Потребление полимерных материалов стабильно увеличивается во всем мире, причем темпом, примерно вдвое опережающим рост мировой экономики. Однако эта тенденция носит устойчивый характер не только потому, что пластики сами по себе обладают привлекательными свойствами, но и потому, что они могут удачно дополнить традиционные материалы. И, вероятнее всего, число таких решений с течением времени будет только расти.
Черное крыло
Летом 2016 года корпорация «Иркут» провела выкатку (то есть первую публичную презентацию) нового российского среднемагистрального лайнера МС-21. Аналогов этому событию не было со времен СССР, ведь уже покоряющий небо SSJ 100 – это самолет иного класса. Он предназначен для региональных перевозок, тогда как МС-21 может преодолевать до 6 тыс. км без дозаправки.
МС-21 – первый гражданский самолет России, на треть сделанный из композитов
Этот лайнер, как ожидается, станет конкурентом самых распространенных сегодня в мире самолетов – американского Boeing 737 и европейского Airbus 320/321. Но выполнение амбициозных планов зависит от того, смогут ли отечественные предприятия наладить серийный выпуск деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ). Ведь МС-21 – первый гражданский самолет России, на треть выполненный из них.
«Изначально композиты использовались в самой передовой – космической отрасли. Именно в ракетах инженерам удалось добиться наилучших результатов их применения, которые в первую очередь заключались в снижении веса конструкции», – говорит Леонид Фирсов, руководитель лаборатории «Конструкции из композиционных материалов» Московского авиационного института. Также в числе достоинств ПКМ можно выделить устойчивость к коррозии и распространению повреждений. Вслед за космонавтикой композитная революция началась в авиастроении. Вначале она затронула военные программы, а теперь и гражданские. Однако до МС-21 в мире было всего три «композитных» самолета – Boeing B787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries.
В основном используется углепластик – ткань из карбоновых нитей, расположенная в полимерной смоле. «Одной из главных особенностей всех волокнистых композитов является увеличение прочности изделия при уменьшении диаметра сечения составляющих его волокон. Связано это с тем, что при снижении физического размера материала уменьшается и вероятность возникновения в нем каких-либо дефектов. В современных композитах удается достигнуть диаметра волокна в 6–7 микрон. Но сами по себе углеродные волокна не могут нести высокой нагрузки – для этого их необходимо скрепить материалом, позволяющим работать совместно составляющим конструкции. В качестве такого материала (или, согласно нашей терминологии, матрицы) мы используем эпоксидные составы», – говорит Леонид Фирсов.
Леонид Фирсов,
руководитель лаборатории «Конструкции из композиционных материалов» Московского авиационного института:
«Благодаря применению ПКМ удалось почти вдвое увеличить межосмотровый интервал многих элементов самолета и избавить их от коррозии, что значительно удешевило эксплуатацию. Интересной особенностью авиационных композиционных деталей является то, что их изготавливают по принципу нераспространения повреждений. Если решение о необходимости ремонта металлической детали принимается исходя из предсказуемой скорости развития обнаруженных трещин, то в композитах сама возможность разрушения из-за постепенного усугубления полученных дефектов исключается на этапе производства».
Помимо связующего, при производстве углепластика применяется и другой важнейший нефтехимический компонент – так называемый пан-прекурсор, из предельного состава которого выделяется базовая белая нить. «Ее карбонизируют, получая на выходе уже готовое углеродное волокно, которое наматывается на бобину и в таком виде хранится. После того как углеволокно в целях улучшения его адгезии с матрицей покрывают специальным аппретирующим составом, происходит его пропитка смесью эпоксидной смолы с различными добавками (пластификаторами и модификаторами) и формование», – рассказывает эксперт.
До МС-21 в мире было всего три «композитных» самолета – Boeing B787 Dreamliner, Airbus A350 XWB и Bombardier CSeries
Обычно композитные детали в авиации производят методом автоклавного формования. Для этого берут так называемые препреги (от англ. pre-impregnated) – полуфабрикаты, предварительно уже насыщенные смолой. Здесь главная проблема – бережное обращение с сырьем (препреги хранят, к примеру, только в морозильниках) и, как следствие, высокая стоимость процесса. Альтернативным вариантом является вакуумная инфузия. Форма детали выстилается карбоновой тканью и покрывается герметичной пленкой. Затем происходит насыщение поверхности горячей полиэфирной смолой.
Сухое карбоновое волокно хранится намного проще препрега. Кроме того, эта технология дает возможность создавать большие интегральные конструкции, которые работают как единое целое. Сам метод вакуумной инфузии известен уже достаточно давно, но такое крупное и сложное изделие, как крыло самолета, по этой технологии еще никто не делал. Ульяновский завод «Аэрокомпозит» специально для МС-21 первым осваивает эту технологию.
Спрятаться от противника
Впрочем, авиастроение не единственная отрасль, активно осваивающая ПКМ. В декабре в состав Балтийского флота ВМФ России вошел новый тральщик «Александр Обухов». Его миссия – искать и уничтожать мины, в том числе оставшиеся со времен войн XX века. Вроде бы рядовое событие, но флот его ждал давно. Дело в том, что «Александр Обухов» – первый российский корабль с корпусом, полностью выполненным из стеклопластика.
