Состояние отечественной химии фторполимеров и возможные перспективы развития
В. М. Бузник
Введение
Политетрафторэтилен — базовый полимер класса фторполимеров — обладает рядом удивительных свойств: высокой химической стойкостью, нерастворимостью в большинстве известных растворителей, высокой гидро- и лиофобностью, прекрасными электроизоляционными качествами, рекордно низким коэффициентом трения, высокой климатической стойкостью, неподвержен старению, не токсичен, обладает биосовместимостью с живыми тканями. Набор этих свойств обеспечил применение политетрафторэтилена во многих отраслях науки, техники, промышленности, в медицине и быту. Дополнительное достоинство полимера — сохранение эксплуатационных характеристик в широком температурном интервале, от –269 °С до + 260 °С, что является большой редкостью для полимеров. Материал легко подвергается механической обработке, что позволяет достаточно просто изготавливать из него различные изделия.
Наряду с достоинствами политетрафторэтилен имеет ряд недостатков, ограничивающих его более широкое применение. Сдерживающие факторы можно разделить на три группы: технические, экологические и экономические. Технические факторы проявляются в хладотекучести материала (развитие пластической деформации под давлением при температуре значительно ниже температуры размягчения), в низкой теплопроводности, в малой износостойкости полимера при механическом воздействии, в слабой адгезии к поверхностям материалов и изделий. Экологические проблемы вызваны большим количеством отходов в производстве изделий из политетрафторэтилена и сложностями вторичной переработки отходов и их уничтожения. Экономический фактор выражается в высокой стоимости материала по сравнению с углеводородными полимерами, и это основное ограничение более активного практического использования политетрафторэтилена. По этой причине политетрафторэтилен стараются заменить во всех возможных случаях, и материал используется лишь там, где невозможна его замена по функциональным соображениям.
Рынок и отечественное производство фторполимеров Годовой выпуск фторполимеров не велик, порядка ста тысяч тонн, что составляет менее 0, 1% мирового производства всех полимеров, однако в стоимостном выражении фторполимерный сегмент рынка значительный — более 2, 5 млрд. долл. и имеет устойчивую тенденцию к росту. Основная доля производства фторполимеров приходится на политетрафторэтилен (60— 80%). Стоимость фторполимерных продуктов сильно различается. Если для порошка политетрафторэтилена она составляет десятки долларов за килограмм, то для пленок типа «Naёon» цена вырастает до 50 тысяч долларов. Современная тенденция рынка фторполимеров состоит в устойчивом росте доли высокотехнологичных продуктов. Другая особенность нынешнего рынка — появление новых производителей, в частности компаний КНР, которые по объему производства политетрафторэтилена выходят на передовые позиции, завоевывая покупателей низкими ценами.
Ситуация относительно фторполимерного производства в России такова: имеются два основных производителя — ООО «Завод полимеров Кирово-Чепецкого химического комбината им. Б.П. Константинова»
(г. Кирово-Чепецк) и ОАО «Галоген» (г. Пермь), входящих в один холдинг. Совместный объем производства фторполимеров составляет десятки тысяч тонн в год; ассортимент продуктов и изделий достаточно широкий, однако существенно уступает основным зарубежным производителям. Надо сказать, что технологические процессы, реализованные на этих предприятиях, были разработаны более тридцати лет назад и в значительной В. М. Бузник 8 мере исчерпали свои инновационные ресурсы. Назрела необходимость усовершенствования существующих технологических процессов с целью снижения себестоимости, энерго- и ресурсосбережения, расширения ассортимента производимых продуктов с включением высокотехнологичных и высокостоимостных продуктов и изделий.
Важной составляющей производства политетрафторэтилена должна быть технология вторичной переработки промышленных отходов в товарную продукцию. В настоящее время имеется несколько способов переработки. Один из них — термическое разложение отходов до газообразных продуктов, которые при определенных технологических режимах образуют ультрадисперсные порошки за счет нуклеативных и конденсационных процессов. Таким способом получают порошки политетрафторэтилена торговых марок «Форум» и «Флуролит». Другой способ — механическая обработка на струйных мельницах порошкообразных отходов, предварительно подвергнутых облучению. Таким способом получают порошок марки «Томфлон». Возможна переработка отходов в товарные порошки политетрафторэтилена механоактивационным способом с помощью дезинтеграторов, а также методом лазерной абляции. Если учесть, что отходы для производителей фторполимеров являются побочным продуктом, а стоимость конечного продукта может существенно превышать цену промышленных порошков, то методы переработки оказываются вполне рентабельными.
