Scienty

Что такое кремнийорганические полимеры и в чем их преимущество? Какие материалы можно изготовить из силиконов? Почему по своим качествам они во многом превосходят имеющиеся? Можно ли возродить их производство в нашей стране и почему это важно? Об этом рассказывает академик Азиз Мансурович Музафаров, главный научный сотрудник Института элементоорганических соединений РАН, заведующий отделом Института синтетических полимерных материалов РАН, профессор химического факультета МГУ.

— Вы преподаете и на физическом факультете?

— Я когда-то там преподавал, сейчас там вместо меня читают другие люди. Другое время — другие люди. Вообще было что-то необычное в том, что я читал лекции именно на физфаке.

— Зачем физикам химия?

— Сейчас университетское образование предполагает, что ученые должны быть универсально образованы. Тогда было очень модное направление — наноматериалы. Мы занимались так называемыми молекулярными нанообъектами. С точки зрения перспектив нанотехнологий нужно было взаимодействие химиков и физиков. Границы здесь очень прозрачные. На кафедре посчитали, что для студентов важно быть в курсе этих новых веяний, поэтому помимо постоянных курсов появились факультативные, когда студенты сами выбирают, на какие из них записываться. Это был курс по выбору. Я его читал несколько лет. Ряд студентов потом пришли по следам этого курса писать диссертации и сейчас успешно работают. Это был очень хороший, плодотворный опыт.

— Значит, у вас есть выпускники физического факультета, не только химики?

— Да. У нас также очень много выпускников Физтеха. Мне кажется, наиболее квалифицированные люди в материаловедении — а у нас все-таки полимерное материаловедение — это как раз люди с физико-техническим образованием, которые потом прошли полимерную школу под руководством академика Н.Ф. Бакеева, одного из крупнейших полимерщиков в нашей стране. Специалисты, у которых есть сочетание этих двух начал, я считаю, всегда в цене. Таких людей можно пересчитать по пальцам.

— Насколько я помню нашу предыдущую встречу четыре года назад, это была такая ода кремнию. Сейчас вы к нему так же неравнодушны?

— Не столько кремнию, сколько силиконам — кремнийорганическим полимерам. Да, считаю, что это по-прежнему очень важно, и даже важнее, чем нам казалось четыре года назад. Есть понимание, куда движутся полимеры. У нас есть отдельное направление, которое мы развиваем: разрабатываем концепцию по утилизации полимерного мусора, потому что сейчас в этом направлении наблюдается полное непонимание проблемы всеми участниками процесса. Мы считаем, что такая концепция должна быть, надо понимать, куда движется мир, куда движемся мы. Разрабатывая эту концепцию, мы лишний раз убедились, что за силиконами огромное будущее.

— Почему вы так считаете?

— В прошлый раз я говорил, что у нас есть шанс вернуться в «большие силиконы», то есть в производство силиконов. В СССР существовал полный цикл силиконового производства начиная от металлического кремния и заканчивая самыми продвинутыми кремнийорганическими полимерами, а сейчас в России такого производства нет. На самом деле мы создаем новое поколение производства силиконов, и в этом заключается шанс страны вернуться в «клуб производителей». За прошедшие четыре года мы решили самую главную задачу: осуществили реакцию прямого синтеза кремнийорганических мономеров из кремния и диметилового эфира, которого у нас очень много. В одну стадию из метана получается метанол, из метанола еще одна стадия, а иногда непосредственно из метана, получается диметиловый эфир. Это очень перспективное исходное вещество. Сделать прямую реакцию кремния и диметилового эфира и получить диметилдиметоксилан — это была наша сверхзадача, к которой мы шли последние двадцать лет. Горд сообщить, что в начале этого года мы опубликовали в журнале Green Chemistry статью на эту тему. Это наиболее популярный у молодежи журнал, знамя «зеленой» химии. Я считал, что лучше опубликовать в более узкопрофессиональном химическом журнале, но меня переубедили.

— А кто вас убедил?

— Молодежь, которая делала эту работу. Они сказали, что, поскольку мы предыдущее свое открытие на этом пути публиковали там, логично опять опубликовать в этом журнале. Я считаю, что в данном случае основные авторы имеют право выбора.

— Эта тема имеет отношение к экологии?

