Лаборатория химической стойкости полимеров

Заведующий лабораторией:к.х.н. Ломакин Сергей Модестович

Телефон отдела:—

Почта:—

Комната:—

Лаборатории химической стойкости полимеров, основной задачей которой было изучение процессов старения и стабилизации полимеров, была создана академиком Н.М. Эмануэлем. Первым руководителем лаборатории был доктор химических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Геннадий Ефремович Заиков, внесший огромной вклад в развитие химической физики, химической кинетики и физико-химии полимеров. Он является создателем научного направления по исследованию процессов деструкции, стабилизации и горения полимеров. Под его руководством разработаны методы прогнозирования времени жизни полимерных изделий и способы продления времени их надежной эксплуатации.

С 2007 г. лабораторию возглавляет кандидат химических наук  Сергей Модестович Ломакин. Первоначально работа в лаборатории фокусировалась на изучении процессов деструкции и старения полимеров, в основном протекающих по ионному, ионно-молекулярному и молекулярному механизмам. В этом направлении была создана теория гидролитической деструкции гетероцепных полимеров, а также найдены важные пути применения на практике полученных результатов. Помимо этого, был изучен детально механизм озонной деструкции высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, подобраны новые антиозонанты для каучуков и резин, разработаны кинетические методы прогнозирования стойкости резин в атмосфере озона и найдены практические применения для полученных фундаментальных исследований (проф., д.х.н. С.Д. Разумовский, с.н.с, к.х.н. В.В. Подмастерьев, н.с. М.Л. Константинова). Также, в этот период времени, были проведены фундаментальные исследования процессов гидролитической деструкции полимеров и созданы основы теории диффузии многокомпонентных систем (электролитов) в полимеры.

В 2013-2014 годах  коллектив лаборатории проводил совместные научно-исследовательские работы по договору с французской энергомашиностроительной компанией «Шнейдер Электрик» по исследование различных свойств конструкционных и изоляционных материалов (руководитель проекта – к.х.н. С.М. Ломакин). В ходе работ по договору было проведено исследование старения и деградации под действием высокого напряжения уровня 17,5 киловольт и химически агрессивной среды (пары SO₂  и HNO₃ при повышенной влажности) различных образцов полимерных материалов, применяющихся в электротехнических изделиях. Помимо этого были проведены исследования процесса ускоренного старения образцов ЭПДМ при повышенных температурах в присутствии агрессивных антропогенных примесей: двуокиси азота и молекулярного хлора. Проводилась корреляция результатов структурного анализа поверхности образцов и электрических характеристик материалов: поверхностного  и  объемного сопротивления. Проведенные исследования по изучению термического старения показали, что в условиях эксплуатации не происходит изменения химического состава, однако возможно изменение эксплуатационных характеристик, вследствие деструкционных процессов, протекающих в полимерной матрице, что приводит к потери изоляционных характеристик конструкционных материалов.

Однако в последние годы, благодаря прогрессу в области создания новых полимерных материалов, включая нанокомпозиты, основное направление научной деятельности лаборатории претерпело существенную трансформацию. В 2015 году произошло слияние лаборатории химической стойкости полимеров и лаборатории кинетики инициированных превращений полимеров и модельных систем (зав. лаб. – д.х.н. Ю.А. Михеев). Сегодня приоритетными направлениями деятельности сотрудников лаборатории являются работы в области полимерного материаловедения (д.х.н. Ю.А. Михеев, к.х.н., с.н.с. Т.В. Похолок, д.х.н. В.А.  Володькин, к.х.н., с.н.с. М.И. Арцис).

Ведущий научный сотрудник, доктор химических наук Юрий Арсенович Михеев выступает на конкурсе научных работ Института (2014 год).

Так, в частности, в рамках этих работ д.х.н. Ю.А. Михеевым было установлено, что в водной и полимерной средах неполярные (гидрофобные) молекулы приобретают свойства элементарных коллоидных частиц под влиянием близкодействующих дисперсионных сил среды, а в полимерной среде коллоидными частицами становятся также и полярные молекулы.

Сотрудники лаборатории химической стойкости полимеров (2019 год). Сидят (слева направо): н.с. Марина Львовна Константиновна, ст. специалист Лидия Александровна Зимина; стоят (слева направо): н.с., к.х.н. Анатолий Владимирович Хватов, с.н.с., к.х.н. Вячеслав Васильевич Подмастерьев; зав. лаб., к.х.н. Сергей Модестович Ломакин и н.с. Павел Андреевич Сахаров.

