Освоение Крайнего Севера — вызов не только для людей, но и для материалов. В условиях, когда столбик термометра опускается до −60 °C, привычные нам вещи ведут себя непредсказуемо. Обычный пластик, который в тепле кажется гибким и прочным, на морозе становится хрупким. Современная нефтехимия помогает создавать материалы, способные десятилетиями работать в условиях вечной мерзлоты.
Физика холода
Для создания морозостойкого материала важно понимать механизм его разрушения под действием низких температур. Полимеры состоят из длинных молекулярных цепочек. В тепле они сохраняют подвижность, легко изгибаясь и скользя относительно друг друга, что и обеспечивает пластику его эластичность.
Но у каждого полимера есть критическая отметка, которую называют температурой стеклования. При её достижении тепловая энергия молекул падает настолько, что крупные сегменты полимерных цепей теряют подвижность и фиксируются, а материал переходит из эластичного состояния в стеклообразное. Для полипропилена эта точка может лежать в районе от −10 °C до −20 °C. Как только температура опускается ниже, полимер теряет способность эффективно поглощать энергию удара легко ломается даже под небольшой нагрузкой. Существуют полимеры с низкой температурой стеклования (минус 70 ОС и ниже), например, полиэтилен, однако его далеко не везде можно использовать из-за ограниченной жёсткости и ползучести под нагрузкой.
Стратегия создания морозостойких полимеров
Чтобы заставить полимеры работать на экстремальном холоде, учёные модифицируют их структуру на молекулярном уровне:
Введение эластичных блоков
Один из самых эффективных способов — создание полимерных композиционных материалов. Например, учёные встраивают в жёсткую цепочку основного полимера (полипропилена) блоки из другого, более гибкого материала — этиленпропиленового каучука. Получаются своего рода «молекулярные пружины». Даже когда основной каркас замерзает, эластичные вставки поглощают энергию ударов, что позволяет материалу сохранять гибкость и не ломаться под нагрузкой. В реакторных блок-сополимерах каучук не смешивается с полипропиленовой матрицей и формирует дисперсные домены размером 1–3 мкм. При низких температурах именно эти домены, выступая в роли внутренних концентраторов деформации, инициируют механизм кавитации и сдвигового течения матрицы, что обеспечивает диссипацию энергии удара и предотвращает распространение магистральных трещин. Аналогичный принцип применяется при модификации полиамидов привитыми эластомерами.
Управление кристаллической структурой
Полукристаллические полимеры состоят из упорядоченных (кристаллических) и хаотичных (аморфных) зон. При охлаждении ниже температуры стеклования аморфные фазы теряют сегментальную подвижность, что инициирует хрупкое разрушение. Контролируя скорость охлаждения и вводя нуклеаторы, удаётся уменьшить размер сферолитов и увеличить плотность tie-молекул, связывающих кристаллиты, что повышает сопротивление растрескиванию на морозе.
Нельзя не отметить любопытный факт: в высокопрочных полипропиленовых нитях, даже из гомополимера, ориентационная кристаллизация позволяет сохранять их гибкость до минус 70 оС.
Ввод армирующих наполнителей
В специализированных композициях при оптимизированной адгезии на границе раздела фаз стекловолокно не только повышает жёсткость, но и перераспределяет механические напряжения. Это позволяет армированному полипропилену сохранять ударную прочность до −50 °C, несмотря на то, что исходный гомополипропилен становится хрупким уже при −10 °C.
Присадки и пластификаторы
Для аморфных полимеров (прежде всего ПВХ) разрабатываются низкотемпературные пластификаторы, например диоктилтерефталат (ДОТФ) или сложные эфиры адипиновой и себациновой кислот, которые работают как «антифриз» для пластика. Они встраиваются между макромолекулами, увеличивая свободный объём и ослабляя межмолекулярные взаимодействия, что снижает температуру стеклования и сохраняет эластичность материала при отрицательных температурах.
Где работают «арктические» полимеры?
Без достижений нефтехимии освоение Севера было бы физически невозможным. Вот лишь несколько сфер, где эти материалы помогают человеку:
- Газовые и нефтяные магистрали. Трубы из специального полиэтилена, например ПЭ 100-RC (который в том числе делают предприятия СИБУРа), выдерживают полярные морозы и подвижки грунта при промерзании и оттаивании.
- Изоляция кабелей. Полимерные составы на основе полиэтилена, эластичные ПВХ-пластикаты на основе морозостойких пластификаторов (таких как ДОТФ от СИБУРа) или термоэластопласты (ТЭП) позволяют кабелям оставаться гибкими при низких температурах. Это критически важно для электроснабжения удалённых посёлков и буровых платформ.
- Транспорт и спецтехника. Элементы систем подкапотного пространства, элементы экстерьера, уплотнители и топливные баки полярных вездеходов изготавливаются из морозостойких компаундных полимерных материалов. Эти материалы гасят жёсткие ударные нагрузки даже при температуре −60 °C, защищая технику от внезапных поломок посреди тундры.
Испытания на прочность
Создание арктических пластиков в научно-исследовательских центрах, например в СИБУР ПолиЛабе, строится на испытаниях материалов и готовых изделий при низких температурах. Образцы проверяют на ударную вязкость по Изоду и Шарпи при температурах от 0 до −40 °C (в расширенных программах испытаний до минус 60 °C): на них наносят надрез и разрушают ударом маятника, оценивая стойкость к хрупкому разрушению. Дополнительно испытывают готовые изделия: заполняют тару водой, замораживают до застывания жидкости, сбрасывают с фиксированной высоты и фиксируют количество образцов, выдержавших испытание без разрушения.
Создание морозостойких пластиков доказывает, что возможности современной нефтехимии практически безграничны. Управляя поведением молекул, учёные раздвигают границы привычного и превращают экстремальный полярный холод из непреодолимого препятствия в обычную рабочую среду.
Всё о науке в СИБУРе — на сайте.
Познакомиться с работой центра прикладных разработок СИБУР Полилаб, специализациях площадок в городах присутствия, типах исследований и доступном оборудовании можно на платформе. Также на ресурсе доступны вебинары и обучающие курсы.