Как производят современные синтетические материалы, мы уже рассказывали в наших материалах. Казалось бы, технологии в этой области уже отработаны. На самом деле индустрия продолжает набирать обороты. Одну из главных ролей в этом играют новые катализаторы. Для чего они нужны и как с их помощью управляют свойствами полимеров? Что такое суперпластик? Какие специалисты нужны в нефтехимии? Об этом порталу Наука.рф рассказал директор по научному развитию Научно-исследовательского центра «СИБУР Инновации», кандидат химических наук Николай Колосов.
— Николай, вы долгое время руководили направлением разработок в области полиолефинов. Что это за материалы?
— За этим названием кроются полиэтилен и полипропилен — универсальные виды пластика, из которых создают много вещей: от пищевой упаковки и товаров повседневного спроса до транспорта и инженерных систем. Это самый крупнотоннажный класс синтетических полимеров в мире.
Интересно, что эта индустрия возникла практически случайно. В 1933 году британские химики Эрик Фосетт и Реджинальд Гибсон проводили эксперименты с газами под высоким давлением. В емкость закачали смесь этилена и бензальдегида. Они не учли, что в реакторе образовалась щель, куда попадал кислород. Когда давление внезапно упало, газы превратились в твердое вещество — полимеризованный этилен (полиэтилен). С тех пор производство активно развивалось, а полиэтилен стал самым востребованным синтетическим материалом в мире.
— Получается, что полимеры производят уже около ста лет. Если эта технология налажена, для чего им нужны новые катализаторы?
— У одних и тех же полимеров могут быть разные свойства: прочность, гибкость, ударная вязкость и другие. На это влияет не только химический состав, но и структура на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Сформировать ее позволяют катализаторы. Они играют основную роль в производстве, выступая архитектором в создании полимерной цепочки. В нашей области, нефтехимии, это базовый ингредиент.
За одну из таких технологий — катализатор Циглера-Натта — в середине прошлого века ученые получили Нобелевскую премию. Почему это важно? Раньше полимеризация часто протекала хаотично, из-за чего итоговый продукт получался с разной структурой и, соответственно, свойствами. Катализаторы Циглера-Натта позволили контролировать процесс, став дополнительным драйвером в индустрии.
Иногда подобные соединения еще и помогают предлагать абсолютно новые решения. Например, долгое время считалось, что газонапорные трубы можно создавать только из металла. Благодаря появлению новых катализаторов появились виды полиэтилена, которые подходят для этих конструкций. Они способны выдерживать условия эксплуатации и упрощают процесс монтажа.
— Каких успехов удалось достичь вашей научной группе?
— В научно-исследовательском центре «СИБУР Инновации» мы разрабатываем новые структуры катализаторов, с помощью которых полиэтилен и полипропилен приобретают новые свойства. Наша задача — расширить область применения материалов, научиться управлять их свойствами, в том числе, чтобы мы сами, как потребители, были довольны конечным продуктом.
Например, сделать так, чтобы упаковка от шампуня была с эффектом софт-тач (англ. soft touch — «мягкое прикосновение»), то есть имела эластичное покрытие, придающее поверхности приятную бархатистую текстуру, долго хранилась, не теряла цвет.
— Для чего нужны хромовые катализаторы?
— Они подходят для производства полиэтилена, из которого делают упаковочные материалы: пакеты, пластиковые бутылки, топливные баки. Области применения могут быть разные.
Производством таких полимеров занимаемся не только мы. Каждый производитель стремится сделать свой продукт надежнее, долговечнее: чтобы, скажем, канистра из его сырья служила долго и не раскололась на части. Случится это или нет, зависит от катализаторов. При этом нужно не забывать про органолептические свойства материалов: они должны быть визуально приятными, без лишних вкраплений.
— Вы также работаете над технологиями получения сомономеров, в частности, гексена-1. Что это за соединение?
Чтобы получить мономеры, также используют катализаторы, но уже другого типа: гетерогенные. Разработки в этой области — отдельный большой пласт работы «СИБУР Инноваций».
— Что насчет новых видов пластика?
— Одно из перспективных направлений связано с функционализацией полимеров. Например, полимерные материалы с эффектом памяти: если у продукта появился дефект, его можно нагреть и он вернется в исходное положение. Не придется покупать новую деталь.
Еще очень востребованы суперконструкционные пластики. Например, полиэфиркетонкетоны (ПЭКК) обладают широким диапазоном свойств, в том числе выдерживают температуру от минус 60 до 260 градусов Цельсия. Или полиарилсульфоны (ПАСУ) — из них создают изделия с высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе хирургические инструменты. Другой суперпластик — полидициклопентадиен (ПДЦПД). Благодаря высоким прочностным характеристикам этот полимер распространен в автопроме. Из него получаются легкие детали, подходящие в том числе для грузовых автомобилей.
— Как вы оцениваете свои достижения?
