Химия и химические технологии/ 5.Фундаментальные проблемы создания новых материалов и технологий

Д. ю. н., профессор Рыженков А. Я.,

Управляющий общества с ограниченной

ответственностью

Научно-производственный центр «ГРУС», Россия

К. т. н. Титов Н. Ф,

Президент общества с ограниченной

ответственностью

Научно-производственный центр «ГРУС», Россия

К ВОПРОСУ ОБ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ И О НОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

Основной темой обсуждаемых вопросов при разработке и совершенствовании техники, приборов различного назначения и технологий общеизвестно является проблематика материалов, определяющих, как основной фактор, прогресс в промышленности и в быту и одновременно энергетические затраты и затраты на экологию. Практикуемые в промышленности и в быту во все возрастающем количестве металлы и их сплавы, керамические материалы и органические полимеры в настоящее время стали причиной масштабных проблем. Всеобщее потепление и в связи с этим природные катаклизмы, "замусоривание" территорий гибельными для флоры и фауны химическими веществами технологических отходов, отслужившими машинами, остатками строений и предметов промышленного и бытового назначения, ограниченность в большинстве невосполнимого и все менее доступного сырья и энергоресурсов, скрытая повышением цен неудовлетворенность увеличивающегося спроса на товары и энергию на фоне роста населения Земли и необходимости замены стареющих в прогрессирующем количестве промышленных фондов, коммуникаций, зданий являются следствием применения существующих материалов.

Без преувеличения проблема материалов – проблема №1.

Насколько динамично усугубляется техногенная ситуация в мире видно на примере парадоксальных решений в области энергетики. Буквально 25-30 лет назад правительствами стран практиковалась консервация действующих атомных электростанций и замораживалось строительство новых. В настоящее время произведена расконсервация атомных электростанций и строятся новые, несмотря на остающийся риск повторения Чернобыля, то есть существующие и грядущие экономические и социальные последствия дефицита ресурсов, включая энергетические, требуемые для производства материалов и из них товаров, однозначно превысили последствия Чернобыля и беспрепятственно развивающаяся сегодня отрасль атомной энергетики тому подтверждение.

Ученым и инженерам, однако, давно известны материалы, позволяющие решить принципиально все проблемы, в том числе энергетические и известны их, выгодные для промышленности, химические свойства, термостойкость, плотность, твердость, прочность, прочие характеристики, которые нетрудно найти в энциклопедических и справочных изданиях. Это материалы минералообразующих веществ из группы стеклообразующих бромидов, фторидов, окислов алюминия, железа, кремния, циркония, тантала, титана и им подобных. Той группы веществ, из которых в основном и состоит земная кора и среди них самое широкое распространение имеют окись кремния – в природе это кремнезем (кварцевые пески), составная часть алюмосиликатов, кварц и пр. подобные соединения, содержащие в земной коре кремния 27,7% по массе, окись алюминия – это глинозем, составная часть алюмосиликатов, бокситы и пр. подобные соединения, содержащие в земной коре алюминия 8,8% по массе, окись железа – магнитный железняк, красный железняк и им подобные, содержащие железо в земной коре 4,65% по массе и если к этому добавить, что массовая доля кислорода, связанного в минералах, имеющих в составе кремний, алюминий и железо, примерно 30% (всего в земной коре связанного кислорода 47%), применимость слов «самое широкое распространение» будет понятна. Только по массе четырех элементов, эти три типа минералообразующих соединений, включающие доли или проценты других элементов, составляют примерно 71% земной коры. Для сравнения, к примеру, углерод, входящий в состав растений, горючие ископаемые уголь, торф, сланцы, в соединения нефти, горючих газов, которого на первый взгляд «немерено» и который в данном случае не представляет интереса, в земной коре составляет «всего» 0,1% по массе. На другие элементы (исключая все 47% связанного кислорода) в земной коре приходится чуть более 12% по массе и среди них не малая доля связанны в химических соединениях минералов, от материалов из которых, так же как от материалов окиси кремния, окиси алюминия, окиси железа, зависит, но именно от монолитных материалов этих веществ, будущее технического прогресса и экологии.