— Самое непосредственное. Я вам в прошлый раз рассказывал, что производство силиконов, как производство радиоприемников, как производство фотоаппаратов, можно разбить по поколениям, когда вы переходите на новую принципиальную основу — допустим, от фотопластинок к пленке, от пленки — к цифре. Так и здесь: первое поколение было — от кремния через магнийорганический синтез к мономерам, второе поколение — прямой синтез из кремния и хлористого метила, получение хлорсиланов. Мы сделали это все без хлора: провели реакцию диметилового эфира и кремния. Это уникальная реакция в том смысле, что тут два компонента, и есть такой термин «атом-экономные реакции»: все, что вы смешали, прореагировало, и ничего не выделилось, все пошло «в дело». Поэтому реакция называется прямым синтезом, и это основа для третьего поколения.

Мы были уверены, что ее сделаем, поэтому весь последующий ход превращения алкоксисиланов, или кремнийорганических мономеров, в силиконы уже разработан нами. Но эта ключевая стадия далась нам тяжело. Многие до нас это пытались сделать, и ничего не получалось. Я считаю, наша молодежь это сделала, поскольку она не знала, что это невозможно. Выросло поколение людей, которые не знали, что это невозможно.

— А что там такого невозможного, что отталкивало других?

— Сам эксперимент отталкивал. Не было никакой надежды, потому что это довольно инертные вещества. Неслучайно люди раньше использовали хлористый метил — активационная составляющая хлорорганики играла свою роль.

— Использование хлористого метила — это плохо с экологической точки зрения?

— Хлор хлору рознь, в быту его очень много, ну куда мы с вами денемся без поваренной соли? Но хлор особенно опасен в органике, в полимерах. Во-первых, для производства реагентов, того же хлористого метила, нужно использовать HCl — это хлористый водород, а его опасность — на уровне отравляющего вещества. Вся эта технология очень хорошо отработана, но при огромных объемах никто не гарантирует отсутствие природных катаклизмов. Разлить емкость с хлорсиланами — все равно что обработать эту местность, допустим, фосгеном. По воздействию на живые организмы это примерно одинаково.

— А если разольется емкость с вашими веществами нового поколения?

— Это сродни тому, что вы разлили обычное органическое вещество, — может быть, не очень приятный запах, но нет мгновенного выделения опасных составляющих.

— Но запах все же будет?

— Здесь тоже будет выделяться метанол, но это не уровень отравляющего вещества. Самое главное — все происходит не мгновенно, есть время подготовиться и принять превентивные меры защиты. Ведь эти вещества уже другого класса опасности, гораздо более низкого. Важно и другое: дело не в самих веществах, а в процессе их получения. Для хлористого метила нужно использовать HCl, отходы производства тоже содержат хлор, утилизация этих отходов — отдельное мероприятие. Само использование хлорсилана, его хранение приводят к тому, что выделяется тот же самый HCl, его стараются зациклизовать — снова запустить в производство. Есть такое понятие — производство замкнутого цикла. Технология второго поколения за 70 лет, которые прошли с ее изобретения, весьма усовершенствовалась. Но воспроизводить ее нет никакого смысла, потому что мы тогда безнадежно отстанем. Мы упустили 30–40 лет развития: мир развивался, а мы в это время занимались перестройкой экономического механизма и разрушением нашего промышленного потенциала. Поэтому теперь наш шанс заключается в том, чтобы сразу перейти на новое поколение.

В этом году у нас была конференция, названная в честь моего учителя академика Кузьмы Андриановича Андрианова, который официально признан отцом химии силиконов. Именно он обосновал практическую значимость силиконов, организовал их промышленное производство. И на этой Андриановской конференции, на круглом столе мы представляли стратегию развития силиконов в России. Мы ее обсуждали, потому что у нас полностью замкнулся весь цикл от идеи до научных основ производства. Это демонстрация мощи академической науки в правильном ее понимании — она не делает сиюминутные отдельные открытия, она подводит фундамент, на котором можно что-то построить.

— Что же можно построить?

— Новое, бесхлорное производство силиконов. Эта стратегия пошагово расписывает, где, как, какие производства нужно организовать, в какой последовательности, чтобы это было экономически выгодно, чтобы мы выдержали конкуренцию в условиях рынка. Ведь из-за того, что мы перестали производить силиконы, мы не перестали ими пользоваться.

— Для чего вообще нужно производство силиконов?

— Они нужны всем и везде. Во-первых, во всей косметике и моющих средствах, многих лекарствах, которые мы все потребляем, используются силиконы. Особенность силиконов в том, что они необходимы в очень небольших количествах — это добавки, которые в силу своих особенных свойств обеспечивают необходимую растекаемость лакам и краскам либо смягчение тканей. Есть понятие «гриф ткани» — это ощущение, ее характеристика на ощупь. Обработайте шерсть силиконами — любой эксперт потрогает, скажет, что это хорошая ткань, у нее хороший гриф, хорошее ощущение. Они также используются и для меха, других текстильных материалов. Но у силиконов есть глобальные области применения, ради которых их в свое время и начали производить, — это прежде всего космос, авиация, медицина.

— А зачем они там?

— Про медицину мы уже сказали. В космосе это покрытия, герметики, термоморозостойкая изоляция. Как бы вы железки ни скручивали, всегда будут щели. В космосе от –120 и до +250 градусов, это экстремальные температуры. Материалов, которые работают в этом интервале, не так много. Силиконы нужны для этого. В СССР фактически этим дело и ограничилось. Прикладную часть развивали только в самую последнюю очередь. Это жаростойкие эмали, поверхности плит. Силиконы — это прежде всего материалы для экстремальных применений.

Вторая область применений, основанная на уникальных поверхностно-активных свойствах, — пеногасители. Раньше стиральный порошок оценивался так: чем больше пены, тем лучше. Когда появились машины закрытого типа, старым порошком стирать стало невозможно. С одной стороны, нужно, чтобы он стирал, с другой — чтобы пены было мало. Поэтому в любой порошок обязательно входит пеногаситель. Уникальные свойства силиконов обеспечивают то, что пены будет ровно столько, сколько нужно. Борцы с пеной нужны везде: и в производстве бумаги, и при получении сахара. Или дорогая автомобильная техника: все внутренние поверхности стараются покрыть тонким слоем силиконовой резины — и простой дешевый пластик вызывает у вас ощущение дорогого материала.

— Сейчас возрождается производство отечественных автомобилей. Там пользуются такими покрытиями?

— Конечно. Проблема в том, что раньше мы производили необходимые силиконы, а теперь мы их привозим. Стратегия, которую мы приняли на этой конференции, подразумевает как раз возвращение в рынок. Мало произвести силиконы снова — нужно их попытаться продать. Мы ушли с собственного рынка, нас там теперь никто не ждет. Поэтому стратегия подразумевает, что эти новые силиконы, которые мы делаем, будут ориентированы прежде всего на новые рынки. Вначале мы должны их обеспечить, найти новую нишу — место, которое никем не занято, и только потом, когда мы выйдем на рынок со своей новой продукцией, вернем и все ранее утерянное.

— И что это за ниша? Наверняка уже есть достаточно большая конкуренция.

— Безусловно, поэтому я говорю, что это должны быть новые направления. У нас сейчас идет проект, который называется «Новый каталог кремнийорганической продукции». Есть старый каталог, который был выпущен в 1975 г., это раритетное издание. Мы говорим, что можем делать все продукты, которые там уже есть, но задача — создать новый каталог, сделать продукты, которых там нет. В качестве самого яркого примера и самого крупного рынка, на который мы замахнулись, скажу про рынок древесно-стружечных плит. Если вы посмотрите вокруг, то увидите, что вся мебель сделана из ДСП. Мировой рынок ДСП огромен. Примерно 20% в составе ДСП — это связующие. Сейчас это на 90% фенолформальдегидные и мочевиноформальдегидные смолы, которые не очень полезны. Но они долгое время были непобедимы, потому что очень дешевы. И сколько бы экологи ни говорили, что это вредно, от этого надо избавляться, пока в процессах используется формальдегид, от него никуда не денешься, эта мебель будет его выделять.

Мы разработали новое связующее, которое получается очень просто. У нас в лаборатории стоит небольшой аппарат, где в одну стадию из наших новых мономеров получается то самое связующее, используя которое можно сделать экологически чистую ДСП.

— А по цене?

— По цене оно сопоставимо с нынешним, экологически небезопасным.

― Вы сделали такую ДСП?

― Да, мы показали, что это возможно. Мы исходим из того, что можно будет вписаться в технологию производства, основанную на старом связующем, заменив его новым. Это первый громадный рынок, на который мы ориентированы.

Второй рынок, в который мы будем постепенно втягиваться, — рынок поверхностно активных веществ. Их очень много в технике. Про пеногасители мы уже говорили, но у силиконов есть и их антиподы — моющие средства. Например, торговая марка Persil подразумевает, что в составе есть силикон и перекись. Этот немецкий порошок, совершенно очевидно, базируется на этих соединениях. Это направление — тоже огромные объемы рынка, в которые мы надеемся войти. Эти два направления колоссально загрузят новые производства. Рынок для них неисчерпаем.

У нас в стране сейчас взят курс на деревянное домостроение, соответственно, нужны различные пропитки для дерева, которые должны повышать его потребительские свойства. В этом плане силиконы вне конкуренции, потому что они дышат. У силиконов очень хорошие мембранные свойства, они отлично защищают материалы от воды, но пропускают и пары влаги, и воздух. Если вы красите деревянную поверхность обычной краской, вы фактически закупориваете ее «дыхание», а силиконовая пропитка будет, с одной стороны, придавать водо- и грязеотталкивающие свойства, обеспечивая консервацию от окисления поверхности, и в то же время будет оставлять дереву возможность «дышать». Традиционных рынков очень много, и мы надеемся, что с нашими новыми полимерами мы выйдем на новое поколение и с точки зрения управления свойствами новых соединений.

— Отличается ли способ работы над новым каталогом от того, что было раньше?

— Основная номенклатура старого каталога разработана на уровне эмпирического подбора, когда вы смешиваете компоненты, потом смотрите на свойства, меняете соотношения, режимы обработки и, наконец, достигаете какого-то оптимума. Вы не знаете, как происходит реакция, — вы только знаете, что это дольше погрели, этого больше добавили, все записали, и теперь можете все это воспроизвести, но как это работает, вы не знаете. Это называется «метод черного ящика».

Современная химия другая. Мы же в эти силиконы, в эти глубины фундаментальных начал спустились из области управления структурой особых полимеров — дендримеров. Использованные там мономеры и подходы фактически позволяют нам управлять структурой и через нее — свойствами. Мы теперь знаем, что происходит в «черном ящике».

А раз мы это знаем, то, во-первых, совершенно по-другому отрабатываем эти возможности. Поиск оптимума сокращается. Во-вторых, бывает так, что у вас несколько экстремумов и вы никогда не знаете, что это — самый главный максимум, вы уже на вершине или это вы вошли на первое плечо горы. У альпинистов часто так бывает. Когда вы работаете в режиме «черного ящика», вы можете найти какой-то оптимум, но вам не видно «горы», потому что стенки черные. А здесь вы можете продолжать поиск и доходить до главного оптимума — этот момент очень важен. Так что мы сейчас действительно на очень большом подъеме. Фактически подводим итоги огромного этапа работы двух молодых очень мощных лабораторий. У нас была книга, которую мы назвали «Зеленая химия силиконов». Она была написана немного авансом. Мы там честно писали: для того, чтобы все это состоялось, нужно, чтобы мы победили прямой синтез. Сейчас мы его победили и будем совершенно осознанно и осмысленно готовить уже третье издание книги. У нас есть ощущение, что мы сделали свою, академическую часть задачи на топовом уровне.

― А что дальше? Есть ли интерес к вашим работам у тех, кто принимает решения и может выводить все это на промышленный уровень?

― Мы разрабатывали стратегию развития силиконов в России под конкретный комбинат. Стратегия подразумевает, что организуется вертикально интегрированный консорциум, который будет работать по этим новым технологиям. Но сейчас крупные игроки очень трудно сходятся в такого рода объединения. Я бы так ответил на ваш вопрос: интерес у участников рынка есть, но умеренный. Поэтому здесь нужно, чтобы люди осознанно подходили к реализации преимуществ новых силиконов с тем, чтобы у них была не просто стратегия производства, а стратегия завоевания рынка.

— Где же взять таких людей?

— Сейчас довольно много конструктивных предпринимателей с деньгами, которые хотят инвестировать в производство. Рассчитываем, что мы их найдем и заинтересуем, хотя это непросто. Нужны не просто люди с деньгами, нужны люди с пониманием, с какой-то стратегической жилкой, с желанием шагнуть за горизонт.

— Как вы думаете, получится?

— Безусловно. С момента, когда мы замкнули эту цепь от идеи до результата, мы абсолютно уверены, что все получится, других вариантов нет. Своим ребятам я говорю, что у нас есть пять лет, за которые надо превратить науку в технологию. Смотрю на это с оптимизмом. Как вы заметили, у нас две большие лаборатории, где работает очень много молодежи. Это амбициозный коллектив, который во всем этом вырос, знает всему этому цену, и, я думаю, так или иначе, рано или поздно, но все задуманное будет сделано. Поэтому сомнений в том, что страна будет со своими силиконами, у меня нет.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

---

Источник