Пластик вместо металла: как суперконструкционные пластики меняют промышленность

Металл кажется материалом, которому сложно найти замену. Он прочный, выдерживает высокие нагрузки и десятилетиями остается основой промышленности — от транспорта до машиностроения. Но у металлов есть ограничения: они тяжелые, подвержены коррозии, а производство и обработка некоторых деталей требуют значительных ресурсов. Поэтому промышленность все чаще обращается к материалам, которые ещё несколько десятилетий назад сложно было представить в масштабных конструкциях. Речь о суперконструкционных пластиках — полимерах, способных сохранять рабочие характеристики при высоких температурах, значительных механических нагрузках и воздействии агрессивных сред. Перспективы таких материалов журналисты MASHNEWS | Первый Промышленный обсудили с разработчиками и отраслевыми экспертами. 

Благодаря сочетанию прочности, легкости и термостойкости суперконструкционные пластики в ряде применений способны заменить металл, стекло и традиционные полимеры. При этом в России производство таких материалов пока находится на ранней стадии: работают лишь отдельные опытно-промышленные установки при научных институтах, а импортная продукция доступна в ограниченном объеме и ассортименте.

Сегодня доля России на мировом рынке специальных полимеров составляет около 1%. Развитие собственных технологий позволяет снизить зависимость от импорта и создать основу для расширения применения суперконструкционных пластиков в российской промышленности. 

Полиэфиркетонкетон. ИСТОЧНИК ФОТО: пресс-служба СИБУРа.

Материал, который работает там, где обычный пластик не справляется

Слово "пластик" не всегда вызывает ассоциации с материалом для тяжелых условий эксплуатации. Однако полимеры сильно различаются между собой.

Суперконструкционные пластики — это отдельный класс материалов, рассчитанный на применение в тех случаях, когда обычные конструкционные полимеры уже не обеспечивают необходимые характеристики. При этом такие материалы можно перерабатывать привычными для полимерной отрасли методами: литьем под давлением или механической обработкой. Для некоторых из них доступны и аддитивные технологии, позволяющие создавать детали сложной геометрии.

Это даёт производителю больше возможностей при выборе материала и проектировании самого изделия. Полимерную деталь можно адаптировать под конкретные условия эксплуатации, технологию производства и требования к конструкции.

"Суперконструкционные полимеры интересны именно в тех задачах, где требуется сочетание нескольких свойств — небольшой массы, высокой прочности, долговечности и устойчивости к внешней среде", — объясняет Первому Промышленному Иван Меньшиков, старший руководитель проектов в области спецполимеров научно-исследовательского центра "СИБУР Инновации".

Полифталамид. ИСТОЧНИК ФОТО: пресс-служба СИБУРа.

От авиации до медицины

Суперконструкционные пластики применяют в самых разных отраслях — от авиации и автомобилестроения до электроники, производства оборудования и медицинской техники.

Одно из перспективных направлений — электротранспорт. Здесь особенно важна масса конструкции: снижение веса автомобиля позволяет уменьшить энергозатраты на движение. Поэтому материалы, которые дают возможность облегчить конструкцию без существенной потери необходимых характеристик, становятся особенно востребованными.

Например, полидициклопентадиен может использоваться для изготовления кузовных панелей транспорта. Благодаря низкой плотности и необходимым механическим свойствам он позволяет снижать массу конструкции.

Полиарилсульфоны подходят для таких задач благодаря сочетанию термостойкости, химической стойкости и стабильности размеров при нагреве. Они способны выдерживать длительную эксплуатацию при температурах до 200°C, устойчивы к воздействию влаги, радиации и стерилизации, а также отличаются низкой горючестью. Разные представители этого семейства имеют свои особенности: например, полисульфон (PSU) отличается высокой прозрачностью и жесткостью, а полифенилсульфон (PPSU) сочетает высокую термостойкость и ударную прочность и способен выдерживать многократную стерилизацию.

Благодаря этим свойствам полиарилсульфоны применяют в медицине, авиации, электротехнике, пищевой промышленности и мембранных технологиях. Сейчас материалы готовятся к испытаниям у потенциальных потребителей в авиации, мембранных технологиях водоочистки и газоразделения. Параллельно в лаборатории разрабатывается технология получения еще одного представителя семейства — полиэфирсульфона (PESU).

