Перспективы развития научных исследований в области наноматериалов и нанотехнологий в Казанском государственном технологическом университете

Г. С. Дьяконов

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В КАЗАНСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Ключевые слова: Казанский государственный технологический университет, наноматериалы, нанотехнология.

В Республике Татарстан ведется активная работа по созданию и внедрению нанотехнологий и новых наноматериалов в промышленное производство. Направления деятельности в области нанотехнологий представлены в Комплексном проекте «Развитие наноиндустрии в Республике Татарстан», в реализации которого Казанский государственный технологический университет принимает активное участие.

Active work is conducted on creation and introduction nanotechnology and new nanomaterials in industrial production. Directions of activity in the field of nanotechnologies are presented in the Complex project «Development of nanoindystry in the Republic of Tatarstan» in which realisation the Kazan state technological university takes active participation.

Нанотехнологии играют все большую роль в развитии современного промышленного производства. Они позволяют управлять тонким механизмом целевых процессов и реакций на наноуровне, что существенно повышает показатели процессов и материалов. Рост эффективности нефтедобычи, нефтепереработки, качества полимерных композиционных и других материалов в результате применения нанотехнологий позволит практически на порядок повысить эффективность отечественного производства, что в конечном итоге обеспечит производство конкурентоспособной продукции. Можно отметить, что:

- применение нанотехнологий и наноматериалов в нефтедобыче позволит существенно повысить ее эффективность, сократить энерго- и материальные затраты, создать новые промышленные способы повышения извлекаемости вязких и трудноизвлекаемых нефтей; повысить интенсивность нефтеотдачи пластов;

- использование нанокатализаторов в нефтепереработке и нефтехимии позволит повысить избирательность целевых процессов, обеспечить высокий выход продукта вплоть до 99 и более процентов, на порядок снизить материальные и энергетические затраты;

- введение наночастиц в полимеры позволяет получить материалы, обладающие особыми характеристиками, включая химическую стойкость, высокие прочность, жесткость, ударную вязкость, электро- и теплопроводность;

- с помощью наночастиц будут получены твердые и прочные наноструктурирован-ные композиционные материалы с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, а также - наноструктурированные защитные термо- и коррозионностойкие покрытия;

- для сопровождения нанотехнологий необходима подготовка высококвалифицированных специалистов, в том числе, и высшей квалификации.

Республика Татарстан является регионом, где сконцентрирован высокий интеллектуальный, научно-промышленный и производственный потенциал, дающий возможность с высокой эффективностью реализовывать проекты в сфере наноиндустрии. вузы, НИИ и

предприятия Республики Татарстан включились в работу по созданию и внедрению нанотехнологий и новых наноматериалов в промышленное производство.

5 августа 2008 года было подписано Соглашение о сотрудничестве между Республикой Татарстан и Государственной корпорацией «Роснанотех». Направления деятельности в области нанотехнологий интегрировались в комплексный проект «Развитие наноиндустрии в Республике Татарстан».

Для создания интенсивно развивающегося научно-технического и опытнопромышленного комплекса в области разработки, производства наноструктурированных материалов и их применения в ведущих областях народного хозяйства России и Татарстана, способного обеспечить преодоление и отставание по сравнению с мировыми державами, необходимо:

- обеспечение запуска инновационного процесса в области нанотехнологий;

- формирование завершенных технологических циклов от исследований до производства конкурентноспособной нанопродукции с уникальными потребительскими свойствами;

- обеспечение устойчивого потребительского спроса на инновационную продукцию;

- подготовка квалифицированного, владеющего знаниями междисциплинарных областей науки и техники персонала, способного обслуживать объекты наноиндустрии.

Для создания наноиндустрии в Республике Татарстан необходимо решение первоочередных стратегических задач:

- создание комплекса по производству первичных наноматериалов: ультрадисперс-ных алмазов, фуллеренов, наночастиц металлов, оксидов и т.д.

- организация производства наноструктурированных функциональных и конструкционных материалов;

- создание регионального диагностического центра коллективного пользования наноматериалов;

- создание центра сертификации и стандартизации наноматериалов и нанотехнологий;

- создание межведомственной республиканской программы по координации научных исследований;

- подготовка и переподготовка высококвалифицированных кадров для наноиндустрии.

Комплексный проект включает ряд предложений в виде проектов-заявок по разделам:

I. Производство наночастиц.

II. Конструкционные наноструктурированные композиционные материалы.

III. Функциональные наноструктурированные композиционные материалы.

IV. Нанокатализаторы.

V. Метрология и сертификация наночастиц и наноматериалов.

VI. Подготовка и переподготовка персонала для наноиндустрии.

Казанский государственный технологический университет принимает активное участие в реализации Комплексного проекта. В него включен ряд проектов КГТУ.

В первый раздел Комплексного проекта включен проект КГТУ «Производство нанооксидов». Работа выполняется на кафедре плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, научный руководитель профессор И.Ш. Абдуллин. Организовано совместное с КГТУ опытное производство нанооксидов. Определены рынки сбыта, проведена предварительная проработка вопроса о применении продукции с ОАО «Казанский завод СК», ОАО «Казтекстиль», ОАО «Казаньоргсинтез».

Во второй раздел Комплексного проекта вошли следующие работы:

1. Проект «Создание промышленной технологии структурной модификации углеродными наночастицами материалов деталей авиационных многослойных панелей из полимерных бумаг с термореактивными покрытиями». Работа ведется на кафедре физической и коллоидной химии совместно с ОАО «КНИАТ». Научный руководитель профессор Ю.Г. Галяметдинов.

Цель проекта: получение технологии и оборудования для производства композиционных материалов с повышенными физико-механическими характеристиками на основе полимерных бумаг типа Nomex и Kevlar. На данном этапе исследована эффективность применения нанотрубок в качестве структурных наномодификаторов КМ на основе полимерных бумаг Nomex и Kevlar с фенолформальдегидным покрытием. Достигнуто повышение прочности, разработаны лабораторные регламенты дезинтеграции нанотрубок в растворах и суспензиях связующих составов, опробованы технологические схемы совмещения наномодифицированных связующих составов с полимерными бумагами Nomex и Kevlar. Исследованы схемы формообразования складчатых заполнителей из наномоди-фицированных композиционных материалов. Разработаны геометрические модели различных типов сотовых складчатых заполнителей и методика их оптимизации по критерию «вес - прочность», разработаны схемы формообразования различных типов складчатых заполнителей (Z-гофр, M-гофр, V-гофр), изготовлены и опробованы экспериментальные установки для формообразования складчатых заполнителей. Основными техникоэкономическими результатами проекта являются:

- «быстрый» эффект. Использование наномодифицированных композиционных материалов для производства сотовых заполнителей ведет к увеличению прочности авиационных конструкций на 50-80 %, снижение веса многослойных панелей до 20-25 %;

- «отложенный» результат. Использование наномодифицированных композиционных материалов для производства складчатых заполнителей (типа Z-гофр, M-гофр, V-гофр) дает увеличение прочности авиационных конструкций на 50-100 %, снижение веса многослойных панелей до 25-30 %, повышение звукоизоляции и звукопоглощения специальных конструкций, повышение теплоизоляции специальных конструкций, снижение себестоимости производства заполнителя (по сравнению с сотовыми заполнителями).

2. Проект «Создание промышленной технологии получения углерод- и металлсодержащих нанокомпозитов для деталей и узлов самолетов с улучшенным комплексом физикомеханических и электромагнитных свойств». Работа ведется на кафедре физической и коллоидной химии совместно с ОАО «КНИАТ». Научный руководитель профессор Ю.Г. Галяметдинов.

Цель проекта: создание новых поколений высокоэффективных нанокомпозитных материалов для авиационной техники на основе различных углеродных и металлсодержащих наноструктур и термореактивных полимеров. Проект предусматривает изготовление сложнопрофильных изделий, обшивочных материалов, интегральных конструкций для деталей и узлов самолетов на основе наномодифицированных угле- и стеклопластиков и оценку их эксплуатационных качеств.

3. Проект «Разработка технологий получения наноструктурированных нанокомпозитов для стройиндустрии». Работа выполняется на кафедре технологии синтетического каучука под руководством профессора Л. А. Зенитовой.

Цель проекта: разработка технологии получения и производство наноматериалов для стройиндустрии и других отраслей промышленности, в том числе нанонаполненных композиционных материалов на базе полисульфидных олигомеров (тиоколов), силиконов, уретанов, каучуков. На данном этапе созданы технологии производства материалов стройиндустрии с использованием наноразмерных составляющих, позволяющие существенно (~в 2 раза) снизить себестоимость продукции. Полностью отработана опытная технология и определены рынки сбыта, проведены предварительные переговоры по реализации проекта на ОАО «Казанский завод СК». Предложенный подход позволит организовать выпуск конкурентоспособной продукции, удовлетворяющей современным требованиям, и создаст возможность импортозамещения продукции, выпускаемой такими странами как США, Германия, Франция, Китай и т.п.

4. Проект «Разработка композиционного материала с повышенными физикомеханическими и эксплуатационными показателями на основе каучуков, модифицированных нанонаполнителем. Работа ведется на кафедре химии и технологии переработки эластомеров совместно с ОАО «Нижнекамскнефтехим». Научный руководитель профессор С.И. Вольфсон.

Цель проекта: разработка рецептур и технологий получения композиционных материалов на базе промышленных марок каучуков, наполненных малыми количествами нанонаполнителя (органоглина, нанотрубки, фуллерены, оксид кремния) для производства изделий различного назначения с улучшенным комплексом свойств. В результате выполнения проекта возможна организация промышленного производства каучуков и автопокрышек, модифицированных нанонаполнителями, на базе ОАО «Нижнекамскнефтехим» и ОАО «Нижнекамскшина».

5. Проект «Создание технологии получения нанопорошков и организация производства композиционных материалов для нефтехимической, металлургической промышленности, авиа- и машиностроения. Совместная работа ведется на кафедрах плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов и аналитической химии, сертификации и менеджмента качества. Научные руководители профессор И.Ш. Абдуллин и профессор А.Ф. Дресвянников.

Цель проекта: создание высокотехнологичных и конкурентоспособных газоразрядных технологий получения нанодисперсных твердофазных порошков и организация производства композиционных материалов. Предлагаемая газоразрядная технология позволяет получать нанодисперсные твердофазные порошки из сырья различного агрегатного состояния, что невозможно при традиционных химических технологиях. Это позволит уменьшить энергозатраты по их производству. В ведение в композиционные электрохимические покрытия ультрадисперсных порошков позволит повысить микротвердость, обеспечить снижение интенсивности изнашивания.

6. Проект «Организация производства и создание легкого композиционного материала «Полиэтиленпластик» с высокими удельными характеристиками». Работа ведется на кафедре плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов под руководством профессора И.Ш. Абдуллина.

