Ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева и ИНЭОС РАН разработали новый способ получения стойких полимеров для космоса, электроники и современной энергетики

Коллектив учёных Российского химико-технологического университета им. Д.И.Менделеева (РХТУ) и лаборатории высокомолекулярных соединений Института элементоорганических соединений им. А.Н.Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) разработал эффективный одностадийный метод синтеза карбоксилированных полиимидов. Такие полимеры отличаются высокими механическими и диэлектрическими свойствами, в том числе термической, радиационной и химической стойкостью. Они применяются в различных областях, включая электронику, аэрокосмическую, энергетическую, нефтегазовую промышленность и медицину. Предложенный метод синтеза значительно ускоряет и упрощает весь производственный цикл, позволяет создавать полимеры с различными заданными характеристиками. Ученые уверяют, что благодаря их разработке российские компании смогут получать отечественное качественное сырье, свойства которого не уступают иностранным аналогам и даже превосходят их. Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Chemical Engineering Journal, Q1.

Одним из наиболее изученных и при этом интенсивно развивающимся направлением химии конденсационных полимеров является синтез ароматических карбо- и гетероциклических полимеров, ярким примером которых являются полиимиды. Эти полимеры широко востребованы:  они способны выдерживать температуры до 400°C, обладают комплексом технологических и эксплуатационных свойств, в том числе высокими механическими и диэлектрическими свойствами, радиационной и химической стойкостью. Часто полиимиды армируют углеродом или стекловолокном и получают различные композитные материалы.

В Менделеевском университете работа по синтезу полиимидов ведется на кафедре химической технологии пластических масс. Технологией элементоорганических и неорганических полимеров здесь занимаются магистрант РХТУ, инженер-исследователь лаборатории высокомолекулярных соединений ИНЭОС РАН Алексей Фоломин.

«В настоящее время термостойкие полимеры широко используются в различных областях высоких технологий, включая электронику, аэрокосмическую, энергетическую, нефтегазовую промышленность и медицину. В частности, карбоксилсодержащие полиимиды (КПИ) находят все больший научный и практический интерес при создании газоразделительных мембран, термоустойчивых покрытий и т. д.», – поясняет Алексей Фоломин.

 По словам Алексея, при всех очевидных преимуществах этот класс соединений достаточно сложен в производстве: для синтеза КПИ традиционно используется двухстадийный метод, который имеет существенные недостатки. На первой стадии необходим предварительный синтез полиамидокислот, которые отличаются нестабильностью. Циклизация аминокислоты в полиимид (имидизация) проходит на второй стадии, которая также имеет недостатки: зачастую проходит не полностью, отличается высокой жесткостью покрытий, невозможна без использования дополнительного состава для улучшения адгезии (аппрета). 

Предложенный Алексеем Фоломиным и коллегами способ синтеза органорастворимых КПИ позволяет избежать подобных проблем. Он  делает возможным получение таких полимеров в короткие сроки (от 1 до 4 часов) в малотоксичном растворителе без традиционно используемого катализатора, минуя стадии выделения и очистки, что в значительной степени упрощает получение и дальнейшее применение КПИ в различных областях.

В частности, коллективом были разработаны и получены лаки на основе КПИ для формирования первичного защитного покрытия оптического волокна. Такое покрытие проще в изготовлении, чем иностранные аналоги, отличается термической и гидролитической стабильностью, обеспечивает более надежную и длительную эксплуатацию конечного продукта.

«Работа в рамках данного исследования проводилась в течение последних нескольких лет. На начальном этапе мы исследовали принципиальную возможность получения карбоксилсодержащих полиимидов с использованием 3,5-диаминобензойной кислоты в качестве одного из мономеров. Нами впервые установлено, что синтез не требует введения дополнительного катализатора для получение высокомолекулярных КПИ. Показана универсальность метода для получения широкого круга КПИ различного строения. Было установлено, что на молекулярную массу полученных полимеров сильно влияет влажность при которой проводится синтез. Чем выше влажность, тем хуже свойства.

Используя различные мономеры, мы получили карбоксилсодержащие полиимиды с большим разнообразием свойств, таких как высокая тепло- и термостойкость, хорошая растворимость в органических растворителях, высокая прочность пленок и т. п. В последней работе синтезированные нами КПИ использовались в качестве защитных покрытий оптических световодов», – рассказал о широком спектре характеристик получаемых полимеров Алексей Фоломин.

Как пояснил Алексей Фоломин, успешные результаты были получены благодаря налаженному взаимодействию всех членов коллектива, представляющих различные российские научные центры. Сама работа была выполнена в лаборатории высокомолекулярных соединений ИНЭОС РАН, а изготовление оптических волокон с новыми полиимидными покрытиями и их тестирование проводили соавторы работы из Научного центра волоконной оптики им. Е.М.Дианова РАН.

«В настоящее время российские компании остро нуждаются в замещении импортного сырья. Полученные КПИ не уступают по свойствам иностранным аналогам, а некоторые их превосходят. В настоящее время мы планируем проведение дополнительных исследований с целью изучения конкретных полимерных матриц, а также дальнейшее коммерческое масштабирование проекта», – подытожил Алексей Фоломин.

Статья

Alexander V. Chuchalov, Bato A. Bayminov, Alexey D. Folomin, Olesya N. Zabegaeva, Ivan A. Godovikov, Elena G. Kononova, Alexey F. Kosolapov, Sergey L. Semjonov, Yakov S. Vygodskii, Dmitriy A. Sapozhnikov. Autocatalytic one-step high-temperature synthesis of carboxylated polyimides for in-situ high performance applications. Chemical Engineering Journal, Q1. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144902

Полученный ПИ лак

Вытяжная башня, на которой наносилось покрытие на световоды 

Световод с КПИ покрытием, намотанный на катушку