Новости

10 апреля, 2023 11:37

С ними планета чище. Проект РНФ запускает процесс возрождения производства силиконов

Источник: Поиск
Советский Союз входил в пятерку ведущих силиконовых держав мира. Благодаря собственному полному циклу силиконовой промышленности страна получала лидерство в таких высокотехнологичных сферах, как авиационное и космическое приборостроение, медицина и бытовая химия, строительство. Последний каталог-справочник «Кремнийорганические продукты, выпускаемые в СССР» издали в 1975 году, и с того времени номенклатура силиконов в нашем отечестве практически не развивалась. Лишь в 2021 году Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С.Ениколопова получил грант РНФ на создание нового каталога основных классов кремнийорганических полимеров и материалов, полученных на основе экологически чистых процессов. Создание этого каталога призвано запустить производство силиконов на новой научно-технологической базе и постепенно расширить рынок российских силиконов, вновь заняв лидирующие позиции в этой области. Во всех разделах будущего каталога удастся найти уникальные материалы, у которых в мире нет аналогов. О том, как продвигается работа по его созданию, рассказал академик РАН, заведующий Отделом синтетических полимеров и полимерных наноматериалов ИСПМ РАН, главный научный сотрудник лаборатории кремнийорганических соединений ИНЭОС РАН Азиз МУЗАФАРОВ.
Источник: Поиск

– Азиз Мансурович, в 2021 году вы получили грант РНФ. Как вы думаете, почему Фонд поддержал ваше исследование?
– Цель текущего проекта РНФ – создание нового каталога кремнийорганической продукции на смену существовавшему во времена СССР. А там было из чего выбирать! В нем был представлен весь огромный диапазон развитой силиконовой индустрии, и все это было свое. Но рынок не терпит пустоты, и теперь те объемы продукции, которые производились нашей промышленностью, заменены на импортные. А потребители импортного сырья совершенно не настроены экспериментировать. Им нужны готовые проверенные решения, они у них есть, партнерские связи установлены. Так что мало наладить свое производство, надо еще и вновь завоевать рынок. И стратегия завоевания рынка должна быть комплексной: во-первых, создание более совершенной технологии, а во-вторых, выстраивание линейки новой продукции, не имеющей аналогов. Вот на это и направлен наш проект.

– Почему возрождение силиконовой промышленности полного цикла так важно для российской промышленности? Для чего используются силиконы?
– Прежде всего поясню: полный цикл – это вся производственная цепочка, включающая выплавку кремния, производство кремнемедного сплава, синтез хлорсиланов, циклосилоксанов и разветвленных олигомеров, а также получение на их основе огромной номенклатуры кремнийорганической продукции, которую не всегда правильно называют силиконами. Термин «силиконы», как часто бывает с тривиальными названиями, устоялся и широко используется для обозначения всей кремнийорганической продукции.

Это важно прежде всего потому, что силиконы имеют огромный потенциал развития, которое пока только начинается. Во-первых, силиконы очень экологичны, безвредны, полностью перерабатываемы в исходные ингредиенты, то есть они очень современны. Их производство основано на возобновляемых и неисчерпаемых источниках сырья. Области применения силиконов безграничны, они эффективны в виде малых добавок и могут быть основой уникальных материалов. Кстати, в этом и заключается большая проблема для того, кто взялся бы их производить: множество продуктов, на большинство из которых нужно иметь регламенты, ТУ и прочие атрибуты. Силиконовый кластер должен иметь вокруг себя инновационный набор малых предприятий, специализирующийся на отдельных областях практического применения. Чтобы развивать все это, надо иметь свою базу реагентов. А зарубежные компании торгуют уже готовыми формами, для применения которых ученых нужно существенно меньше, да и уровень подготовки – пониже. То есть вслед за промышленностью из-за невостребованности уходит и наука. При этом страна теряет важную компетенцию.

Вот почему важно сохранить существующий научный фундамент, построив на нем здание современной силиконовой промышленности. Именно этот тандем может стать основой для формирования силиконового кластера с перспективой дальнейшего развития. Все это связано с особенностями комбинаторной химии силиконов, ведь они могут быть и жидкостями, и резинами, и пластиками, и уникальными наполнителями. И в каждом из этих состояний великое множество комбинаций, так что силиконы бесконечны, недаром мировой рынок силиконов растет на 5-7% в год.