Монолитные материалы этих веществ существуют в природе (поэтому их характеристики общеизвестны). Прозрачные бесцветные и различно окрашенные монокристаллы минералообразующих веществ, такие как горный хрусталь, аметист, топаз, агат, яшма – состоящие из окиси кремния, рубин, сапфир – из окиси алюминия и другие, всем знакомые, драгоценные камни – природные монолитные материалы этих веществ, применяемые, из-за совершенной оптики, в качестве рабочих тел лазеров, из-за высокой твердости и износостойкости в виде опорных камней точных и часовых механизмов, из-за правильной формы и привлекающего цвета в качестве ювелирных камней, горный хрусталь (природный кварц), например, применяется для генерации ультразвуковых колебаний. Единственным вопросом, остававшимся открытым и нерешенным до настоящего времени, был вопрос получения монолитных материалов в варианте пригодном для промышленного производства. Непосредственно минералообразующие вещества применяются в качестве одного из компонентов сырья в производстве эмалей, фарфора, в стекловарении (стеклообразующие вещества) и из них извлекают металлы (производство последних один из основных источников загрязнения окружающей среды).

Промышленность получает материалы минералообразующих веществ, за некоторым исключением, в виде порошка или агрегатов (крупных частиц) в сложных многостадийных химических реакциях или из спека – сплавленных в электрической дуге или доведенных до спекания минералов в электродуговых или нагревательных печах, собственно, что и предопределяет их применение в качестве добавок. Материалы, содержащие эти вещества, применяются в звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре, в изготовлении полупроводниковых деталей, в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах и поглотителя радиации. Материалы этих веществ, это компоненты керамики, абразивных материалов, тугоплавких и износостойких режущих инструментов, высокотемпературных клеев, компоненты для изготовления химически стойкой и термостойкой посуды, огнеупоров для металлургических, стекловаренных и электрических печей и это применение связано, и не только, с их прочностью, стойкостью к удару, износостойкостью, твердостью, термостойкостью и прежде всего с тем, что температура плавления (размягчения) этих веществ находится (в основном) в интервале от 1600 до 3000 градусов Цельсия (температура расплава, требуемого для получения монолитных материалов – гораздо выше).

Чем выше температура плавления, тем материал более привлекательный для конструкторов, так как эта температура определяет термостойкость, соответственно, прочность, конструкционную несущую способность и, следовательно, надежность и срок службы материалов и изделий из них.

Само собой разумеется, конструкции дорожного и строительного назначения, детали машин, станков, бытовой техники, а также трубы, тара, посуда и многие другие изделия, изготовленные непосредственно из материалов этих веществ, будут непревзойденными по надежности, сроку службы, пожаробезопасности, техническим и эксплуатационным характеристикам. Но для этого требуются блоки, плиты, листы, трубы или пленка монолитных (плавленых) материалов, полученных из расплавов этих веществ.

Показательным примером служит кварцевое стекло (материал окиси кремния, близкий к монолитному), которое можно нагревать до 1000 градусов и резко переохлаждать, опуская в воду или переохлаждать до более низких температур, и можно это делать многократно и оно не разрушится. Монолитные (плавленые) материалы ожидают инженеры и их получением озабочены исследователи, что естественно, так как эти материалы позволяют упростить технологию изготовления, значительно снизить вес, качественно улучшить технические характеристики и надежность существующих изделий и уменьшить ресурсопотребление и энергопотребление, создать новые изделия. Этим и тем, что эти материалы обратимы в производстве и решаются существующие масштабные проблемы.

Но, в настоящее время, технически неосуществимо приготовление расплава в количествах, имеющих практическое значение и требуемого, именно, для получения монолитных материалов минералообразующих (стеклообразующих) веществ. Высокие температуры плавления, активное химическое взаимодействие веществ и большие значения их летучести при этих температурах основные, только технические и далеко не все, причины, исключающие масштабное производство этих материалов. Лучшие огнеупоры, из которых можно сделать печи, сегодня могут состоять из материалов этих же веществ, так как других, более прочных, высокотемпературных и не влияющих на химический состав расплава, просто нет и понятно, что изготовление печи из этих огнеупоров, для получения расплава монолитных материалов, не имеет смысла, так как огнеупоры и заложенные в печь вещества, имея одинаковые (или близкие) температуры плавления, одновременно будут размягчаться с достижением этих температур и печь разрушится прежде, чем расплав будет получен.

