Как удалось удешевить производство фталонитрилов

В это может быть сложно поверить, но современные самолеты все меньше и меньше строят из металлических деталей. Причиной тому полимерные композиты (ПКМ) — более легкие и прочные материалы, состоящие из полимерной матрицы, армированной (усиленной) углеродными или стеклянными волокнами.

Использование ПКМ позволяет снизить массу самолета и сократить таким образом потребление топлива. Кроме того, композиты имеют и ряд других преимуществ перед металлами: из них можно изготавливать крупногабаритные детали сложной формы, облегчая тем самым сборку изделия, композиты меньше подвержены усталости и кроме того позволяют быстрее проводить инженерно-конструкторские работы при разработке новых самолетов. В современных лайнерах крылья, фюзеляж, хвостовое оперение и многие части интерьера сделаны из углепластиков и других ПКМ. Композиты составляют до 50% массы, например, Boeing 787 Dreamliner, а в перспективном российском самолете МС-21 впервые в мире применили технологию вакуумной инфузии для получения интегральных силовых элементов крыла длиной 25 м из углепластика с целью удешевления сборки и улучшения характеристик самолета.

Применение композитов не ограничено авиацией, всем хорошо известен спортинвентарь из «карбона»: велосипеды, клюшки, удочки, шлемы для сноуборда и многое другое. Серийно производятся электромобили BMW i3 и BMW i7, кузова которых почти полностью углепластиковые. Практически все современные яхты и лодки строят из стеклопластиков (они недорогие и не ржавеют), ПКМ широко используются в ветроэнергетике, да и вообще там, где важна экономия веса или высокая химическая устойчивость.

Но все-таки применение ПКМ ограничено их природой. Матрица (или связующее), призванная обеспечивать совместную работу армирующих волокон — это полимер или, другими словами, пластик. А пластики при нагревании размягчаются и горят, то есть применять сейчас ПКМ там, где есть высокие температуры, невозможно. С 1980-х годов в США начали разрабатывать новый класс термореактивных полимерных связующих — фталонитрилы. Отвержденные фталонитрилы размягчаются при температурах выше 400 , разлагаются выше 500 и практически не горят. Благодаря термостойкости композиты с фталонитрильными матрицами очень перспективны для замены частей реактивных двигателей, капотов, конструирования тепловых щитов спускаемых космических аппаратов, обшивки гиперзвуковых самолетов, производства термостойкой электроизоляции, оснасток для производства термопластичных композитов. А негорючесть открывает перспективы для производства деталей интерьеров поездов, самолетов, космических кораблей и подводных лодок.

Долгие годы применению фталонитрилов мешала их нетехнологичность: требовались высокие температуры переработки, при которых время получения изделия сильно ограничивалось быстро протекающими химическими реакциями сшивки, или использование растворов.

Нам удалось улучшить технологичность фталонитрилов благодаря синтезу новых мономеров, содержащих гибкие фрагменты в структуре молекулы. Наши фталонитрилы легкоплавкие, и перерабатывать их можно в условиях, близких к условиям переработки авиационных эпоксидных смол с высокими эксплуатационными характеристиками. В итоге мы первыми в мире получили связующие, позволяющие использовать фталонитрилы в эффективных безавтоклавных методах формования ПКМ. Важно отметить, что подход, основанный на получении гибкоцепочечных фталонитрильных олигомеров, был известен и ранее. Но при этом синтез таких смол было сложен, и при их использовании наблюдалось снижение механических характеристик отвержденной матрицы. Введение гибкого, но короткого фосфатного мостика в структуру фталонитрила позволило нам избежать этой проблемы. Более того, фосфаты известны как антипирены, за счет чего в качестве дополнительного преимущества мы увеличили устойчивость наших матриц к окислению и горению. Наши углепластики можно нагреть докрасна и при этом не нарушится структура материала и не произойдет расслоения, характерного для композиционных материалов с другими известными матрицами.

Возможно, уже скоро мы будем летать на самолетах, в конструкции двигателей которых будут использоваться наши композиты. Уже сейчас, лопатки вентилятора газотурбинного двигателя, а это единственная часть двигателя, которую мы видим, делают из углепластиков. Такие лопатки даже выставлялись в Нью-Йоркском музее современного искусства. На входе в двигатель воздух холодный, поэтому можно использовать эпоксидные матрицы. Мы же поставили себе цель забраться глубже — в компрессор низкого давления, где температуры доходят до 320 . Сейчас туда устанавливают лопатки из металлов, но углепластик позволит снизить массу всего ротора, а значит, выиграть в энергии, необходимой на его раскрутку. Кроме того, двигатели оснащены защитой на случай отрыва лопатки от ротора. И тут мы получаем преимущество: чем легче лопатка, тем легче защита. То есть снижение массы одной лопатки нелинейно снижает массу двигателя и всего самолета.

Что интересно, в процессе работы над составами связующих мы открыли ранее не описанную сополимеризацию между фталонитрилами и бензонитрилами, в результате чего внесли вклад не только в технологию, но и в науку. Знания, полученные во время фундаментальных исследований, позволили нам получить прикладные результаты и разработать новый класс технологических добавок к полимерам.

Во время демонстрации на международных выставках наши материалы заинтересовали предприятия авиакосмической, автомобильной, судостроительной и технологической промышленности не только в России, но и за рубежом. В связи с этим совместно с индустриальным партнером АО НПО «Унихимтек» было принято решение о создании опытного производства фталонитрильных связующих, получившее поддержку Министерства науки и высшего образования России. Таким образом, нам удалось проделать путь от колбы в химической лаборатории до комплекса материалов и прототипов изделий. Создана опережающая технология, которая позволит значительно расширить круг применений ПКМ и создать новые высокотехнологичные рабочие места.

Борис Булгаков, кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры химической технологии и новых материалов химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова