Новости химической науки > угольная пена дней

В фундаментальные физико-химические исследования государство и частные инвесторы вкладывают сегодня миллионы долларов, потому что ученые продают им не новые материалы, а готовые решения

Хрупкая лаборантка Лена привычным точным движением бросает в разогретую пробирку зернышко графита, которое мгновенно вспенивается и превращается в шар размером с теннисный мяч. "Видите, объем увеличивается в пятьсот раз", - говорит Лена. Чистый "природный" графит продемонстрировать такой эффект не в состоянии, необходимо этот слоистый материал, известный обывателю в качестве начинки карандаша, подготовить, ввести (интеркалировать) другие вещества. Во все эти фокусы, которые двадцатилетняя девушка демонстрирует мне в одной из наиболее хорошо оснащенных московских лабораторий, и государство, и частные инвесторы вкладывают сегодня миллионы.

Когда в феврале 2003 года компания "Унихимтек" стала одним из двенадцати победителей конкурса мегапроектов, проведенного Минпромнауки (конкурс на "выполнение важнейших инновационных проектов государственного значения" был объявлен в конце 2002 года), сторонние наблюдатели решили, что это очередной пролоббированный нужными людьми проект, стоящий в ряду таких же не слишком "хайтечных" технологий-победителей вроде создания производств по выпуску российских дизелей для легковых автомобилей или гофрированного картона. Уж больно приземленным на слух было название поданной "Унихимтеком" заявки: "Разработка технологий и освоение серийного производства нового поколения уплотнительных и огнезащитных материалов общепромышленного применения". На деле оказалось, что разработка "материалов общепромышленного применения" базируется на серьезной фундаментальной науке, уходящей корнями в советское прошлое, и высокотехнологичном производстве, созданном уже в новых условиях.

Любопытно, что компании удалось подтянуть сугубо фундаментальные разработки к реальным потребностям промышленности, по сути заменив советскую культуру внедрения разработок, приходивших к производителю через систему отраслевых, проектных и нормативных институтов. Пример с "Унихимтеком" тем и интересен, что небольшая в общем-то фирма воссоздала всю эту утерянную за годы реформ цепочку в новых условиях, работая напрямую с промышленными предприятиями.

Виктор Авдеев, профессор химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, генеральный директор компании "Унихимтек"

По словам генерального директора компании, профессора химического факультета МГУ Виктора Авдеева, "о полноценной отечественной инновационной системе можно говорить только тогда, когда в ней участвует российская промышленность". В предлагаемой им инновационной модели промышленность и становится последним звеном, замыкающим инновационный цикл в полноценную систему. Банально? Безусловно, но вряд ли вам понадобятся пальцы второй руки для того, чтобы перечислить удачные примеры внедрения высокой технологии в постсоветской промышленности.

Шуба из графита

Все начиналось с графита. Того самого графита, который, по энциклопедическим данным, является наиболее устойчивой кристаллической полиморфной модификацией углерода.

"Если графит обработать, - рассказывает директор по науке НПО 'Унихимтек', профессор химфака МГУ Игорь Годунов, - получаются интеркалированные соединения, то есть соединения графита с включенными в его структуру веществами. На самом деле это большой класс соединений, но мы имеем дело с окисленными графитами. Если графит поместить, к примеру, в серную кислоту, добавить окислитель, перемешать, то между слоями остаются реагенты, и, чтобы получить зерна окисленного графита, остается все это промыть, высушить и отфильтровать". Слои узкие, и закрепившиеся между ними реагенты при резком нагревании не успевают "выйти" через поры графита и, стремительно увеличиваясь в объеме, взламывают структуру углеродного материала, вспенивая его.

На свойстве интеркалированных соединений графита вспениваться при нагреве и основываются два основных направления их применения: в качестве огнезащитных и уплотнительных материалов. "Унихимтек" сейчас далеко ушел в разработках от своих первых терморасширяющихся материалов и уже использует в качестве "несущей" структуры не только графит, но принцип действия в целом остается тот же.

