Как известно, полимеры представляют собой сложные химические образования, состоящие из «мономерных» звеньев, соединенных в цепочки. Причем каждая молекула полимера может иметь сотни тысяч или миллионы таких звеньев. Этим и обуславливается их главное отличие: если простые химические соединения отличаются стабильностью, спирт всегда остается спиртом, кислота – кислотой, то полимеры, в зависимости от длины молекулярной цепочки, наличия в ней дополнительных групп, могут радикально менять свои физические и химические свойства. Не удивительно, что в производстве многих полимеров задействованы катализаторы. Управляя с их помощью химическими реакциями, удается получить «на выходе» полимер с заданными характеристиками. Созданием таких катализаторов занимаются, в частности, в Институте катализа СО РАН.
– Для начала надо понять – как работает катализатор, как он меняет структуру полимера и каким образом этим можно управлять, – рассказывает о своей работе руководитель лаборатории ИК СО РАН, д.х.н. Владимир Александрович Захаров. – Это научная работа в чистом виде. А следом уже идет создание специальных катализаторов для решения конкретных задач химической промышленности. То есть – прикладные исследования. Это две нераздельные части одного процесса, позволяющего создавать новые материалы.
Правда, иногда, отмечает ученый, само название такого материала может быть достаточно привычным.
Взять, к примеру, полиэтилен. Сегодня под этой маркой выпускают сотни материалов, которые зачастую принципиально отличаются друг от друга. Полиэтиленовые пакетики знают все – это самый распространенный вид упаковки. Несколько меньше известны у нас полиэтиленовые трубы, способные работать под давлением. А вот на Западе они массово используются в водопроводных и отопительных системах.
Еще из полиэтилена делают тару (ящики), средства электрической и теплоизоляции, корпуса для лодок и многое другое. А еще есть сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ), технологию производства которого и создавали с помощью новосибирских ученых.
– В самом названии этого материала заключены его особенности, - объясняет Владимир Александрович. – Он имеет намного большую молекулярную массу (то есть, размер молекулярной цепи). Если молекула обычного полиэтилена содержит от 3000 до 20000 звеньев, то у СВМПЭ их более 50000. Благодаря чему, этот полимер становится ударопрочным, стойким к абразивному воздействию и химической коррозии. И в то же время, он имеет очень низкий коэффициент трения, его поверхность очень скользкая.
Одними из первых, кстати, эти качества нового материала оценили производители пластиковых лыж. Также материал оказался востребован в горнорудной промышленности, его применяют как покрытие ковшей экскаваторов и кузовов самосвалов, в железнодорожном транспорте. Но поначалу широкого распространения в нашей стране этот материал не получил.
– Производство изделий из СВМПЭ состоит из двух стадий: сначала с помощью катализаторов получают исходное сырье – порошок, который затем уже перерабатывается в различные изделия, – продолжает рассказ Захаров. – Проблемой, с которой столкнулись первые производства, еще в конце прошлого века, было качество существовавших в то время (1980-1990 гг.) катализаторов. Они были недостаточно эффективными. В результате, технология получения порошка получалась, а свойства полимера не обеспечивали нужных требований. Но по мере развития техники – ситуация менялась: росла потребность в такого рода материале. Поэтому спустя некоторое время на Западе были созданы катализаторы нового типа. Схожую работу вел и наш Институт. И мы с этой задачей справились.
Владимир Захаров вместе с коллегами вел работу сразу по нескольким направлениям. Во-первых, повысили активность: если с помощью одного килограмма старого катализатора можно было получить полтонны СВМПЭ, то такого же количества нового хватит на 15-20 тонн.
Повышение активности привело к упрощению технологии и обеспечило получение высокочистого полимера. Во-вторых, улучшили физическую структуру катализатора, что позволило контролировать структуру частиц порошка полимера и значительно упростило технологию его переработки. С использованием новых катализаторов был разработан метод получения специальной марки порошка СВМПЭ, из которого можно получать сверхвысокопрочное волокно, которое по своим свойствам превосходит все известные синтетические полимерные волокна.
Это открыло перед полимером новые области применения. Например, в производстве элементов бронезащиты солдат и боевой техники. Как известно, современная броня имеет композитную структуру и состоит сразу из нескольких принципиально новых материалов. Два из них – нанокерамика и сверхвысокопрочный полиэтилен – созданы учеными новосибирского Академгородка. Причем, последний оказался не только прочнее и легче кевлара, но еще и обходится намного дешевле и к тому же (опять-таки в отличие от кевлара) совсем не боится влаги. К тому же, уникальные свойства материала делают его привлекательным для многих производств техники гражданского назначения.
На сегодня весь лабораторный цикл работ завершен, более того, на Томском химкомбинате было создано опытное производство, изготовлены пробные партии СВМПЭ разных марок – для производства волокна, листов и т.п. Дальнейшей переработкой полученного порошка в готовые изделия занимаются уже другие организации. Например, процесс получения сверхвысокопрочного волокна, необходимого для изготовления современной брони, отрабатывают в Институте синтетических волокон (г. Тверь). А технику производства листов и пластин разработали в Институте химии и химической технологии СО РАН (г. Красноярск). Красноярцы даже построили опытно-промышленный участок. И теперь очень нуждаются в новых катализаторах.
Но решить научную задачу – создать новый уникальный материал – оказалось проще, чем экономическую.
– Основная проблема сегодня в том, что не решен вопрос о постоянном промышленном производстве порошка для получения СВМПЭ, – заметил В.А. Захаров. – Для этого необходимо найти источник финансирования и место для организации самого производства с необходимой инфраструктурой. Оптимальный вариант – на базе существующего нефтехимического производства, связанного с переработкой этилена. Это, конечно, ограничивает круг потенциальных инвесторов. Но рынку уже сейчас нужен этот полимер, материалы и изделия из него, и потребность эта будет только возрастать. К настоящему времени все этапы по отработке технологии получения СВМПЭ завершены, и мы надеемся, что проблема создания промышленного производства СВМПЭ в нашей стране будет решена.
Георгий Батухтин
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии