Как белорусским ученым удалось создать уникальные композиты

Технология создания принципиально новых типов многофункциональных материалов вошла в  «Топ-10» результатов деятельности ученых Национальной академии наук Беларуси за 2018 год в области фундаментальных и прикладных исследований.

Авторы разработки — ученые Института механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси (ИММС НАН Беларуси) член-корреспондент НАН Беларуси, профессор, д.т.н., заведующий отделом «Технология полимерных композитов» ИММС НАН Беларуси Степан ПЕСЕЦКИЙ и заведующий сектором «Реакционная экструзия» ИММС НАН Беларуси, к.т.н., доцент Юрий КРИВОГУЗ.

Ученые награждены за обнаружение эффекта аномального повышения (более чем на два порядка) вязкости расплава смесей алифатических полиамидов с полимерами олефинов, обеспечившего получение принципиально новых типов многофункциональных полиамидных материалов, в том числе суперударопрочных.

Как отметили разработчики в беседе с корреспондентом журнала, сегодня увеличивается интерес к исследованиям полимерных смесей как в академической, так и прикладной науке. Дело в том, что рынок спроса полимерных материалов стран СНГ растет из года в год. Сейчас особенно востребованы новые многофункциональные композиты. Ученые ИММС имени В.А. Белого НАН Беларуси уже занимаются внедрением гибких труб из разработанного композита в ОАО «Гомсельмаш», ОАО «МТЗ» и на других предприятиях, чтобы ограничить импортные закупки на несколько миллионов долларов в год. По мнению разработчиков, инновационный материал на базе смеси алифатических полиамидов с полимерами и сополимерами олефинов перспективен для изготовления ударопрочных изделий, например бамперов автомобилей, топливопроводов автотракторной техники, топливных баков, емкостей для хранения и транспортирования нефтепродуктов, труб, используемых на автозаправках, нефтеперерабатывающих заводах и др.

СПРАВКА

Полиолефины — класс высокомолекулярных соединений (полимеров), получаемых из низкомолекулярных веществ — олефинов (мономеров). Полиолефины — это обширный класс термопластов универсального применения, в число которых входит полипропилен, полиэтилен низкой плотности, полиэтилен высокой плотности, поли-(4-метилпентен-1), полибутилен и их сополимеры. Это наиболее распространенные термопласты, используемые во всех сферах деятельности человека.

Степан Песецкий уточнил, что создать композиты с уникальными техническими характеристиками помогло углубленное изучение теоретических проблем смешения различных полимеров. Так, в прошлом году был обнаружен эффект резких изменений реологических и высокоэластических свойств расплавов смесевых композитов на базе полиамида 6. Их прочность возрастала по сравнению с исходным полиамидом более чем в 30 раз! При изучении реологических и высокоэластических свойств расплавов смесей алифатических полиамидов (ПА6 и ПА66) со специально функционализированными полимерами и сополимерами олефинов обнаружено аномально резкое повышение (более чем в 100 раз) вязкости расплава смеси по сравнению с исходными полиамидами.

— То, что у нас получилось, — это прежде всего плод труда Юрия Кривогуза. Он занимается данным направлением более 10 лет, уже подготовил докторскую диссертацию, — отметил Степан Песецкий. — Суть нашей работы — создание химически модифицированных полимерных материалов с новыми функциональными свойствами. Прежде всего функционализированных полиолефинов, которые мы получаем путем свободнорадикальной прививки к макромолекулам исходных полиолефинов мономеров с различными функциональными группами. Функционализированные полиолефины находят широкое применение при получении полимерных смесей в качестве одного из компонентов.

Смеси — перспективное и актуальное направление. Уже сегодня 30% всех современных полимерных материалов — это смесевые системы. Привлекает и то, что для таких технологий не нужны большие капитальные вложения. Смешение разнородных молекул — это эффективный способ придания новым материалам не достижимых ранее свойств за счет сочетания привлекательных характеристик каждого компонента полимерной смеси в одном материале. Кстати, в ходе исследования смесей полимеров выявилось, что во многих случаях нет необходимости в полном взаимном растворении (термодинамическом совмещении) компонентов. Заданные свойства часто достигаются благодаря частичной совместимости, а иногда — несовместимости компонентов в смесевых системах.