От пожаров защищаются с помощью активных (извещатели, огнетушители, водометы, автоматы) и пассивных (конструктивная защита, огнезащитные материалы) средств. Первые вступают в дело, когда пожар уже начался, а вторые нужны для того, чтобы не допустить появления огня вовсе. Вот как раз для этого и используется свойство интеркалированного графита вспениваться при высоких температурах.

Лена включает газовую горелку, берет толстый кусок высоковольтного электрического кабеля и подставляет его под язычок пламени; кабель быстро занимается огнем по всей длине, а от зловония горящей резины не спасает даже мощный воздухоотвод. "А вот это кабель, покрытый нашим материалом", - говорит Лена, помещая в пламя кусок другого кабеля. Участок провода, соприкасающийся с огнем, тут же увеличивается в объеме в несколько раз - и не горит. "Тут все просто, - поясняет Годунов, - при нагреве или при коротком замыкании полумиллиметровый слой краски, состоящий из нашего материала, вспучивается, образуется шуба, которая и защищает кабель от дальнейшего горения. Сама пена не горит и при трех тысячах градусов, а полимерный материал закрыт от доступа кислорода шубой".

Похожее происходит и с покрашенными унихимтековскими красками металлоконструкциями. При 500 градусах металлические фермы теряют свои несущие свойства и прогибаются, и, к примеру, крыша, которую они держат, может обрушиться. Чтобы этого не произошло, обычно поверхность металла покрывают пятисантиметровым слоем асбеста. Унихимтековской краски нужно нанести слоем всего в миллиметр толщиной. "Попробуй-ка прожарь шубу из графита, даже за несколько часов металл не прогревается до пятисот градусов", - хвалит свое детище Игорь Годунов.

Тот же интеркалированный графит можно "прокатать" и получить графитовую фольгу. Для этого графит подают в реактор, где в потоке воздуха происходит его динамическое вспенивание, порошок превращается в пух, который затем и спрессовывается в фольгу без добавки других связующих веществ. Эту фольгу можно, в свою очередь, порезать на ленточки, еще раз спрессовать и получить различные сальниковые уплотнения, химически инертные и, в отличие от привычных прокладок, практически не стирающиеся. "В промышленности много соединений, часто происходит разгерметизация, все течет, и из-за этого случается большая часть техногенных аварий, - говорит директор по новым углеродным материалам 'Унихимтека', профессор химфака МГУ Сергей Ионов. - А уплотнительные пенографитовые материалы решают эту проблему, особенно это важно для химических производств".

Романтический период

Классическая модель интеркалированных соединений графита была разработана еще в 30-х годах прошлого века немецким химиком Вильгельмом Рюдорфом. Теорию развил француз Дюма Эрольд. А американцы первыми придумали, как найти таким соединениям практическое применение, и в 1966 году компания Union Carbide получила патент на фольгу из терморасширенного графита (пенографита) и в последующие пятьдесят лет преуспела в его внедрении на западном рынке. Работы над интеркалированными соединениями велись в 70-х годах и в СССР. По словам Виктора Авдеева, мы отставали от американцев лет на пять-семь, но серьезного интереса ни работы НИИ "Графит", ни исследования, проводимые на химфаке МГУ, тогда не вызвали. Положение изменилось в 1984 году. Работы над интеркалированным графитом велись на кафедре физики и химии высоких давлений, организованной на химфаке отцом советских искусственных алмазов академиком Леонидом Верещагиным, создавшим целую отрасль промышленности по их производству. Здесь с применением технологий высоких давлений получили первый советский пенографит. После этого по приказу министра общего машиностроения СССР Олега Бакланова в МГУ создается отраслевая лаборатория НИИ-4, а на кафедре высоких давлений появляется лаборатория химии и технологий углеродных материалов, которую возглавил Виктор Авдеев. Министерство, курирующее космическую отрасль, в первую очередь заинтересовала низкая плотность полученного материала, и было принято решение разрабатывать легкие пенографиты в качестве уплотнительного материала для аэрокосмической отрасли, а его жаропрочные свойства применять в ракетной технике. Было и вполне земное направление исследований. В Казахстане открыли большое месторождение мелкодисперсионных алмазов, но их было очень трудно изъять из сопутствующих графитовых структур. Дорогостоящие химические способы высвобождения алмазов ученые Московского университета предложили заменить на технологию интеркалирования графита. Подготовленный графит предполагалось быстро нагревать, а получившийся легкий пенографит просто смывать водой. Но дело шло к 90-м, щедрые финансовые потоки Минобщемаша были перекрыты, и исследования по графиту застопорились.