На данный момент  в лаборатории работают также в.н.с., д.х.н. А.А. Володькин; в.н.с., д.х.н. Ю.А. Михеев; с.н.с., к.х.н. М.И. Арцис; с.н.с., к.х.н. Т.В. Похолок; ст.  специалист Л.Л. Мадюскина.

За последнее десятилетие первостепенными направлениями деятельности лаборатории стали исследования  процессов термической и термоокислительной деструкции полимерных (нано)композитов, озонного старения, воздействия агрессивных сред на структуру и свойства полимерных материалов, разработка принципиально новых (эко)полимерных материалов на основе природной биомассы, обладающих улучшенными физико-химическими и физико-механическими характеристиками по сравнению с синтетическими полимерами, создание биоантипиренов на основе возобновляемого природного сырья (к.х.н. А.В. Хватов, н.с. П.А. Сахаров), а также вопросы связанные с горением полимерных материалов и разработкой экологически-безопасных антипиренов. В последние 20 лет исследованиями в этой области руководит С.М. Ломакин, который прошел многолетнюю научную стажировку в 1990х – 2000х годах в National Institute of Standards and Technology, Building and Fire Research Laboratory (NIST, BFRL) Gaithersburg, Maryland, США.

В настоящее время работа сотрудников лаборатории в этом направлении нашла широкое международное признание, а исследования в области полимерных нанокомпозитов пониженной горючести получили широкий резонанс в отечественной и мировой научной литературе. Сотрудники лаборатории химической стойкости полимеров являются авторами десятков оригинальных научных работ в престижных международных журналах. Также они ежегодно приглашаются на зарубежные и отечественные конференции, посвященные горению полимеров. Особенно успешно выполняются работы по созданию новых полимерных нанокомпозитов пониженной горючести, содержащих слоистые силикаты, углеродные нанотрубы и многослойный графен. Результаты этих исследований легли в основу разработки современной теории, описывающей поведение полимерных композиционных материалов в условиях высокотемпературного пиролиза и горения, с учетом химического строения и структурных особенностей различных нанонаполнителей.  Большая работа сотрудниками лаборатории проведена в области разработки механизма высокотемпературного пиролиза и снижения горючести различных полимерных нанокомпозитов. Наряду с основной причиной влияющей на понижение горючести нанокомпозитов за счет твердофазных реакций коксообразования и формирования эффективного защитного слоя на поверхности горящего полимерного материала, был предложен альтернативный механизм, учитывающий изменение состава газообразных продуктов пиролиза за счет снижения скорости диффузии тяжелых углеводородных продуктов пиролиза в газовой фазе. Было установлено, что основной причиной этого феномена служит снижение сегментальной подвижности первичных полимерных макрорадикалов, приводящее к фундаментальному изменению традиционного радикально-цепного механизма термодеструкции полимеров.

Проведенные исследования термических свойств и горючести полимерных нанокомпозиционных материалов показали перспективу их практического применения в качестве экологически-безопасных материалов пониженной горючести.

Особый интерес в работах лаборатории вызывают исследования синергизма влияния различных нанонаполнителей на пиролиз и горение полимерных композитов. В частности, впервые было установлено синергетическое влияние слоистых силикатов и многослойного графена на снижение горючести полиолефинов. Практическим воплощением этих исследований явилась разработка трудногорючей полиолефиновой композиции, содержащей комплексную добавку многослойного графена и гидроксидов Al, Mg. На основании изучения синергизма влияния различных антипиренов в 2014 г. был получен патент РФ на изобретение.

В последние годы в лаборатории активно разрабатывается совершенно новое, перспективное направление в области создания экологически-безопасных антипиренов. На базе целлюлозосодержащего растительного возобновляемого сырья был синтезирован целый ряд интумесцентных антипиренов, содержащих как чистый лигнин, так и древесину в сочетании с природными полисахарами (крахмалсодержащими продуктами). Показано, что окисленные производные природного возобновляемого сырья, представляющие собой целлюлозосодержащие и крахмалосодержащие реагенты, могут найти применение в качестве эффективных антипиренов для конструкционных изделий из древесины, при изготовлении различных композиционных полимерных материалов, а также при тушении пожаров.  Полученные результаты оказались совершенно неожиданными, поскольку ранее никто не предполагал, что подобные реагенты могут обладать свойствами антипиренов. На основании результатов проведенных исследований был установлен интумесцентный механизм огнезащитного действия антипиренов на основе окисленного возобновляемого сырья, согласно которому термический нагрев приводит к образованию пенококса, который в свою очередь препятствует процессу горению за счет резкого снижения тепло- и массообмена между пламенем и поверхностью горящих материалов.