– А кто сегодня является лидером на этом рынке?
– Вопрос непростой. Краткий ответ: более 75% рынка силиконов обеспечивает Китай. Я говорил о фантастической истории силиконов, она продолжается: в XXI веке из ниоткуда, как многим кажется, на рынок силиконов ворвался Китай. В Поднебесной как грибы выросли производства силиконов, и мир признал это: традиционный мировой симпозиум по химии силиконов ISOS-2017 прошел в Китае с большим успехом. Здесь КНР лидирует и всемерно укрепляет свои позиции.

Но в высокотехнологичной части лидерство западных компаний все еще достаточно высоко. Китайские производители задают резонный вопрос: почему тонна китайского усредненного силикона стоит в три раза меньше американского или европейского? И сами же честно отвечают на него: потому что западный силиконовый бизнес сместился в высокотехнологичную область, а китайский пока заполонил низовую крупнотоннажную нишу. Это связано с тем, что в КНР еще не сформировались научные школы, способные конкурировать на равных с западными. Но это – дело поправимое. Китай, как известно, никуда не спешит и активно поддерживает своих ученых, всемерно развивая международное сотрудничество. Насколько я знаю, к 2030 году КНР планирует в полной мере доминировать и в высокотехнологичном секторе силиконов. Так что не за горами тот день, когда Китай из лидеров по валу вырвется в лидеры по всем статьям этого направления.


На снимке: академик РАН, заведующий Отделом синтетических полимеров и полимерных наноматериалов ИСПМ РАН, главный научный сотрудник лаборатории кремнийорганических соединений ИНЭОС РАН Азиз Мансурович Музафаров. Источник: Поиск

– Можно ли сказать, что сегодня в России эта сфера начинает восстанавливаться?
– В области силиконов мы сейчас в такой стадии, что нет никакого смысла возрождать старые производства: они безнадежно устарели, надо строить новые на научных основах следующего поколения. При таких условиях появятся предпосылки для прорыва. Любой кризис – это и мощный стимул к развитию.

– Насколько экологически безопасно производство силиконов?
– В новый каталог, который мы создаем в рамках гранта РНФ, войдут основные классы кремнийорганических полимеров и материалов, полученных на основе экологически чистых процессов.

Сейчас мир работает на технологиях второго поколения, в основе которых прямой синтез хлорсиланов. У этого уклада два больных места: высокие энергозатраты при получении кремния из песка и синтез и использование хлорсиланов – мономеров, из которых получают силиконы.

В чистом виде хлор – ядовитый газ, и хлорсиланы тоже недалеко от него ушли. Поэтому мы и изобрели новые подходы к синтезу силиконов, основанные на бесхлорных мономерах, то есть весь многоступенчатый процесс синтеза силиконов можно теперь осуществить без хлора – это и есть тот прорыв, который нужен для обновления собственного производства. Разрабатываемый нами в рамках гранта РНФ подход относится к следующему, третьему, поколению, в нем вместо хлорсиланов сразу из кремния получают алкоксисиланы. Из общей схемы исключается хлор. Это большое продвижение по части экологичности всего процесса синтеза силиконов.

Высокие энергетические затраты при производстве кремния остаются слабым местом на пути к экологически чистым технологиям. Ученые начинают работать и в направлении получения силиконов непосредственно из песка, но пока до технологий здесь еще далеко. Кроме того, в кремнии из песка нуждаются металлурги, он входит в состав многих сплавов. На этом фоне потребности химии силиконов довольно скромные, поэтому время четвертого уклада пока не наступило, есть время подумать и выбрать оптимальные решения на пути технологий силиконов XXI века.

– Расскажите подробнее об этапах формирования каталога.
– Проект направлен на создание новых готовых форм, полученных в рамках бесхлорных технологий. В каждом из основных блоков каталога нам нужно представить материалы, которые превосходят существующие не только по экологичности производства, но и по основным эксплуатационным характеристикам, – с целью начать завоевывать рынок силиконов через создание новых продуктов, с еще не занятых областей, где они станут доминировать.
В 1950-1960-х годах прошлого столетия силиконы произвели переворот в электротехнике, заменив многие пропиточные изоляционные материалы на основе фенолформальдегидных полимеров. Сейчас мы надеемся осуществить такой переворот в деревообработке. Заменить фенолформальдегидные и мочевиноформальдегидные связующие на более экологичные долгое время не удавалось из-за дешевизны последних. В рамках проекта мы создали связующие, которым по плечу совершить такой рывок, и это огромный рынок для нашей страны.

