториях университета проектируют глубоководные аппараты, часть конструкций химики предлагают делать из нового полимера.
А сочетание таких его свойств, как прозрачность, светостойкость и прочность, заинтересовало производителей комплектующих для военной техники. Новый полимер они видят в качестве материала для колб светодиодных ламп на панелях управления.
Навигационный буй в Арктике из вспененного полимера? Пока сложно себе представить такое решение в силу его ненадежности в экстремальных условиях. Но если его сделать из материала, который стоек к ультрафиолету и отлично переносит низкие температуры, то можно говорить о новом тренде в области вспененных материалов.
Над тем, как «вспенить» полидиметилэндикат, один из участников проекта Петр Хахулин поработает в ближайшее время совместно с австрийскими учеными в Венском университете. Дополнительные возможности для своего материала томские ученые видят в совмещении интересов производственных компаний и наукоемкой поддержки новых индустриальных решений.
– Мы в этой истории предлагаем базовую технологию, которую производственники могут взять на вооружение для решения своих уникальных задач, не говоря уже о том, что данная разработка позволяет формировать образовательную научную среду для индустрии конструкционных материалов в России, – добавляет Алексей Ляпков.
Есть важный нюанс технологии, которую применили в Томске при полимеризации хорошо известного миру полидициклопентадиена, а также нового полимера – сшитого полидиметилэндиката. В обоих случаях томские химики используют в работе рутениевый катализатор. По сравнению с другими вариантами он менее чувствителен ко всяким добавкам, позволяет проводить полимеризацию в воде и открывает новые возможности по управлению как самой реакцией, так и свойствами производимых полимеров.
– К сожалению, в России синтезом такого катализатора практически никто не занимается, это вопрос будущего. Сейчас на кафедре мы развиваем компетенции по новым каталитическим системам, идет совместная работа с экспертом международного уровня Френсисом Верпоортом. Уже есть группа молодых ученых, которые занимаются синтезом универсальных катализаторов органического синтеза. По сути, это современный тренд в органической технологии, – говорит доктор химических наук, заведующий кафедрой технологии органических веществ и полимерных материалов Томского политехнического университета Мехман Юсубов.
Екатерина Козлова