В 2016 -2018 гг. в ИБХФ РАН разработана уникальная технологии приготовления и применения интумесцентных антипиренов на основе окисленного растительного сырья (серия “АРБОКСИД”) для конструкционных строительных материалов и изделий из древесины и целлюлозы с целью придания им огнестойкости и расширения областей их применения в строительстве и производстве изделий общегражданского назначения, за счет сохранения прочностных и горючих характеристик на протяжение многолетней эксплуатации на открытом воздухе. В ходе проведенных исследований был установлен интумесцентный характер поведения разработанного антипирена в условиях пиролиза и горения. Синтезированный из растительного возобновляемого сырья антипирен предлагается использовать для обработки конструкционных и строительных материалов из древесины, с целью придания им 1-ой группы огнезащитной эффективности, а также высокой огнестойкости.

Опытно-промышленная установка синтеза антипирена “АРБОКСИД” производительностью 2 т в месяц  на производственной базе ПАО Татнефть.

В отличие от коммерческих аналогов антипиренов, разработанный в нашем Институте антипирен “АРБОКСИД” производится исключительно из возобновляемого природного сырья и не образует токсичных продуктов в процессе длительной эксплуатации и при горении. В настоящее время на производственной базе ПАО Татнефть уже создана установка промышленного синтеза антипирена “АРБОКСИД” производительностью 2 т в месяц, что в перспективе позволит использовать отходы производства деревообрабатывающих предприятий и производить подобные антипирены непосредственно на территориях древесно-стружечных комбинатов. В 2018 году эта разработка лаборатории по созданию нового поколения интумесцентных антипиренов на основе возобновляемого природного сырья для конструкционных материалов и изделий из древесины и полиэфирных смол признана важнейшим достижением ИБХФ РАН.

В настоящее время в лаборатории работает 12 сотрудников, в том числе 3 доктора наук и 5 кандидатов химических наук. За последние 5 лет сотрудники лаборатории сделано боле 30 устных докладов на международных конференциях по горению полимеров, ежегодно публикуется более 100 статей в высокорейтинговых журналах с высоким импакт-фактором, получены многочисленные патенты РФ на изобретение, среди которых:

«Антипирен, способ его получения, способ огнезащитной обработки горючего субстрата и способ тушения очага горения» Варфоломеев С.Д., Ломакин С.М., Сахаров А.М., Сахаров П.А., Горшенев В.Н., Демин В.Н. Патент РФ» № 2425069 от 27.07.2011 г. 

«Полимерная композиция на основе олефинов, характеризующаяся пониженной горючестью» Ломакин С.М., Усачев С.В., Бревнов П.Н., Кувардина Е.Н., Новокшонова Л.А., Патент РФ № 2013113667 от 20.11.2014 г.

«Антипирен, способ его получения, способ огнезащитной обработки горючего субстрата и способ тушения очага горения» Варфоломеев С.Д., Ломакин С.М., Сахаров А.М., Сахаров П.А., Горшенев В.Н., Демин В.Н. Патент РФ» № 2425069 от 27.07.2011 г. 

«Полиэфирное связующее пониженной горючести» Варфоломеев С.Д., Ломакин С.М., Сахаров П.А., Хватов А.В, Луканина Ю.К., Коверзанова Е.В., Шилкина Н.Г., Миних А.А., Савосин С.И., Дементьев С.А. Патент РФ» № 2674210 от 10.01.2018 г.

«Антипирен, способ его получения и способ огнезащитной обработки древесины» Сахаров П.А., Ломакин С.М., Хватов А.В., Коверзанова Е.В., Луканина Ю.К., Шилкина Н.Г., Усачев С.В., Варфоломеев С.Д., Миних А.А. Патент РФ № 2674208 от 22.01.2018 г.