Ученые и студенты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого совместно с одними из лучших в России экспертами по полимерным материалам Института высокомолекулярных соединений Российской академии наук в рамках программы «Приоритет 2030» создали и запатентовали устройство (№2022131419), с помощью которого можно получить необычный пластик. По словам изобретателей, новый материал может использоваться абсолютно в любой отрасли, потеснив металлы, дерево и другие используемые сегодня материалы.
Получение нового пластика происходит с помощью смешивания полимера и волокна. Полимер в виде порошка заряжается электрически, затем превращается в псевдожидкость, через которую пропускаются волокна. Таким образом, частички порошка облепляют волокна и проникают между ними, затем порошок плавится, превращаясь в густую жидкость, похожую на мёд, которая потом твердеет, и получается композит, на выходе представленный в виде гранул.
«Композит — это многокомпонентный материал. Например, железобетон. Он состоит, соответственно, из железа и бетона. Мы создали очень близкий по физическим свойствам к железобетону композит, состоящий из полимера, грубо говоря, из пластика, и углеродных волокон. Пластик в композите отвечает за сжатие, а волокна — за растяжение.
Стандартные технологии позволяют добавлять волокна, которые разрублены на мелкие кусочки, длиной в доли миллиметров — 300 микрон и даже меньше — это делается для равномерного распределения по материалу. Нам удалось увеличить длину волокон до нескольких миллиметров, тем самым придав материалу отличную прочность, сопоставимую с металлами».
Игорь Радченко - ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра «Биомеханики и медицинской инженерии» Высшей школы теоретической механики и математической физики, Физико-механического института СПбПУ
Готовый продукт из полученного композита можно получать разными методами, в том числе самыми удобными и технологичными, с помощью которых получены практически все окружающие нас пластмассовые изделия от детских игрушек до деталей машин и механизмов — литьевым прессованием и литьем под давлением. Ученые политеха также преобразуют гранулы в филамент — нить для 3D-печати. На сегодняшний день есть уже несколько пробных деталей — небольших лопаток, напечатанных из нового материала на 3D-принтере. С помощью полученных экземпляров специалисты описывают и измеряют физические характеристики композита.
По словам ученых, правильно подготовленная смесь пластика и волокна позволяет получать наилучшие характеристики: термостойкость, прочность, долговечность, легкость, а также способность переносить ультрафиолетовые лучи, радиацию и химическое воздействие. Благодаря этому пластиковые композитные изделия становятся дешевле, технологичнее, удобнее и проще в изготовлении.
«С точки зрения экономической выгоды, если сравнивать с металлом, то ключевым здесь будет эксплуатационный период. Очень часто металлы очень дороги в обслуживании и ремонте, а пластик, который получили мы, ремонтировать практически не придется. Еще один фактор — доступность малотиражности. При использовании металла выгодно делать только большое количество серийных деталей, а если вы захотели сделать как-то по-другому, что-то изменить — нужно перестроить много станков, изменить технологические процессы, что очень долго и дорого. Из нашего композита можно легко и быстро делать разные прототипы и даже малые серии за счет использования аддитивных технологий и, как следствие, легкой перенастройки используемого оборудования».
Игорь Радченко - ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра «Биомеханики и медицинской инженерии» Высшей школы теоретической механики и математической физики, Физико-механического института СПбПУ
Большую выгоду от нового материала, по словам ученых, должна получить и медицина. Один из самых востребованных сценариев использования — протезы и импланты. Благодаря легкому весу и физическим свойствам, из композита можно сделать точную копию костей человека.
Но и другие отрасли в стороне не останутся. По прогнозам специалистов, применять новый материал можно практически в любой сфере: машиностроении, авиастроении, судостроении, газовой и нефтяной промышленности, АПК, для создания космической техники и оборудования для общего и специального назначения.
«Мы разработали материалы и технологии их производства, из которых можно создать даже блок цилиндров для двигателя внутреннего сгорания. Он будет в разы дешевле и легче, его проще обрабатывать, сверлить в нем отверстия, создавать каналы для охлаждения».
Игорь Радченко - ведущий научный сотрудник научно-образовательного центра «Биомеханики и медицинской инженерии» Высшей школы теоретической механики и математической физики, Физико-механического института СПбПУ
Разработчики рассказывают, что над новым устройством около года трудились порядка 10 ученых и студентов. Работа велась в тандеме опытных специалистов в области математического моделирования Политеха и экспертов по полимерным материалам Института высокомолекулярных соединений РАН. Большое значение, по словам директора научно-образовательного центра «Биомеханика и медицинская инженерия», доцента, кандидата физико-математических наук Ольги Лободы, сыграло то, что разработка велась в рамках программы «Приоритет 2030».
«Программа Приоритет 2030 — это хорошая возможность для развития проектов, и я рада, что программа активно работает в политехническом университете. Она имеет очень много направлений развития, в том числе образовательные компоненты, научную область, где еще очень много всего можно исследовать, ну и, конечно, практическую область — инженерные задачи, в которых можно выходить на патенты и производство».
Ольга Лобода - директор научно-образовательного центра «Биомеханика и медицинская инженерия», доцент, кандидат физико-математических наук
Научный тандем продолжает совершенствовать новое устройство и полученный материал. В будущем ученые намерены передать свои наработки в большую промышленность для изготовления высокотехнологичного продукта из пластика будущего.