"К концу восьмидесятых мы уже хорошо понимали, что СССР начинает распадаться, и довольно четко представляли, что станет с наукой без Союза, - рассказывает Игорь Годунов. - Но мы не просто поняли, мы стали бегать и искать пути, чтобы заработать себе право и дальше заниматься фундаментальной наукой. Мы почувствовали, что в отличие от предыдущего времени теперь можно организовать какое-то производство, реализуя накопленное нами в науке на практике".

Получив одобрение в райисполкоме, в 1990 году Авдеев и Годунов организуют в МГУ малое государственное предприятие "Унихимтек". Знакомые сдали в аренду ученым заброшенный сарай без окон в столичной промзоне. В этом сарае была спрессована первая промышленная партия графитовой фольги. Многие детали для первой линии нашли здесь же, на ближайших промышленных свалках. "Был романтический период, - вспоминает Игорь Годунов. - Мы думали: вот сделаем классную фольгу, и все ее бросятся покупать, а она оказалась никому не нужной".

Сделай рынок серийным

В советское время и Авдеев, и Годунов, и Ионов - теперешний костяк "Унихимтека" - выполняли хоздоговорные работы для различных оборонных предприятий, таких как НПО "Энергия" и НПО "Композит", создавали энергоемкие жидкости, системы оптической записи информации, низкоплотные отражающие материалы для военных спутников. Из опыта ученые знали, что прямое общение с производителями сокращает время выполнения заказа, или, говоря языком экономической теории, снижает трансакционные издержки.

Промышленные предприятия не брали фольгу - значит, решили в "Унихимтеке", нужно идти к ним самим и понять, что им нужно на самом деле. "Мы сами пошли к энергетикам, - рассказывает Виктор Авдеев, - и стали предлагать не разрабатываемый нами материал. Прямо спрашивали, что у них 'болит', какие реальные потребности им надо удовлетворить".

Такой маркетинг, занявший на деле много времени, оказался самым действенным. Сама по себе фольга никому не нужна, а вот уплотнители из нее стали пользоваться все возрастающей популярностью. Начали с самого очевидного - с сальников. На электростанциях сотни водо- и паропроводов, тысячи фланцевых соединений, требующих постоянной замены асбестовых и резиновых прокладок и уплотнителей. "На скептическое 'ну, зачем нам это надо?' мы предлагали бесплатно поставить наши уплотнители, потом, когда приходили еще раз, нам говорили: 'Вы знаете, уже несколько месяцев не течет, давайте еще', а слесари-ремонтники просто выпрашивали лишний сальник, - вспоминает Сергей Ионов. - Сначала в нас верили отдельные инженеры-энтузиасты, потом пришел черед целых структур, таких как 'Челябэнерго'".

В 1993 году "сарайный" выпуск стал ограничивать бизнес компании. "Унихимтек" взял в аренду помещения на опустевшем заводе в подмосковном Климовске, смонтировал новые линии по прессованию фольги (сейчас их восемь).

"Когда открыли пенографит, один из сотрудников кафедры высоких давлений, сомневаясь, что новый материал окажется кому-то нужным, шутил, что из него можно делать матрасы, которые не горят при трех тысячах градусов. А сейчас выпускаем десятки тонн в месяц и не успеваем покрывать спрос", - вспоминает Ионов.