Проработка таких проектов началась в середине XX века, рассказывает Игорь Солдатов, заместитель технического директора Средне-Невского судостроительного завода (СНСЗ, именно здесь был построен «Александр Обухов»). Причин тому несколько: стеклопластиковые материалы весят меньше стали, не боятся коррозии, а также не проводят электрический ток, что снижает заметность судов для радаров противника.
Игорь Солдатов,
заместитель технического директора Средне-Невского судостроительного завода
«Если сравнить композитные и металлические детали, используемые в современном судостроении, то самым разительным их отличием выступит практически двукратное превосходство первых по весу (они легче) при равных физико-механических свойствах. Это открыло возможность снижения массы кораблей без изменения их первоначальных габаритов, что позволяет увеличить грузоподъемность. Кроме того, использование композитов положительно влияет на общий срок службы кораблей, поскольку эффект усталости данных материалов значительно менее выражен, чем это характерно для металлических деталей. Основным недостатком судовых стеклопластиковых деталей можно назвать их более высокую цену, но в большинстве случаев она оправдывается последующей экономической выгодой при эксплуатации и техническом обслуживании кораблей уже на 3–5-й год использования».
Первый корабль с деталями из стеклопластика начали строить в 1963 году (это также был тральщик). Отсутствие опыта потребовало выполнения большого объема НИОКР. Корпус, разделенный на 10 отсеков, набирался по продольной системе и формовался вручную. С тех пор заводом реализовано уже большое число успешных проектов по строительству кораблей с применением стеклопластика. Однако «Александр Обухов» – первый корабль с монолитным корпусом, отлитым из этого материала. По своим размерам он не имеет аналогов ни в России, ни в мире – длина 61 м, ширина 10 м. Корпус изготовлен методом вакуумной инфузии, как и в случае с деталями для МС-21. Разница лишь в исходном сырье.
Стеклопластиковые детали кораблей окупаются уже на 3–5-й год
Эксперты говорят, что за такими кораблями будущее. Как заявил на торжественной церемонии подъема флага на тральщике «Александр Обухов» главнокомандующий ВМФ адмирал Владимир Королев, запланировано строительство более 40 кораблей проекта 12700 «Александрит», к которому принадлежит «Александр Обухов». Спуск на воду восьми из них состоится до 2021 года.
Защититься от жары и холода
Еще относительно недавно спецобувь делалась из двух основных видов материалов – кожи и резины. Сегодня палитра богаче, добавились, к примеру, поливинилхлорид, полиуретан и термопластичный полиуретан.
Современные материалы позволяют делать спецобувь, выдерживающую любой, даже аномальный, мороз
Наибольшая сложность – защита ноги от возможного удара и изготовление подошвы, которая не скользит, а также может выдержать соприкосновение с сильно охлажденной или, напротив, нагретой поверхностью. В первом случае делают защитный подносок. Причем если раньше здесь использовались только металлы, то теперь применяются композиты. Во втором помогают только синтетические материалы.
«Наша обувь изготавливается литьевым методом крепления подошвы из полиуретана и термопластичного полиуретана или из полиуретана и резины. Сам по себе этот метод в обувной промышленности используется давно. Однако технология применения для литья подошвы вспененного полиуретана для промежуточного слоя и ходового слоя из термопластичного полиуретана (ТПУ) появилась относительно недавно», – говорит Андрей Костин, руководитель отдела разработки и производства обуви «Фирмы «Техноавиа». Подошва из ТПУ обладает стойкостью к химическим факторам (розливам нефти, нефтепродуктов, растворам кислот и щелочей) и обеспечивает сцепляемость с различными поверхностями.
Совершенно новой является технология литья подошвы из вспененного полиуретана (для промежуточного слоя) и резины (для ходового слоя). Такая подошва обладает хорошей стойкостью к химическим факторам и отличными износостойкими свойствами, а также защищает от кратковременного (до 60 секунд) контакта с нагретой поверхностью до +300 °С, является морозостойкой до –45 °С и обеспечивает улучшенную сцепляемость с различными поверхностями.
Андрей Костин,
руководитель отдела разработки и производства обуви
«Фирмы «Техноавиа»
«Наша компания занимается производством спецодежды и спецобуви. Для нас полимеры незаменимы. Мы активно сотрудничаем с производителями химических компонентов, применяемых при изготовлении обуви, в плане улучшения защиты, снижения массы, обеспечения максимальной сцепляемости с обледенелыми, мокрыми и зажиренными поверхностями».
Укрыться от непогоды
На заре автомобилестроения не существовало множества вещей, привычных сегодня. И речь вовсе не о продвинутых климатических системах и навигаторах, а простейших приспособлениях, к примеру стеклоочистителях. Первым автолюбителям приходилось либо пережидать непогоду, либо протирать стекла тряпкой. Впрочем, не зря говорят, что история развивается по спирали, – возможно, не за горами тот день, когда о «дворниках» вновь все забудут.