Цель проекта: организация производства и создание лёгкого композиционного материала «Полиэтиленпластик» с высокими удельными характеристиками. Разработан композиционный материал «Полиэтиленпластик», упрочнённый нанокристаллическим сверхвысокомолекулярным высокопрочным высокомодульным полиэтиленовым волокном. По удельной прочности, полиэтиленпластик превосходит металлы в 6-7 раз, стеклопластики в 2,5 раза, а углепластики в 1,5 раза. Получение полиэтиленпластика основано на активации ВВПЭ-волокна неравновесной низкотемпературной плазмой. Полиэтиленпластик отличается низкой плотностью до 1,1 г/см3, высокой прочностью, хорошим шумопоглощением и химической стойкостью. Эти свойства с большой эффективностью могут быть использованы в авиации, вертолётостроении. Применение полиэтиленпластика позволит повысить грузоподъемность авиационной техники. Разработка композиционный материал «Поли-этиленпластик» завоевала первое место и хрустальный кубок в Первом Российском форуме «Российским Инновациям - Российский Капитал» в рамках VI ярмарки бизнес-ангелов и инноваторов. Организовано малое предприятие ООО «Полиэтиленпластик», первичные материалы по проекту переданы в Роснанотех. Организовано три презентации - две в ОАО «Татнефть» и одна - в малых нефтяных компаниях РТ. Данный проект докладывался на Совете директоров Татхиминвест-Холдинга и получено одобрение, выбрано место реализации проекта - тенхнополис Химград, проработан вопрос об оборудовании для реализации проекта, начиная от производства нитей из высокопрочного полиэтилена и заканчивая производством композиционных материалов.

В третьем разделе КП «Функциональные наноструктурированные композиционные материалы» представлены проекты: «Создание промышленной технологии получения электретных нанокомпозиционных материалов» (кафедра технологии полимеров и композиционных материалов, научный руководитель доцент М.Ф. Галиханов), «Промышленная технология наноструктурного поверхностного упрочнения пластика» (кафедра технологического оборудования медицинской и легкой промышленности, научный руководитель профессор Н. Ф. Кашапов), «Разработка промышленной технологии получения фармацевтических препаратов путем быстрого расширения сверхкритических растворов» (кафедра теоретических основ теплотехники, научный руководитель профессор А.Н. Сабирзянов) и другие.

В разделе IV наш университет представлен проектами «Разработка технологии кооперированного производства пропиленоксида, фенола и ацетона на базе нанодисперсного молибденового катализатора. Работа ведется на кафедре общей химической технологии под руководством профессора Х.Э. Харлампиди.

Цель проекта: разработка технологии кооперированного производства пропиленок-сида, фенола и ацетона на базе нанодисперсного молибденового катализатора. Применение нанодисперсного молибдена значительно упрощает получение катализаторов процесса эпоксидирования и повышает их активность и селективность. Такие катализаторы позволят получать оксид пропилена эпоксидированием пропилена гидропероксидом изопропил-бензола и создать кооперированное производство фенола, ацетона и оксида пропилена. Проект будет осуществляться совместно с ОАО «Казаньоргсинтез».

Для успешной реализации проектов КГТУ в области индустрии нанотехнологий и наноматериалов существуют все предпосылки:

- наличие природных источников органического сырья и развитой инфраструктуры его добычи и обработки;

- наличие высокотехнологичных и наукоемких производств нефтехимической, химической и других отраслей;

- высокий потенциал университета с научными школами, аспирантурой и докторантурой для подготовки кадров высшей квалификации; в частности - специалистов по образовательной программе направления 210600 «Нанотехнология» специальности 210602 «Наноматериалы»;

- участие вуза в создании Парка высоких технологий на территории технополиса Химград для отработки модельных технологий производства нанокомпозитов;

- наличие Центра коллективного пользования научным оборудованием в области нанотехнологий.

Известно, что общемировые затраты на нанотехнологические проекты сейчас превышают 9 миллиардов долларов в год. На долю США приходится примерно треть всех мировых инвестиций в нанотехнологии. Другие главные инвесторы на рынке нанотехнологий - Европейский Союз и Япония. Объем федеральных инвестиций в развитие нанотехнологий в России до 2015 года может составить до 120 миллиардов рублей. В этой связи, развиваемые в КГТУ научные направления в области нанотехнологий, являются современными и актуальными.

© Г. С. Дьяконов - д-р хим. наук, ректор КГТУ.

Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 1.08.08. по 30.09.08.