Тяжелее пришлось с продвижением огнезащитных материалов. Убеждали не только на уровне инженеров, вышли на руководство "Мосэнерго". Помог и рынок: московские энергетики покупали у западных компаний огнезащитную краску в среднем по 20 долларов за килограмм - "Унихимтек" обосновал цену в несколько раз меньшую. В итоге, став одним из акционеров "Унихимтека", "Мосэнерго" заказало оборудование для промышленного выпуска огнезащитного графитового материала и сдало его компании в аренду. Приобретя только первую партию продукции в 16 тонн, энергетики многократно окупили инвестиционные затраты в университетскую компанию. За москвичами потянулись и региональные энергокомпании. Но основательно переломить ситуацию на российском рынке помогла активность компании в пробивании нормативных документов, разрешающих использовать материалы для защиты кабелей, металлоконструкций, для чего пришлось дойти до самого верхнего эшелона власти в РАО ЕЭС (теперь ведутся переговоры с такими гигантами российской экономики, как "Норникель" и "Русал", получены разрешительные документы надзорных органов - от Госстроя до Госатомэнергонадзора).

Проблема в том, что внедрить разработку трудно не только из-за косности производителей или коррупции закупщиков, но и из-за того, что существующие технические правила и нормативы запрещают технарям что-то менять. "Теперь, - говорит Виктор Авдеев, - мы можем сделать рынок 'серийным' и строить свой бизнес не на энтузиазме отдельных специалистов, заскучавших без новых инженерных решений, а просто на основе установленных правил. Мы знаем, что нужно промышленникам, мы пробили за них новые правила, согласовали с Гостехнадзором - шансы на успех в общении с производственниками намного повышаются. Мы с полным основанием можем сказать им, что продаем не огнезащитные материалы, не уплотнительные изделия, мы продаем решенные проблемы".

Работа с промышленными потребителями заставила перенаправить часть фундаментальных исследований, ведущихся в стенах университета и в лабораториях компании, в прикладном направлении. Первые огнезащитные материалы были сделаны на основе интеркалированного графита. Но парадокс в том, что графитовая краска, разведенная органическим растворителем, при покрасочных работах пожароопасна. По просьбе энергетиков для обработки кабелей или металлоконструкций в небольших закрытых помещениях пришлось разработать огнезащитную краску, основанную уже на другой химии. "Она состоит из трех-четырех основных компонентов (оксид титана, полифосфат высокомолекулярный аммония) и до двадцати других добавок", - поясняет, не вдаваясь в химические подробности, Годунов. И продолжает: "Знаете, как ученый я с удовольствием занимаюсь молекулярной спектроскопией, эти исследования вроде не связаны напрямую с материаловедением, но занятие структурой молекул вещества дает мне взглянуть на материаловедческие задачи как бы изнутри, и это помогает иногда найти неожиданное решение".

"Взгляд изнутри" привел к открытию нового класса пенографитов с такой структурой поверхности, что материал почти идеально поглощает из воды нефтепродукты и другие примеси и его можно использовать для глубокой очистки воды. "Унихимтек" разрабатывает и адсорбирующие вещества для устройств, аккумулирующих углеводороды, и, что самое главное, водород. Развитие водородной энергетики потребует большого количества баллонов для хранения этого взрывоопасного газа. Хранить и возить приемлемый объем водорода сейчас приходится при опасно высоком давлении. "А вот если насыпать в баллон адсорбирующего порошочку, - рассказывает о текущих разработках Игорь Годунов, - то он свяжет водород и хранить то же количество топлива можно будет при значительно меньшем давлении, а по мере уменьшения газа в баллоне водород начнет высвобождаться. Там же, где давление не является критической характеристикой, например в стационарных хранилищах, за счет такого адсорбента можно просто значительно увеличить объем хранимого газа".

Сейчас в "Унихимтеке" ведут разработку уже не моно-, а ко- и гетероинтеркалированных графитов. Если в мономатериале между слоями графита введена только серная кислота, то в коинтеркалированном соединении в слоистой структуре графита уже две кислоты. А можно получить гетеросоединения - своеобразный пирог из мономолекулярных слоев различных веществ. Это нужно для создания материалов с температурой вспенивания ниже 200-300 градусов - например, для защиты хранящихся в сейфах документов и денег. Но к этому рынку "Унихимтек", уже достигший по оборотам шестидесятимиллионной (в долларах) отметки, только прицеливается.

Источник: Эксперт, #5 (452) 07/02/2004