Мария Чижменко,
замгендиректора по химическому развитию (начальник лаборатории) компании «Астрохим»
«Полимерные компоненты позволяют производить огромное число разных вещей. К примеру, антидождь и антизапотеватель стекол, представленные в нашем ассортименте, являются продуктами, совершенно противоположными по своему физико-химическому воздействию. Если антидождь создает на поверхности автомобиля гидрофобную пленку (отталкивает влагу), то антизапотеватель обеспечивает обратный гидрофильный эффект (концентрирует воду). Как правило, для того чтобы создать антидождь, производители используют особые аминофункциональные силиконы, которые одним концом своей молекулы закрепляются на поверхности, в то время как второй обеспечивает гидрофобные свойства. Действующим веществом в антизапотевателях также являются модифицированные силиконы, только на внешнем конце их молекулы находится уже не аминогруппа, а гидрофильная полиэфирная группа, обладающая эффектом впитывания воды. Чем больше данное вещество способно принять в себя влаги, тем лучше оно работает на поверхности, сохраняя прозрачность стекол».
«Полимерные компоненты позволяют нам производить огромное число разных вещей. Один из наших продуктов – антидождь, создающий на поверхности гидрофобную пленку, которая отталкивает влагу», – говорит Мария Чижменко, замгендиректора по химическому развитию компании «Астрохим». Состав антидождя тонким слоем ложится на стекло, образуя полностью прозрачное покрытие. Эта пленка значительно снижает сцепление водяных капель и грязи с поверхностью, и стекло чистится самостоятельно. Эффект хорошо заметен при движении со скоростью от 40 км/ч.
Как правило, чтобы создать антидождь, производители используют особые аминофункциональные силиконы, которые одним концом своей молекулы закрепляются на поверхности, в то время как второй обеспечивает гидрофобные свойства. Именно благодаря таким веществам антидождь способен длительное время оставаться на автомобиле, сохраняя его опрятный внешний вид. Также в рецептуру могут вводиться спирты – тогда жидкость не замерзает и препятствует образованию на стеклах и фарах трудноудаляемой ледяной корки.
Единственный недостаток антидождя состоит в том, что он может смываться спиртовыми составами, поэтому его надо обновлять после использования стеклоочистителя. Однако производители постоянно работают над решением этой проблемы, экспериментируя с более устойчивыми составами. Поэтому вероятность того, что стекло обретет новые свойства, позволяющие полностью избавиться от «дворников», все же достаточно велика.
Заглянуть за горизонт
Трубы с полимерным покрытием помогают сократить затраты на прокачку жидкостей и защищают металл от коррозии
Российские компании научились делать стальные трубы для предприятий нефтегазового сектора, не просто не отличающиеся, а иногда даже превосходящие западные аналоги.
Еще недавно эта продукция поставлялась из-за рубежа, сегодня ее импорт практически равен нулю, а отечественные производители продвигаются за рубеж и уже работают на рынках свыше 80 стран мира.
При этом все чаще ими пробуются инновационные решения, позволяющие радикально повысить потребительские качества продукции. Одно из них – защита металла полимерными композициями. Так, в 2013 году Трубная металлургическая компания (ТМК) освоила выпуск труб с бессмазочным покрытием GreenWell. Эта продукция поставляется крупнейшим российским компаниям, таким как Роснефть, «Газпром нефть», НОВАТЭК и др.
В конце прошлого года ТМК впервые поставила трубы с полимерным покрытием для использования в морской скважине – на нефтегазоконденсатном месторождении им. Ю. Корчагина в Каспийском море, которое разрабатывает ЛУКОЙЛ. По данным, которые приводит ТМК, применение внутренних покрытий на трубных изделиях позволяет уменьшить потери на трение вплоть до 50% при транспортировке жидкостей, что, соответственно, приводит к увеличению прибыли и позволяет компенсировать затраты на нанесение покрытия. Это наглядный пример межотраслевой кооперации, значение которой с течением времени только усиливается.
Игорь Кучеров,
главный технолог компании «Новбытхим»
«Если бы я попытался рассказать в полной мере о применении нефтехимических компонентов в нашей отрасли, то получилась бы книга объемом примерно в тысячу страниц. Любой современный лакокрасочный материал является сложной композицией, состоящей из большого количества химических компонентов. Полимеры, как правило, выступают в качестве связующих веществ, задача которых состоит в формировании защитного покрытия с необходимыми физико-химическими и механическими свойствами. Если бы в нашем распоряжении не было полимеров, то пигменты, которые мы используем, просто не смогли бы удержаться на окрашиваемой поверхности и слетели с нее, как пыль. Пожалуй, самым «продвинутым» на сегодня видом покрытий являются те, которые наносятся посредством так называемого катафореза (с помощью электрического поля). Кстати, на этом же методе основано получение бесшовных клеевых соединений, которые внедряются в медицине. Можно сказать, что ускоренное развитие современной электрохимии создает элементы следующего технологического уклада, который позволит нам выйти на качественно новый уровень покрытий и клеевых соединений».
Александр Буланов