Поэтому велись и ведутся поиски способа их промышленного производства, чтобы разрешить эту техническую неразрешимость технологическим путем. Специалистам России (Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ГРУС», г. Волгоград, патент RU № 2224725 от 27.02.2004 г.) удалось разработать способ (являющийся альтернативным американскому способу – US 5,964,913, A, 12.10.1999 г. авторами которого, в том числе, в основном являются специалисты «ГРУС») предполагающий, кроме того, сравнительно недорогое производство этих материалов из низкотемпературных многокомпонентных стеклообразующих расплавов (из которых, например, получают оконное стекло), где минералообразующие окислы их (расплавов) составная часть. К сожалению, для авторов, и не авторов, эти материалы и решают, названные в начале текста, проблемы и создают новую, скорее политическую проблему, которую можно интерпретировать вопросом – выгодно ли всем, чтобы их производство получило распространение и их производство было доступно каждой стране. Ответ на этот вопрос ясен, так как производство этих материалов противоречит интересам многих отраслей и не только.

Единственным представителем этого класса плавленых материалов в промышленности сегодня является материал окиси кремния (температура плавления 1700 градусов) в виде кварцевого волокна, получаемого из расплава высококачественных кварцевых песков в трудновоспроизводимой технологии (температура расплава 2100 градусов) и производство которого поэтому недоступно для многих стран и кроме того закрыто для частного рынка, так как этот материал основной в области ракетостроения и, несомненно, вместе с другими стратегическими материалами, дает военно-техническое и соответственно экономическое преимущество такой, например, стране как США. Понятно желание иметь приоритет на технологию и контроль на все ноу-хау, позволяющие получать не только материал окиси кремния, недорогой по этой технологии, но и аналогичные ему материалы окиси алюминия, окиси железа (в быту имеет название «ржавчина») и им подобные, причем в виде листового и пленочного материала. Например, только то, что вещества этих материалов – окислы, эти материалы не будут подвержены коррозии естественно (не будут «ржаветь» – окисляться, как окисляются существующие материалы). Одно это создает неоспоримый экономический эффект, делает их стратегическими (экономически выгодными, приводящими к техническому преимуществу) и снимает остроту назревших проблем, так как более половины ресурсов тратится на замену пришедшего в негодность по причине коррозии, более того для этих материалов не требуется антикоррозийная защита (краска и другие покрытия), они не горючи (это окислы и для них «горение» – окисление, прошедший процесс), химически инертные (не может быть прочно сцепленных с ними отложений и нанесенное будет легко удаляться), стойкие к износу трением (то есть будет трудно «царапаньем» изменить качество поверхности), не бьющиеся и кроме того обратимы в производстве – не будут мусором.

Только в США мусора производится около двухсот миллионов тонн в год. Перерабатываемые пищевые отходы и в новые изделия металлы, отчасти тряпье, бумага и картон составляют примерно 30 %. То есть, из года в год, по 120-140 миллионов тонн, небезопасный мусор накапливается и требует все новых мест для захоронения, отравляя землю и воду. Проблема мусора решается с применением новых материалов, так как они обратимы в производстве и вышедшие из употребления изделия будут сырьем для новых. Желание иметь приоритет на патент и контроль на ноу-хау понятно, но понятно и то, что с решением одних вопросов возникают другие – вопросы не востребованности отдельных и целых групп предприятий практически во всех отраслях экономики. Всем известны сложности, возникающие в связи с консервацией угольных шахт – для Польши, например, это национальная трагедия, приводящая к забастовкам и политической нестабильности. По этой причине следовало и следует ожидать противодействие проекту. Министерство торговли США мотивировало свое нежелание финансировать развитие проекта монолитных материалов окислов фирмой, где сособственники – авторы, тем, что этот проект приводит к потере рабочих мест (но, получив документы, выделило гранд национальным лабораториям – удивительная непоследовательность в решениях, объяснимая конечно, если только это цель исключить монополию специалистов России на ноу-хау, не дать дополнительную возможность накопления ими ноу-хау и иметь собственные знания и опыт, то есть получить преимущество и контролировать рынок).

