В статье рассмотрены перспективные направления развития и использования полимерных связующих и композитов на их основе в России и в мире.
Ключевые слова: рынок ПКМ, термопластичные связующие, термореактивные связующие, биокомпозиты.
Сегодня полимерные композиционные материалы играют важную роль в жизнедеятельности человека. Они применяются не только в повседневной жизни, но и являются важным атрибутом химической, авиационной, космической, машиностроительной промышленности и многих других отраслей. Что же такое полимерный композиционный материал и чем объяснить растущий интерес к этим материалам? Современные полимерные композиционные материалы представляют собой многокомпонентные вещества, состоящие из термореактивной или термопластичной матрицы и разнообразных наполнителей, которые обеспечивают различные физические и механические свойства. Высокие темпы развития рынка ПКМ можно объяснить наличием ряда преимуществ полимерных материалов над традиционными (металл, сталь, керамика и т.д.), а именно уникальное сочетание прочностных, ударных, электрических и других свойств; возможность изменения этих свойств путем подбора состава и свойств матрицы и наполнителя [1].
В последнее время наметилась тенденция к развитию композитной отрасли и в России. Так, с 2013 по 2019 год объем российского рынка ПКМ вырос в практически в 2,5 раз [2]. В связи с этим возрастают и требования, предъявляемые как к матрицам ПКМ, так и к их наполнителям.
Так, например, начиная с 2000г. наибольшее предпочтение отдается расплавным связующим, не содержащим токсичных органических растворителей. К таким относятся термореактивные эпоксидные связующие марок ВСЭ-1212, модифицированные полисульфоном эпоксидные связующие марок ВСК-14–3, ВК-36, ВСК-14–2мР и т.д. [3; 4]. На сегодняшний день во ФГУП «ВИАМ» разрабатываются целые комплексы полимерных композиционных материалов нового поколения на основе связующего ВСЭ-1212 и наполнителей, альтернативных наполнителям фирм Porcher Ind. И Toho Tenax. Было установлено, что по уровню механических свойств данный тип ПКМ на основе наполнителей из российских углеродных волокон Umatex производства ООО «Алабуга-Волокно» и связующего ВСЭ-1212 находятся на высоком уровне и не уступают зарубежным аналогам [5].
Все большее значение приобретают термопластичные связующие на основе полиэфиркетонов. Так, например, ТД «РусХимВолокно» в 2022 году планирует увеличить производственные мощности нетканого объемного полотна в три раза, что составит около 700 тонн в год. Матрицы на их основе достаточно привлекательны для современной текстильной, строительной и авиационной промышленности, так обладают высокими физико-химическими свойствами, термостабильностью и химической стойкостью [6].
В целом, ПКМ на основе термопластичных матриц с экологической точки зрения являются наиболее желательными, так как могут быть подвергнуты вторичной переработке, однако основными факторами, сдерживающими их распространение, являются высокая вязкость расплава и стоимость сырья. В связи с этим наибольшее предпочтение на данный момент отдается термореактивным связующим. По данным статьи [2] потребление ПКМ по типу полимерной матрицы в мире оценивается следующим образом: 67 % — реактопласты, и только 33 % — термопласты.
Относительно новым классом связующих являются витримеры, которые сочетают в себе лучшие свойства термопластичных и термореактивных полимерных связующих — за счет уникального строения они обладают механическими и термическими свойствами реактопластов, а изделия из них доступны для переформировки и ремонта, что является отличительной чертой термопластов. Сейчас ведутся активные работы по созданию композитных материалов на основе витримерной матрицы. В частности, в лаборатории Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева был создан композит на основе данного типа связующего, который может быть использован для обшивки водных судов или в качестве интерьерных панелей [7].