Дальнейшие исследования в области развития технологических процессов получения фторполимеров должны быть направлены на поиск принципиально новых научно-технических подходов к синтезу этих материалов. Например, эффективным представляется производство фторполимеров на основе синтеза в среде сверхкритического диоксида углерода, что может обеспечить определенные технологические преимущества, в частности, непрерывность процесса по сравнению с современными загрузочными технологиями, а также даст возможность получать новые продукты. В этом направлении активно работает компания «Дюпон». В России в этой области работает лишь одна группа (представившая материал в данном номере). Отсутствие интереса отечественных производителей к новой технологии может привести к серьезному отставанию российской фторполимерной промышленности.
Важной задачей является расширение ассортимента продуктов, производимых на основе фторполимеров, в частности, композитов с различными наполнителями, включая наноразмерные. Проблема синтеза фторполимеров с наполнителями, имеющими наноразмеры, довольно сложна, поскольку растворные технологии здесь не применимы, а высокая вязкость расплавов фторполимеров затрудняет получение композитов с неагрегированными наполнителями. Один из путей синтеза композитов и улучшения их свойств, включая эксплуатационные, — обработка наполнителей химическими и плазмохимическими методами, что обеспечивает возможность регулирования взаимодействия наполнителя со фторполимерной матрицей.
Зачастую новые продукты относятся к числу малотоннажных, и их производство на больших предприятиях может казаться малоэффективным. Поэтому закономерно появление малых инновационных предприятий, производящих один или несколько фторполимерных продуктов или изделий в небольших объемах. В настоящее время такие малые предприятия производят фторполимерные ультрадисперсные порошки, получаемые различными способами, в том числе с использованием отходов от производства политетрафторэтилена («Форум» — Институт химии ДВО РАН, г. Владивосток: «Томфлон», г. Томск; «Флуролит», г. Москва). В Санкт-Петербурге функционирует предприятие «Экспресс-Эко», производящее фильтровальные материалы, и научно-производственная компания «Экофлон», выпускающая уникальные имплантаты из фторопласта 4Д. На базе больших крупных предприятий или научных институтов создаются малые инновационные фирмы, занимающиеся производством продуктов и изделий на основе фторполимеров, выпускаемых головным предприятием, или реализующие научно-технические разработки исследовательских институтов. Как следует из практики мировой рыночной экономики, такая ситуация является нормальной, и ее следует поддерживать, добиваясь взаимной выгоды для малых предприятий, крупных производителей, разработчиков фторполимеров. Малые предприятия могут стать полигоном для «обкатки» новых технологий и производства новых фторполимерных продуктов. Производя новый продукт, малые предприятия способствуют зарождению новых сегментов рынка и в случае успеха имеют шанс вырасти в крупные компании или передать производство на большие предприятия.
Состояние современной отечественной фторполимерной химии Фторполимеры относятся к высокотехнологичным продуктам, их производство налажено, как правило, в странах, обладающих высоким научно-техническим потенциалом. Невелико и количество фирм-производителей — их не более двух десятков. Создание технологий и производства фторполимеров требует определенного уровня развития химии полимеров, химии фтора, химической технологии в целом, химического машиностроения и других смежных областей. Такое сочетание имеет место далеко не во всех странах. Высокотехнологичный характер фторполимерной продукции выражается и в том, что ее производство тесно связано с научными исследованиями, нацеленными на постоянное совершенствование технологии, производство нуждается в непрерывном мониторинге технологических процессов и продуктов, а разработка новых высокотехнологичных продуктов требует повышенных материально-технических затрат. Как правило, основные производители фторполимеров имеют собственные аналитические и исследовательские структуры, но они Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2008, т. LII, № 3 9 активно сотрудничают и со сторонними научными организациями и вузами, ибо сложно в одной организации вести исследования по всему спектру отмеченных вопросов.
Случайность открытия политетрафторэтилена и обнаружение неожиданных свойств материала во многом связаны с тем, что фторполимеры не имеют природных аналогов в отличие от углеводородных полимеров. Фторполимеры — искусственные материалы, типичный антропогенный продукт. Можно смело предполагать, что «лимит» случайности в изучении фторполимеров исчерпан, и для дальнейшего развития фторполимерного производства и фторполимерной химии, для создания новых наукоемких и высококачественных продуктов необходимы глубокие фундаментальные исследования во многих разделах химии и химической технологии.