Необходимо напомнить, что земная кора в основном состоит из минералов этих окислов, везде доступных и находящихся в гармонии с природой, соответственно влияние на экологию материалов этих окислов исключается, кроме того, из-за большой прочности, их требуется на единицу продукции гораздо меньше, чем ныне применяемых материалов, следовательно, меньше, и значительно, необходимо переработать сырья для производства всех товаров, что само по себе решает проблемы экологии. Понятие «ресурсосбережение», в связи с этими материалами, трудно воспринимается – маловероятно, чтобы человечество «умудрилось» переработать 71% земной коры. Отчасти решится и не будет настолько актуальна проблема энергетического обеспечения, так как уменьшится общее потребление энергии, вследствие снижения её доли в производстве материалов. По крайней мере, атомные электростанции по известным причинам не будут востребованы и может быть будет достаточно энергии возобновляемых источников, таких как гидроэлектростанции.

По технической сложности и техническому оснащению технология новых материалов совпадает с освоенной и не вызывающей проблем технологией технического стекла, то есть новая технология в промышленном варианте легко реализуема.

Понимание колоссального экономического, политического и социального эффекта новых материалов и вместе с этим понимание высокой вероятности потери военно-технического преимущества (или его приобретения) всегда приводило к определенной структуре сложных и принципиальных отношений между авторами технологии, инвесторами и страной инвесторов, которая обязательно вмешивалась в эти отношения. В настоящее время такого рода отношения существуют между русскими авторами (в числе авторов есть американец) и американцами, получившими приоритет на патент, с публикацией которого стали известны физические принципы и общие вопросы технологии получения этих материалов. Американцы выстраивают все отношения с требованием, против достигнутых договоренностей, выполнения всех работ и развития промышленной технологии только в США с тем, чтобы произошла естественная в этом случае передача всех ноу-хау. Авторы технологии проводят политику на сохранение своих интересов и удерживают ноу-хау, что до настоящего времени удавалось. Приоритет на патент у американцев, их амбиции и собственность на ноу-хау у авторов, не желающих расставаться с ними вне рамок начальных договоренностей, кроме того, понимание обеими сторонами колоссального экономического эффекта – послужили причинами многолетнего противостояния между русскими авторами и американскими инвесторами и задержки промышленного производства материалов.

Амбиции американцев привели в 2001 году к угрозе потери авторами приоритета на ноу-хау и необходимости публичного заявления авторами о проекте на специально созванной ими пресс-конференции, что вызвало широкий резонанс в России и за рубежом и выразилось в многочисленных, различных по содержанию публикациях, заявлениях, обращениях и пожеланиях, которые не прекращаются до настоящего времени, настолько животрепещущи проблемы, решаемые этим проектом. Стимулом для публичного заявления авторов послужил отказ американцев признать приоритет русских авторов на открытие (и применение) эффекта собственного нестационарного магнитного поля материала (источника ЭДС), воспроизводимого в определенной модификации технологии, доведенной до совершенства. Этот эффект, позволяющий получить новый источник тока (энергии), в течение двух лет тщательно, в отличие от академиков России, сделавших, по непонятным причинам, голословные заявления, изучался американскими специалистами с оплатой американцами всех работ в России в связи с этим и в итоге был ими подтвержден и признан. Зная, что для решения организационных вопросов финансирования российскими инвесторами, несклонных делать инвестиции в новое производство, для авторов требуются большое время и деньги, спекулируя на этом и на стоимости начальных работ, практически исключающей финансирование проекта собственно авторами, американцы в 2003 году создали ситуацию, в которой по их убеждению русские авторы вынуждены будут начать работать в США и занимают выжидательную позицию, одновременно пытаясь осуществить в США экспериментальные работы, насколько это возможно, собственными специалистами с целью получения параметрической базы данных для проектных работ – то, чем владеют русские авторы.

В настоящее время русские авторы на базе общества с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ГРУС», применяя российский патент, проектирует и совершенствует технологии для предприятий, которые можно различить по типу технологии или по типу получаемого материала.