CC BY
94
УДК 378.4(410) : 541.64
И. Н. Бакирова
СТАЖИРОВКА В ВЕЛИКОБРИТАНИИ ЧАСТЬ 2. НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УНИВЕРСИТЕТОВ В ОБЛАСТИ
ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Ключевые слова: университеты Великобритании, полимерные материалы
Обзор исследований в области полимерных материалов, проводимых в Манчестерском университете, Нортумбрийском университете, Лондонском университете Метрополитен и Имперском колледже Лондона, а также в центре исследования и продвижения малазийского каучука.
Keywords: universities in the UK, polymer materials
The overview of polymer materials research being carried out at the University of Manchester, Northumbria University, London Metropolitan University and Imperial College London, as well as at the Tun Abdul Razak Research Centre is presented.
В первом сообщении [1] рассмотрен вопрос организации обучения в университетах Великобритании, в которых автор проходил стажировку в ноябре 2010 года. В настоящей работе читатель знакомится с исследованиями университетов, относящимися к полимерным материалам.
Великобритания является центром не только мирового образования, но и центром научных исследований мирового уровня. Сказанное можно в полной мере отнести к работам университетов в области полимерных материалов.
В Манчестерском университете полезной информацией в области полимеров являются сообщения профессора Эндрю Уолкера и доктора Эйхорна о композиционных материалах. Востребованность указанных материалов особенно будет высока в транспортной индустрии. В этой отрасли стоит задача снижения веса автомобилей и авиационной техники с целью экономии энергоресурсов и, как следствие, уменьшения загрязнения окружающей среды. Решением проблемы является создание легких композиционных материалов, наиболее перспективными из которых являются углепластики.
При Манчестерском университете создан межрегиональный Центр исследования композитов, работающий в следующих направлениях:
• нанокомпозиты;
• текстильные композиты;
• структурные композиты;
• ядерные композиты;
• негорючие композиты.
Нанокомпозиты разрабатываются на основе углеродных нанотрубок, наноглины, наноцеллюлозного волокна и графена. Углеродные нанотрубки вводятся в расплав полимера в количествах не более 1 % масс., при этом их ориентация достигается под действием внешнего магнитного поля. Получение материалов на основе графена ведется в тесном сотрудничестве с его открывателями лауреатами Нобелевской премии Геймом и Новоселовым. Нанокомпозиты характеризуются исключительно высокой прочностью.
Ведутся работы по созданию композитов с использованием углеволокна растительного происхождения, поставляемого из Австралии.
Центр исследования композитов имеет хорошо оснащенную лабораторию для испытания материалов. В лаборатории имеется пресс с гибкой матрицей для изготовления композитных плит, из которых методом гидроабразивной резки получают образцы различной
формы. Перед тестированием образцы подвергаются ультразвуковой диагностике на предмет наличия в материале дефектов. Есть компьютеризированное оборудование, позволяющее определять весь комплекс физико-механических характеристик материала: прочность при растяжении, сжатии, при многократном кручении и изгибе. Испытания могут проводиться как в нормальных условиях, так и в условиях повышенных и пониженных температур.
Исследовательская деятельность Нортумбрийского университета была представлена только Центром биомедицинских и биомолекулярных наук, организованного при школе биологических наук. Работы Центра ведутся в направлении создания: лекарственных препаратов, в т. ч. противораковых; диагностических реагентов для биомедицины; селективных хелаторов Fe (III), предотвращающих рост бактерий на твердых поверхностях; катализаторов окисления углеводородов на основе комплексов переходных металлов; жидких кристаллов для органических светодиодов; прогностической вычислительной химии и др.
Была организована экскурсия по химическим и исследовательским лабораториям Центра. В распоряжение исследователям предоставлены современные приборы и оборудование: ИК-, УФ-спектрометры и ЯМР-спектрометры высокого разрешения фирмы Bruker с Фурье преобразователем, трансмиссионный (просвечивающий) электронный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, хроматомасс-спектрометры и др.
С технологическими решениями Имперского колледжа Лондона в области
нанотехнологий знакомили профессор Эндрю Левингстон, занимающийся исследованиями в области нанофильтрации органических сред, и профессор Эндрю де Мело, работающий в сфере микрожидкостных систем.
Нанофильтрация органических сред предполагает использование полимерных мембран для разделении молекул веществ, находящихся в органических растворителях. Отсутствие фазовых переходов при нанофильтрации органических сред обеспечивает низкую
энергоемкость этой технологии по сравнению с традиционными дистилляционными методами разделения. Основной характеристикой мембраны является ее разделительная способность, о которой судят по кривым отторжения. Для тестирования пропускающей способности мембран группа Левингстона предложила использовать олигомеры на основе стирола. Последние хорошо растворяются в органических растворителях и легко выявляются с помощью УФ-спектрометрии.
Далее профессор Левингстон рассказал о разработке технологий получения мембран третьего поколения, к которым относятся:
• сетчатые полиимидные мембраны;
• сетчатые полиамидные мембраны;
• тонкопленочные композитные (ткань плюс сетчатый полиамид) мембраны, формируемые межфазной полимеризацией.
Нанофильтрационные мембраны третьего поколения отличаются стойкостью к действию агрессивных органических сред, отличной проницаемостью в сочетании с селективностью, достаточно большим сроком эксплуатации.
В условиях промышленной эксплуатации мембраны используются в виде картриджей со спиральной навивкой.
Разработанные нанофильтрационные мембраны уже используется в промышленности для депарафинизации моторных масел (WR Grace и ExxonMobil), удаления ртути из газовых конденсатов (Shell), отделения гомогенного катализатора на основе дорогостоящего металла (Pd, Pt, Ru и др.) от продуктов реакции с последующим возвращением его в реакционный цикл (Evonik).
Большие перспективы у технологии нанофильтрации органических сред в фармацевтике и в особо чистых веществах, где они могут использоваться для очищения продукта, замены растворителя (высококипящий растворитель заменяется на низкокипящий), отделения гомогенного катализатора и повторного его использования, синтеза пептидов.
Второй цикл лекций затрагивал область микрофлюидных технологий. В микрофлюидике объектами исследований являются микрожидкостные системы с наноразмерами. Их формирование осуществляется в наноструктурах, изготовленных в виде изолированных цилиндрических каналов, нанощелей или в виде массива наноканалов в таких материалах как кремний, стекло, кварц и полимеры. Среди этих материалов особенно перспективным является полидиметилсилоксан. Он может быть повторно использован без изменения свойств, позволяет осуществлять отливки наноканалов с высокой точностью, прозрачен до 300 нм, позволяет легко выявить дефекты, химически инертен, нетоксичен и относительно недорог.
Положительными сторонами микрофлюидных технологий являются:
• экономия затрат через микрообработку;
• снижение затрат на реагенты и энергию;
• портативность (точечное применение);
• превосходная аналитическая призводительность;
• легкий процесс интеграции и автоматизации (микроэлектроника);
• функциональность.
Одной из наиболее перспективных областей применения микрофлюидных технологий является создание «лабораторий на одном чипе». Сообщалось об исследованиях капиллярного электрофореза, смешения жидкостей и синтезе молекул в микромасштабах.
Примерами применения микрофлюидики являются: синтез биополимеров, синтез радиохимикатов с чистотой до 96% и диагностические устройства. В случае индивидуальных живых систем использование микрофлюидных платформ позволяет не только анализировать многие параметры индивидуальных клеток в реальном времени, но и с высокой точностью регулировать условия окружающей среды.
В Центре исследования полимеров Лондонского университета Метрополитен был сделан доклад о современном состоянии и перспективах развития производства и потребления пластмасс в Великобритании.
В Великобритании потребляется ежегодно 4,8 млн. т. пластмасс, производится - 2,5 млн. т. Годовой объем продажи пластиковых материалов составляет 13,1 млрд. фунтов, объем экспорта - 4,6 млрд. фунтов. Отрасль по производству и переработке пластмасс насчитывает 7430 компаний, в которых работает 186 тыс. чел.
Наибольший процент компаний по производству и переработке полимеров сосредоточен на западе Мидланда(12%), северо-западе (12%) и юго-западе (12%) Англии.
Распределение полимерных материалов по отраслям следующее:
• тара и упаковка - 38%;
• строительство - 22%;
• транспорт - 7 %;
• утепление домов - 7 %;
• электроника - 6%;
• медицина - 2%;
• прочее - 18%.
Основными методами переработки полимеров в изделия являются инжекционное формование, термоформование и экструзия.
Будущее британской промышленности пластмасс будет позитивным. На это есть все основания:
• Отрасль по-прежнему остается привлекательной для инвестиций.
• Промышленность тесно сотрудничает с такими сильными академическими центрами, как Belfast, Bradford, Queens, London Met., Leeds, Sheffield и др., а также с мировой индустрией дизайна.
• Промышленность движется в направлении развития высоких технологий.
• Заложены сильные основы по переработке пластмасс.
• Имеется мощный парк машин и оборудования для производства, переработки и испытания пластмасс.
• Имеется исходное сырье для производства полимеров.
Марион Ингл, являющаяся менеджером по развитию бизнеса в Центре исследования полимеров, поделилась опытом по оказанию услуг в области полимеров для бизнеса и общества.
Центр исследования полимеров оказывает следующие услуги:
• Проводит лекции студентам, учебному персоналу, производственникам, используя при этом накопленный опыт и знания по исследованию и переработке полимеров.
• Решает проблемы производства.
• Оказывает консультационные услуги, как предприятиям, так и населению.
Источниками финансирования Центра являются:
• Проекты, финансируемые правительством Великобритании.
• Проекты, финансируемы Евросоюзом.
• Договора, финансируемые предприятиями по производству и переработке полимеров.
• Некоммерческие организации.
• Школы, колледжи и другие университеты.
• Частные лица.
Большой объем работ проводится по рециклингу пластиковых и резиновых изделий, вышедших из эксплуатации. В соответствии с правительственной программой по утилизации отходов Центр реализует проект по разработке материалов на основе отходов полиэтилентерефталата. Сотрудники Центра разработали технологию получения желобов для дождевой воды, базирующуюся на использовании предварительно измельченных, очищенных и осушенных отходов полиэтилентерефталата (тара из-под питьевых напитков) и целевых добавок (антиоксиданты, реологические добавки, красители и др.). Изделия, полученные на основе отходов, превосходят аналогичные на основе ПВХ, по стойкости к УФ-облучению, термостойкости и прочности. Кстати, население страны уже на протяжении 30 лет приучено дифференцировать бытовой и производственный мусор. Все контейнеры, установленные на улицах городов, имеют четыре секции: для стекла, для бумаги, для пластиковых бутылок и для прочих отходов.
Контейнер для мусора
Работа Центра с некоммерческими организациями иллюстрируется следующим примером. Девушка подала идею по сбору жевательной резинки и придумала конструкцию емкости для сбора «жевачек», напоминающую апельсин. Ее изобретение было продано городским властям, которые объявили конкурс на изготовление такой емкости. Центр предложил метод изготовления этого изделия - пневмоформование, материал, состоящий на 10% из жевательной резинки и на 90% из полиэтилена, а также разработал форму для получения изделия. Сейчас эта идея воплощена в жизнь: на улицах города появились небольшие ярко-оранжевые круглые контейнеры для сбора жевательной резинки, прикрепляющиеся к вертикальным поверхностям. Эта идея могла бы быть с успехом реализована и в России, ведь на улицах и в помещениях учебных заведений «жевачки» стали по истине настоящим бедствием.
• • •.
> •••,*
LONDON metropolitan•, univt»rM*y • •
Challenges
♦ Process selection - blow moulding
♦ Part design for manufacturing
♦ Mould design
♦ Compounding bubble gum (polyisobutylene) with polyethylene for blow moulding
Контейнер для сбора «жевачек»
Со способами переработки полимерных материалов в изделия знакомил доктор Мэтью Филипп. Доклад был рассчитан на студенческую аудиторию, поэтому ни у кого из специалистов - полимерщиков российской делегации он не вызвал особого интереса. Однако иллюстрационный материал был очень ярким и наглядным. Его можно позаимствовать для презентации соответствующих лекций.
Центр имеет лабораторию с оборудованием для переработки полимеров, на котором выполняются исследования и ведется обучение студентов. Здесь установлены лабораторный и полупромышленный экструдеры, литьевые машины, вальцы, оборудование для термопрессования, пневмоформования и ротационного формования, а также агрегат для получения пленок рукавным методом. Сотрудники показали работу каждой машины. Следует сказать, что оборудование не совсем новое: экструдеры 80-х годов, пресса - 60-х годов, но все оно находится в рабочем состоянии.
Программа стажировки предусматривала также посещение Центра исследования и продвижения малазийского каучука (Tun Abdul Razak Research Center). Поскольку профессиональная деятельность автора статьи связана с кафедрой технологии синтетического каучука, эта поездка представляла для автора особый интерес.
Центр был основан в 1938 году. С 1974 года по сегодняшний день Центр располагается в Англии на территории площадью в 16 га, купленной правительством Малайзии. Административное здание и лабораторные корпуса Центра находятся в окружении живописнейшей парковой зоны с редкими породами деревьев, искусственным каналом с водоплавающими птицами.
В Центре проводятся работы по двум направлениях. Первое связано с разработкой материалов на основе натурального каучука (НК) и продвижением продукции на рынок. Оно охватывает вопросы, касающиеся маркетинга, разработки перспективных материалов и
продукции на их основе, биотехнологии и исследования свойств материалов. Второе направление включает передачу знаний предприятиям, инженерные решения и испытание продукции.
Центр работает более 70 лет. Первые 30 лет занимались, главным образом, фундаментальными исследованиями в области химии и физики каучука (вулканизация и окисление, эластичность и старение.) В последующие 30 лет доминировали прикладные аспекты исследований. В настоящее время больший акцент делается на разработку материалов на основе НК (нанокомпозиты, эпоксидированые каучуки, резины, герметики, зимние шины и др.) и на возобновляемые материалы (НК, биодобавки, биомасла)
Работы, выполненные в течение первые 25 лет, включены в книгу «The Chemistry & Physics of Rubber-like Substances», Ed. L. Bateman (Maclaren & Sons, London, 1963). Исследования вторых 25 лет отражены в книге «Natural Rubber Science & Technology», Ed.. A.D. Roberts (Oxford University Press, 1988). В 2013 году планируется выпуск новой книги, отражающей исследования последних 25 лет.
Программа исследований Центра включает:
• Проекты, относящиеся к биотехнологии: повышение урожайности гевеи,
повышение устойчивости гевеи к заболеваниям и т. д.
• Проекты, относящиеся к материалам: разработка новых материалов на основе НК с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
• Инжиниринговые проекты: инновационная продукция.
• Трансфер знаний предприятиям, производящим продукцию на основе НК для повышения ее качества и конкурентоспособности.
• Проекты, направленные на маркетинг и продвижение продукции: поиск новых рынков сбыта.
• Проекты по оказанию услуг: аналитические, физико-механические и
эксплуатационные испытания.
Лаборатория биотехнологии открыта относительно недавно - в 2002 г. Ее возглавляет доктор Мария Колесникова. Под ее руководством проведены исследования, в результате которых полностью расшифрован геном бразильской гевеи. Последнее имеет чрезвычайно важное значения для работ, связанных с НК. Кроме того, проводятся исследования по разработке и применению молекулярных маркеров и аллергии на латекс.
Лаборатории Центра оснащены современным оборудованием, позволяющим проводить следующие анализы:
• Спектроскопия: ИК -спектрометроскопия с Фурье преобразователем, УФ-
спектрометрия, ЯМР.
• Хроматография: газовая хроматография, газовая хроматография совмещенная с
масс-спектроскопией, тонкослойная хроматография,
высокоэффективная жидкостная хроматография, гель проникающая хроматография, ионная хроматография.
• Термический анализ: термогравиометрия, термогравиометрия совмещенная с ИК-
спектроскопией, дифференциально сканирующая
калориметрия.
• Микроскопия: световая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия,
просвечивающая электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия.
• Химическое титрование.
Лаборатория по переработке каучука располагает всеми видами оборудования: вальцами, каландрами, экструдерами, прессами с масляным обогревом, литьевыми машинами и др.
В лаборатории по испытаниям имеется полный спектр оборудования для оценки физико-механических и эксплуатационных свойств резины. Проводится также тестирование
на сцепление шин с дорожным покрытием в различных условиях (дорожная поверхность обледенелая, влажная или сухая).
В Центре можно получить консультации по вопросам, связанным с НК. Предоставляется широкий спектр услуг, включая анализ, испытание, проектирование и оценку новых материалов для шин.
Центр участвовал во многих международных программах, финансируемых ООН, Европейским Союзом и др. Центр также внес большой вклад в реализацию британского проекта по вторичному использованию отработанных шин.
В заключении хочу отметить, что стажировка в Великобритании проходила в период подготовки страны к празднованию Рождества. Атмосфера праздника и предновогодней суеты чувствовалась везде. Улицы городов, магазины, гостиницы и деревья были украшены необыкновенно красивой иллюминацией, гирляндами и елочной мишурой. Это приподнятое настроение передалось и мне - автору этого отчета.
Литература
1. Бакирова, И.Н. Стажировка в Великобритании. Часть 1. Научные исследования университетов в области полимерных материалов / И.Н. Бакирова // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - № 4. -С. 245-250.
© И. Н. Бакирова - д-р хим. наук, проф. каф. технологии синтетического каучука КГТУ,