Еще одна группа материалов, которым мы даем вторую жизнь благодаря глубокому проникновению в особенности их структуры, – это так называемые MQ-смолы. Материалы давно и хорошо известные и широко применяемые в качестве модификаторов в огромном количестве полимерных композиционных материалов. Но в наших составах они играют совсем другую роль – молекулярного наполнителя, который можно использовать вместо дорогих сортов кремнеземных наполнителей. И тут в сторону упрощения полностью меняется вся технология получения композитов, а свойства улучшаются до запредельно высокого уровня для этой группы веществ.

Новые объекты появляются каждый год во всех разделах будущего каталога. Так, помимо перечисленных мы разработали новый наполнитель для полимерных материалов, у которого также широкие перспективы применения в качестве компонента «зеленых» шин. Найдется в каталоге место и дендримерам. Они в основном востребованы как объекты научных исследований – своеобразные модели познания – и будут представлять группу уникальных соединений, не имеющих аналогов в мировой практике.

– Что такое дендримеры? Расскажите о них подробнее.
– Про дендримеры, видимо, надо говорить отдельно. Мы были среди их первооткрывателей, первые силиконовые дендримеры синтезированы именно в наших лабораториях. Мы рассматриваем дендримеры как новую форму полимерной материи – так сильно они отличаются от классических полимерных систем. Недавно мы отмечали 30-летие выхода нашей первой статьи по дендримерам. Это одна из самых совершенных полимерных структур – овеществленная теоретическая модель. За тридцать лет мы многому научились в этой области и многое узнали об их свойствах. По этой теме у нас защищен не один десяток диссертаций. Так что и это направление удается поддерживать на высоком конкурентном уровне. Область исследований постоянно расширяется, изучение дендримеров позволило выделить новую группу в классификации полимеров, которую мы называем макромолекулы-частицы – за дуализм их свойств. Помимо дендримеров в этой группе сейчас насчитывается уже несколько подразделов: их нерегулярные, но очень близкие аналоги – сверхразветвленные полимеры; далее объекты с романтическим названием «многолучевые звезды», свое законное место обрели наногели, ранее пребывавшие в исключениях, как и плотные молекулярные щетки. По нашим представлениям, группа сформировалась, и по мере все более полного осмысления ее представителей в классических координатах «структура – свойства» начали разрабатываться материалы с необычным и недостижимым ранее комплексом свойств. У этих объектов большое будущее, в одном из недавних обзоров они так и фигурируют как полимеры будущего.

– С какими сложностями пришлось столкнуться в ходе работы над каталогом?
– Сложно вести научный поиск без поддержки, но нам в этом плане грех жаловаться. Имея масштабный лабораторный грант РНФ, да еще с перспективой расширения программы проекта в случае успешного ее выполнения, говорить о сложностях в сравнении с коллективами, не получившими такую помощь, было бы верхом неприличия. Мы видим свою задачу в достижении наивысших результатов, чтобы у Фонда были аргументы для увеличения финансирования подобных программ в разы.

– Одна из целей вашего проекта – раскрыть новые области применения силиконов и представить новые продукты на их основе. Какие удивительные продукты могут появиться в будущем благодаря вашим исследованиям?
– Вы знаете, сейчас в работе находится целый ряд принципиально новых материалов и технических решений. Те, о которых мы рассуждали выше, уже защищены патентами или ноу-хау, а остальные находятся только на пути к этой стадии, поэтому обсуждение на страницах открытой печати не пойдет на пользу этому процессу. Но смею вас заверить, что новых и совершенно удивительных объектов много, а области их применения простираются от медицины и косметики до материалов для обработки почвы, от космических материалов до продукции для освоения арктических просторов. Силиконы уникальны сами по себе, а положенные на правильную научную платформу возможности их применения просто безграничны. Наш девиз «Больше силиконов – чище планета» говорит сам за себя.

Теги
Интервью
12 февраля, 2024
Олег Астафьев: «Квантовая акустика появилась благодаря сверхпроводниковым искусственным атомам»
Квантовые технологии — наше фантастическое будущее? О том, заменит ли электроника, работающая с од...
26 декабря, 2023
Валерий Стенников: Благодаря поддержке Фонда мы создали группу единомышленников
Россия входит в пятерку крупнейших производителей электроэнергии в мире. Фундамент Единой электроэ...