Одной из проблем при производстве современных композиционных материалов является их вторичная переработка и утилизация. Этот недостаток синтетических композитов требует новых материалов с превосходными механическими характеристиками, которые также отвечают современным инженерным требованиям — доступности, долговечности и возможности переработки. Поэтому одним из глобальных трендов развития производства ПКМ является создание биокомпозитов на основе биоразлагаемых связующих, в качестве которых чаще всего используются полилактиды (PLA), полигидроксилалконаты (PHA), крахмал и другие [8]. Основными преимуществами этого типа композитов являются низкая стоимость, возможность использования возобновляемых ресурсов и высокая экологичность. Так, например, сравнительно недавно был создан экологичный биоинспирированный композитный материал, который обладает поразительной прочностью на разрыв. Воспользовавшись современными технологиями и методами исследования веществ, ученые подробно изучили механизм формирования зубов у моллюсков лимпет и использовали его фундаментальные принципы для создания биокомпозита из переплетенных хитиновых волокон и оксида железа в форме гематита [9].
На выставке Композит-Экспо 2022 компания Татнефть-Пресскомпозит представила первые образцы новых композитных профилей и скамеек с использованием натурального материала — льна. На данный момент данный продукт не имеет аналогов на российском рынке и является уникальным. Отметим, что льняное волокно по качеству не уступает стеклопластику: оно легкое, прочное, долговечное и более экологичное.
Таким образом, предпринимаются попытки по получению биоматериалов, свойства которых сопоставимы со свойствами синтетических композитов, а наносимый при их получении и использовании экологический ущерб минимален. Однако, данный вид материалов требует дальнейших исследований и разработок.
Следует отметить, что в России только происходит становление рынка композитов. При этом правительство страны активно поддерживает развитие композитной отрасли. Так, на совещании о ходе реализации и результатах инициатив социально-экономического развития до 2030 года отмечается инициатива создания инфраструктуры инновационного научно-технологического центра «Композитная долина», мероприятия по основанию которой приведут к формированию в России крупнейшего научно-технологического центра в области композиционных материалов конструкционного и специального назначения. Намерение принять участие в работе «Композитной долины» уже подтвердили 38 организаций, начиная от крупных промышленных предприятий и заканчивая ведущими научно-образовательными учреждениями. К примеру, это Курчатовский институт, «Газпром нефть», «Транснефть», «Роскосмос». Исследование и разработка полимерных композиционных материалов уже ведется в РХТУ им Менделеева, на базе всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов и в Тульском государственном университете.
Литература:
- Полимерные композиционные материалы (Полимерные композиты, ПКМ), определение ПКМ, методы получения и применение полимерных композитов, ПКМ как разновидность композиционных материалов, классификация полимерных композиционных материалов [Electronic resource]. URL: https://p-km.ru/index.html (accessed: 22.07.2022).
- Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор) [Electronic resource]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/rossiyskiy-i-mirovoy-rynok-polimernyh-kompozitov-obzor/viewer (accessed: 22.07.2022).
- Чурсова Л. В., Цыбин А. И., Гребенева Т. А. Связующие Для Полимерных Композиционных И Функциональных Материалов. Предшествующий Опыт, Современное Состояние, Перспективы Развития // Новости Материаловедения. Наука И Техника. 2017. № 2 (26).
- Железина Г. Ф. et al. Опыт Использования Расплавных Полимерных Связующих Для Изготовления Препрегов Органопластиков // Журнал Прикладной Химии. 2020. Vol. 93, № 3.
- Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» et al. POLYMERIC COMPOSITE MATERIALS OF NEW GENERATION ON THE BASIS OF BINDER VSE-1212 AND THE FILLING AGENTS ALTERNATIVE TO ONES OF Porcher Ind. AND Toho Tenax // AMaT. 2018. № 3. P. 18–26.
- Рынок полимерных композиционных материалов. Тенденции и перспективы [Electronic resource]. URL: https://compositeworld.ru/articles/market/id619fcd4144ab3d001939228c (accessed: 17.02.2022)
- Сергеев В. Ю. Витримеры: Свойства И Перспективы Использования // Научному Прогрессу — Творчество Молодых. 2020. № 1.
- Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» et al. Polymer biocomposites based on biodegradable binders reinforced by natural fibers (review) // AMaT. 2017. № 4. P. 42–50
- Rumney R. M. H. et al. Biomimetic generation of the strongest known biomaterial found in limpet tooth: 1 // Nat Commun. Nature Publishing Group, 2022. Vol. 13, № 1. P. 3753.