Эти эффекты и были положены в основу инновационной технологии принципиально новых типов многофункциональных смесевых полиамидных материалов, получаемых с применением функционализированных полиолефинов. В отличие от исходных — низковязких полиамидов — они могут быть переработаны методами непрерывной экструзии и экструзии с раздувом.

В 2018 году технология создания подобных материалов отработана для получения импортозамещающих гибких полиамидных труб пневматических систем серийных моделей тракторов «Беларус». Тракторный завод провел необходимые испытания (стендовые, сборочные в производственных условиях и эксплуатационные). В результате ОАО «МТЗ» заключило контракт с ИММС НАН Беларуси на поставку 100 км пневмотруб типоразмера 12х1,5 мм.

Степан Песецкий уточнил, что пневмотрубы производятся в отделе полимерных композитов из разработанного смесевого композита на базе полиамида 6, который выпускает филиал «Завод Химволокно» ОАО «Гродно Азот». По мнению ученого, благодаря разработанной технологии пневмотрубы из белорусского ПА6 могут заменить импортные, выпускаемые из дорогостоящего ПА11. Экономический эффект составляет около 720 долларов на 1 км пневмотрубы (около 54 кг материала).

— Перспективное использование нашей разработки — это получение различных емкостей, формуемых по технологии экструзии с раздувом, например баков, предназначенных для хранения нефтепродуктов. Такие емкости можно изготавливать и по технологии соэкструзии нескольких компонентов с раздувом, но она дорогостоящая, а выдувная из однокомпонентного материала — дешевле и эффективнее, — уточнил Юрий Кривогуз. — Главное — иметь специальные материалы, обладающие высокой вязкостью и прочностью расплава. Именно такие мы теперь можем получать на основании обнаруженного эффекта аномального повышения вязкости расплава смесей полиамидов с полимерами олефинов и их сополимерами. Мы и раньше занимались технологией раздувного формования, но теперь, обнаружив и изучив этот эффект, создали более прочную научную базу, чтобы заняться организацией серийного производства.

Как уточнил Юрий Кривогуз, сегодня в мире появляются новые семейства полиолефинов, над созданием которых работают крупные мировые компании. Белорусские ученые модифицируют полиолефины, выпускаемые этими компаниями, придавая им новые функциональные свойства. Все в комплексе и дает возможность выпускать необходимую промышленную продукцию на базе освоенной химической технологии принципиально новых типов многофункциональных полиамидных материалов. Работы в этом направлении хватит еще на долгие годы, поскольку требования к материалам со стороны потребителей весьма разнообразны и постоянно возрастают.

На вопросы журнала ответил член-корреспондент НАН Беларуси, профессор, д.т.н., заведующий отделом полимерных композитов ИММС имени В.А. Белого НАН Беларуси Степан ПЕСЕЦКИЙ.

— Степан Степанович, если составить «Топ-5» разработок отдела, который вы возглавляете, то какие технологии обязательно войдут в рейтинг?

— В рейтинг должна войти разработка гибридно-наполненных материалов, которые прежде всего актуальны для автотранспортной техники, электроизоляторов и т.д. Данные необычные супервысокомодулярные материалы представляют собой полимерные матрицы, в которые введены волокнистые наполнители и микронаполнители или наночастицы. Это те же полиамиды, содержащие белорусское углеволокно ОАО «СветлогорскХимволокно» или стекловолокно ОАО «Полоцк-Стекловолокно» и нанодобавки. В мире подобные технологии начали развиваться только в последнее время.

Вторая позиция — создание эластомерных материалов, обладающих хорошими демпфирующими характеристиками. В частности, на основе полиэфирных эластомеров нам удалось сделать материал, который востребован на железной дороге. В прошлом году мы выпустили большое количество подрельсовых прокладкок-амортизаторов повышенной долговечности и морозоустойчивости для скоростных и тяжелонагруженных железнодорожных трасс. Сейчас нашими прокладками заинтересовалась Российская железная дорога в связи с планами по строительству скоростной магистрали в направлении Бурятия—Монголия—Китай. В таких материалах заинтересован и Китай. В этой стране скорость поездов достигает 360 км в час! Раньше эластомеры синтезировали на опытной установке в ОАО «Могилевхимволокно», а пока приходится закупать базовый компонент композита.