— В нефтехимии мы входим в десятку стран с самыми эффективными фундаментальными разработками. У нас много собственных разработок, патентов, научных публикаций. Наиболее сложной стадией является масштабирование, когда мы берем молекулу или технологию, полученную и испытанную в лаборатории, и начинаем испытывать ее в промышленных или полупромышленных масштабах. Чтобы ускорить эти процессы и вынести их за периметр основных производств, мы создали в Тобольске Центр пилотирования технологий. По сути, это завод в миниатюре, где можно испытывать катализаторы и спецкомпоненты, отрабатывать технологические режимы и моделировать процесс запуска новых производств.
Благодаря полному циклу исследований и инфраструктуре из десяти научно-исследовательских центров по всей стране мы имеем возможность не только вести и внедрять разработки в разных направлениях (как самостоятельно, так и совместно с ведущими научными организациями), но и создавать собственные производства малотоннажной химии. Я уже говорил про катализаторную фабрику, также в этом году в Воронеже мы запустим производство н-бутиллития*.
— Какие трудности есть в полимерной отрасли?
— Одна из проблем — это то, с какой скоростью сейчас появляются новые решения. Динамика разработок с применением современных математических инструментов и нейросетей растет по экспоненте. Нам необходимо иметь технологии, позволяющие успевать за этой динамикой, проходить цикл разработки в минимальные сроки. Для этого важно развивать два направления: вычислительную химию с использованием генеративного искусственного интеллекта и создание проприетарных роботизированных научных платформ, кратно повышающие качество и скорость накопления данных.
Еще один вызов — создание конкурентоспособных технологий. Мы остаемся участниками международного рынка и как минимум не должны уступать существующим альтернативам. Стоит отметить и экологическую безопасность. В полимерной индустрии активно создаются новые технологии вторичной переработки. Разобрать готовое изделие до мономеров, чтобы собрать из него новый полимер — непростая задача, но мы работаем в этом направлении, успехи уже есть.
Сейчас во многих университетах и научных институтах занимаются разработками, связанными с созданием молекул с новыми свойствами. Наша задача здесь — как вести собственные разработки, так и подхватывать эти решения и смотреть, к каким практическим результатам они могут привести. В новом Центре научных исследований и масштабирования технологий мы сможем вести совместные исследования (для этого будет предназначен целый ряд лабораторий).
— Каких специалистов сегодня ждут в этой индустрии?
— В нефтехимии нужно обладать хорошим фундаментальным образованием, разбираться в органической, каталитической химии и других ее областях. Но не только. Программирование и работа с нейросетями перешли из дополнительных преимуществ в разряд обязательных навыков. Поскольку мы используем предиктивные модели*, чтобы оптимизировать эксперименты, строить прогнозы и быстрее принимать решения. Также, нужны новые кадры, которые раньше не участвовали в производстве: математики, инженеры-робототехники и другие специалисты.
Однако наше образование сосредоточено преимущественно на фундаментальной науке. Эти знания, безусловно, необходимы, но у студентов может сформироваться ограниченное представление о процессах в индустрии. Это создает разрыв между базовыми знаниями и пониманием практического применения. Например, молодой химик едет в электричке и замечает, что все трясется и стучит. Он понимает: если разработать материалы с определенными свойствами для виброизоляции путей, можно сделать транспорт для людей комфортнее. Научить строить такие цепочки могут не везде.
Поэтому студентам и школьникам, желающим связать свою жизнь с нефтехимией, я бы посоветовал выбирать учебные программы, помогающие понять, как работает индустрия. Это касается не только химии, но и любых других направлений.
— Какие проекты можете посоветовать молодым ученым, чтобы освоить эти навыки?
В этом учебном году мы с НИУ ВШЭ запускаем совместную специализацию «Новые полимерные материалы и нефтехимия» в рамках магистерской программы «Химия молекулярных систем и материалов». Ее цель — сформировать компетенции в области фундаментальной химии, но с фокусом на нефтехимические процессы. Участникам курса расскажут о производстве, синтезе и применении компонентов в полимерной отрасли, познакомят с цифровыми инструментами для разработки продуктов. Помимо преподавателей НИУ ВШЭ, значительную часть программы будут вести специалисты СИБУРа. Мы рассчитываем, что эта программа позволит сформировать у будущих специалистов целостное восприятие нефтехимической индустрии.
Мы сотрудничаем с университетской гимназией МГУ имени М. В. Ломоносова. Недавно открылся первый профильный класс, где школьники могут углубленно изучать химическую технологию. На мастер-классах и учебных проектах ребята знакомятся с научными разработками, учатся проводить лабораторный синтез и тестировать свойства простых полимеров, узнают об экологических проектах, например, о том, как в нефтехимической отрасли стараются снизить углеродный след.
Цель этих проектов не столько в том, чтобы подготовить потенциальных сотрудников для нашей компании. Предприятиям и университетам важно создавать академическую среду — такую, в которой генерируются идеи, и в которой учатся задавать хорошие вопросы. Именно такие инициативы ускоряют путь и открывают новые перспективы в развитии технологий.
Беседовала Анна Шиховец