Полифталамид (PPA) также относится к суперконструкционным пластикам. Он способен сохранять рабочие характеристики при длительном нагреве до 210 °C, а кратковременно выдерживает температуру до 280 °C. Материал сочетает механическую прочность, стабильность размеров и устойчивость к химическим воздействиям.

Такие свойства позволяют использовать полифталамид в деталях, работающих в сложных условиях. В автомобилестроении речь идет, например, о корпусах термостатов, элементах систем охлаждения и топливных компонентах. Материал также применяется в электронике — для разъемов, катушек и изоляционных элементов.

Свои материалы — от технологии до опытной партии

Для российской промышленности развитие таких материалов имеет еще одну задачу — технологическую независимость. Крупные производства суперконструкционных пластиков в стране пока отсутствуют, поэтому одновременно с поиском новых применений необходимо создавать собственные технологии их получения.

СИБУР развивает несколько направлений в этой области. Компания разработала собственную технологию получения ПЭКК. Сейчас материал проходит испытания совместно с потенциальными потребителями. Получены также опытные партии полиарилсульфонов. Совместно с Кабардино-Балкарским государственным университетом ведется масштабирование технологии полифталамида. Кроме того, разработана технология производства полидициклопентадиена.

Пока эти проекты находятся на стадии опытных и пилотных партий. Для промышленного материала недостаточно получить образец с нужными характеристиками в лаборатории — необходимо подтвердить его стабильную работу в реальном изделии и возможность производства в нужном объеме.

Поэтому следующий этап — испытания в условиях эксплуатации, развитие технологий переработки и формирование устойчивого спроса. Именно прикладные кейсы позволяют проверить, насколько материал подходит для конкретной задачи и оправдано ли его промышленное применение.

Подшипник, которому не нужна смазка

Еще один перспективный материал — полиэфиркетонкетон, или ПЭКК. Он рассматривается для применения в авиации, автомобилестроении, медицине и машиностроении.

Один из таких примеров — подшипник-вкладыш для трамваев, который СИБУР совместно с партнерами и потенциальными потребителями рассматривает как применение ПЭКК.

Для такой детали особенно важны прочность, износостойкость и способность работать в условиях постоянного трения. В металлических конструкциях для снижения износа обычно используются смазочные материалы, а сама деталь со временем может потребовать обслуживания или замены.

ПЭКК позволяет по-другому решить эту задачу. Материал обладает высокой механической прочностью и износостойкостью и может работать без смазочных материалов. Это упрощает эксплуатацию и снижает требования к обслуживанию.

Кроме того, полимерный вкладыш не подвержен коррозии. Поэтому потенциальный экономический эффект связан не только со стоимостью самой детали, но и с затратами на ее эксплуатацию.

По предварительным оценкам, применение подшипников из ПЭКК потенциально позволяет снизить совокупные затраты до 50% по сравнению с металлическими аналогами. Сейчас этот показатель верифицируется на реальном кейсе вместе с партнерами и клиентами.

Такой пример показывает, что замена металла полимером — это не просто выбор другого сырья. При оценке решения приходится учитывать конструкцию детали, технологию ее изготовления, условия эксплуатации и затраты на протяжении всего срока службы.

От замены материала — к изменению конструкции

Суперконструкционные пластики не станут универсальной заменой металлам. Там, где требуется экстремальная жесткость или работа при специфических нагрузках, металл по-прежнему может оставаться оптимальным выбором.

Но промышленность все чаще выбирает материалы исходя из конкретной задачи. Если полимер позволяет упростить конструкцию, изменить технологию производства или повысить ресурс детали, он становится альтернативой металлу уже не только по своим свойствам, но и по экономике готового изделия.

Для российских разработчиков сейчас особенно важно пройти весь путь от химической технологии до реального применения. Создание собственного материала — лишь первый этап. Следующий — масштабировать производство.

В этом смысле суперконструкционные пластики конкурируют с металлами не столько на уровне материала, сколько на уровне инженерных решений. И чем больше таких решений появляется в транспорте, машиностроении и медицине, тем заметнее становится роль полимеров в промышленности.