Еще одно топовое направление работы отдела связано с огнестойкими материалами. По нашим рецептурам на «Заводе Химволокно» ОАО «Гродно Азот» более 10 лет производятся огнестойкие полиамиды, в частности, впервые в Беларуси начали выпускать в промышленном масштабе полиамид 6 самозатухающий (ПА 6С). А ведь в начале производственники сомневались в успехе. Однако нам удалось создать антипирирующие системы, которые были дешевле, чем полиамид 6, и обладали хорошими техническими характеристиками, в т.ч. обеспечивали высшую категорию стойкости к горению. За истекший период произведено свыше 7 тыс. т огнестойких материалов. Выпуск огнестойких полиамидных композитов продолжается и сегодня.

Среди успешных направлений нашей деятельности следует отметить и создание упрочненных, в т.ч. огнестойких и атмосферостойких, материалов для электроизоляторов. Мы еще не довели до масштабного серийного выпуска эту разработку, но, тем не менее, это направление нашей работы имеет хорошую перспективу. Например, сейчас в Минске на трамвайные линии устанавливают натяжные электроизоляторы из разработанных нами материалов.

Полагаю, в «Топ-5» разработок нашего отдела можно включить создание выдувных материалов на основе эффектов, которые сродни технологии, вошедшей в «Топ-10» Национальной академии наук Беларуси за 2018 год. В Россию уже поставлено более 300 т выдувного полиамида композита. Раньше такие высоковязкие полиамидные материалы у нас вообще не выпускались. Сегодня можно с уверенностью сказать, что подобный выдувной полиамидный композит востребован. Изделия из него (сепараторы паров бензина автомобилей «LADA») соответствуют эксплуатационным требованиям.

Сепаратор паров бензина (5-литровый бак) — это прообраз топливных баков для малолитражной техники, мотоциклов и легковых автомобилей. Мы ведем переговоры с ООО «МотоВелоЗавод» — оно в них заинтересовано. Разумеется, можно производить различные трубопроводы для нефтепродуктов. Они могут использоваться и на нефтебазах, и на АЗС. Сегодня подобное оборудование закупается в Швеции, Финляндии и других странах. Мы хотим предложить импортозамещающие материалы и технологии в этой области.

— Похоже, что отдел полимерных композитов ИММС НАН Беларуси уже работает, как маленький заводик?

— По сути, так и есть. Решением президиума Национальной академии наук Беларуси при институте организован «Ведущий центр многофункциональных полимерных композитов». Он функционирует на базе нашего отдела. В нем работают почти 30 человек. Есть технологическое оборудование, четыре экструзивно-грануляционные линии общей мощностью 300 кг в час, семь термопластавтоматов объемом впрыска от 20 г до 2,6 кг. Мы можем делать и миниатюрные детали, и крупногабаритные.

У нас работают талантливые специалисты. Они занимаются научной деятельностью и владеют навыками современной конструкторской работы, проектируют оснастку для оборудования. Наш отдел — это своего рода миниатюрный производственный комплекс, т.е. мини-НПО.

— Как продвигается сотрудничество с ОАО «Белшина»?

— Мы давно и плотно сотрудничаем с этим предприятием, совместно решаем многие задачи, стоящие перед ОАО «Белшина». Сейчас работаем над оптимизацией составов и технологией концентратов гибридных наполнителей для улучшения технических характеристик отдельных элементов шин. Кстати, Институт механики металлополимерных систем имени В.А. Белого НАН Беларуси — единственная в стране организация, аккредитованная по испытаниям воздухо- и газопроницаемости пленок и гермослоев шин.

Наши специалисты совместно с сотрудниками центральной заводской лаборатории ОАО «Белшина» трудятся над повышением ходимости шин, которая связана с состоянием протектора, внутренних слоев, подканавочного слоя, гермослоев и т.д. В частности, мы занимаемся армированием протектора короткими волокнами. Уже сделаны (в рамках специально разработанной рабочей карты) СКГШ с арселоном и углеволокном ОАО «СветлогорскХимволокно», из них примерно 20 шин направлены на эксплуатацию в карьеры Украины. Кроме того, обнаружено, что введение слоистых наночастиц, в частности органоглин, снижает воздухопроницаемость гермослоев. Также изготовлены и испытываются несколько образцов соответствующих шин. Ведутся работы и с подканавочными слоями, где идет наиболее интенсивный разогрев. Нам еще многое предстоит сделать. Убежден, мы добьемся положительных результатов испытаний при объединении усилий научных сотрудников и специалистов, занятых на реальных производствах.

ФОТО Виктория Анискевич-Клопоцкая