Вопросы использования углекислого газа (CO2) в синтезе полимеров и роли металлоорганики в полимерной химии становятся всё более актуальными.
Профессор кафедры химии высокомолекулярных соединений химического факультета МГУ, Елена Черникова, делится своим мнением о перспективах этих направлений.
CO2, хоть и вызывает опасения из-за своего влияния на парниковый эффект, на самом деле может быть ценным ресурсом.
В последние годы углекислый газ активно используется в химической промышленности, включая полимерную химию, где он может служить как среда для полимеризации, так и мономером для синтеза биоразлагаемых полимеров.
Проблема полимерных отходов, которые загрязняют почву и водоемы, становится всё более очевидной.
Известные мусорные острова в океанах подчеркивают необходимость переосмысления отношения к пластикам, многие из которых обладают высокой стойкостью к разложению, накапливаясь в виде микропластика.
Биоразлагаемые полимеры представляют собой решение этой проблемы, предлагая возможность восстановления окружающей среды и снижения негативного воздействия на природу.
Они становятся ключевыми в будущем материаловедения, поскольку позволяют избежать накопления вредных отходов и позитивно влияют на экологическую обстановку.
Поэтому исследование деградации полимеров и разработка новых, более устойчивых и безопасных материалов становятся важными аспектами работы учёных.
Поведение полимеров объясняется их сложной структурой, состоящей из макромолекул, образованных сотнями или даже тысячами повторяющихся звеньев. Разрушение макромолекул требует разрыва большого количества связей, что представляет значительную сложность.
В отличие от этого, биоразлагаемые полимеры способны разлагаться на низкомолекулярные и нетоксичные вещества под воздействием окружающей среды. Ярким примером биоразлагаемого полимера является «полилактид», используемый в медицине, который разлагается всего за несколько месяцев, что делает его безопасным для экологии.
Углекислый газ может использоваться как мономер в синтезе полимеров. При взаимодействии с эпоксидными соединениями, такими как «окись этилена» или «пропилена», с применением катализатора образуется «поликарбонат». Эпоксиды можно получать из нефти или природных алкенов.
Также возможна разработка новых классов биоразлагаемых полимеров, включая сополимеры поликарбоната и сложного полиэфира. Исследования поликарбонатов, синтезируемых из углекислого газа и эпоксидов, активно проводятся с начала 2000-х годов, что привело к росту интереса к их свойствам и применению.
«Полипропиленкарбонат», полученный из этих компонентов, уже производится в Китае и США.
В настоящее время мы активно исследуем свойства полимеризационных поликарбонатов и ищем перспективные области их применения.
Включение различных компонентов в смесь эпоксида и углекислого газа позволяет модифицировать характеристики конечного материала в широких пределах.
Мы можем создать «мягкий» материал, который подходит для изготовления упаковочных материалов и пленок, или же более жесткий и прочный материал, который станет альтернативой традиционному промышленному поликарбонату, производимому с использованием бисфенола А и фосгена.
Свойства поликарбоната будут зависеть от химических свойств конкретного эпоксида.
Стоит отметить, что синтез поликарбонатов методом полимеризации из эпоксидов и СО2 является более экологически чистым по сравнению с поликонденсацией, даже с учетом разработанных бесфосгенных технологий.
Широкий выбор эпоксидов предоставляет возможность варьировать свойства от резин до пластиков.
Поэтому одна из главных задач наших исследований — получение разнообразных материалов с изменяемыми свойствами.
Процесс полимеризации требует тщательного подбора катализаторов, которые определяют как структуру, так и характеристики конечного продукта.
Важно, чтобы катализатор обеспечивал образование полимера нужной длины и молекулярной массы с высоким выходом и при этом легко отделялся от реакции.
Катализаторы играют ключевую роль в обеспечении нужной пространственной структуры макромолекул. Важным аспектом остается их экономическая целесообразность.
Например, катализаторы «Циглера—Натта» остаются актуальными для синтеза таких полимеров, как полиэтилен и полипропилен, несмотря на появление более совершенных систем. Главным вызовом является нахождение оптимального соотношения между экономикой, производительностью и эффективностью, что подразумевает отсутствие универсального катализатора.
Выбор катализатора зависит от конкретной задачи. Например, для получения стереорегулярного поликарбоната с высокими прочностными свойствами может потребоваться дорогая катализаторная система, что неприемлемо для других типов полимеров.
В случае аморфных полимеров с хорошими оптическими характеристиками важна молекулярная масса, а упорядоченность структуры не так критична. Важно также, чтобы катализаторы были легко отделяемыми от конечного продукта, что необходимо для применения в медицине.
Дополнительной сложностью служит многогранность реакций CO2 с эпоксидом: они приводят к образованию различных соединений, таких как циклические карбонаты, обусловленные внутримолекулярной циклизацией. В зависимости от условий, один и тот же катализатор может давать как полимер, так и низкомолекулярные продукты.
Циклические карбонаты находят широкое применение в различных областях, включая использование в качестве растворителей и добавок к литий-ионным аккумуляторам.
Однако, если целью является синтез полимерного материала, необходимо исключить карбонат в конечном продукте.
В процессе сополимеризации, где мономерами выступают эпоксид и углекислый газ (CO2), важно учитывать, что они могут образовывать разные комбинации, такие как «АВАВ» или «АААВ».
Для достижения желаемой структуры полимера крайне нежелательны все остальные варианты со стороны мономеров.
Например, взаимодействие CO2 и эпоксида приводит к образованию карбоната, в то время как два эпоксида создают простой эфир.
Присутствие эфирных звеньев в структуре поликарбоната не желательно — это приводит к образованию сополимеров, которые имеют уменьшенные прочностные характеристики.
Чем больше эфирных звеньев, тем сильнее снижаются показатели прочности.
Одной из ключевых задач катализатора полимеризации становится обеспечение чередования углекислого газа и эпоксида в макромолекуле, что критично для получения полимеров с заданными свойствами.
Учёные активно исследуют различные каталитические системы для получения поликарбоната, так как многие гетерогенные катализаторы не предотвращают образование эфирных связей.
Здесь возникает дилемма: если необходимо избежать эфирных связей, предпочтение отдается гомогенным катализаторам, но это приводит к удорожанию процесса.
При рассмотрении судьбы полимерных материалов после их эксплуатации, крайне важно заранее планировать способы утилизации.
Поликарбонаты, получаемые из эпоксидов и углекислого газа, могут подвергаться нескольким методам деструкции, среди которых на первом месте стоит биодеградация.
Необходимо учитывать скорость разложения полимеров в разных условиях окружающей среды.
В последние годы большое внимание уделяется химическому рециклингу, благодаря которому из полимерных материалов извлекаются ценные низкомолекулярные вещества, такие как мономеры.
Деструкция поликарбонатов зависит от различных факторов, включая температуру, pH и наличие катализаторов.
В зависимости от метода воздействия можно получить различные продукты, например, циклические карбонаты или диолы.
Ключевым моментом для исследователей является поиск эффективных и быстрых методов деструкции.
Кроме того, важно расширить температурный диапазон, в котором полимеры могут функционировать, что является одной из основных задач в области научных исследований.
Понимание механизмов термодеструкции и термоокислительной деструкции является ключевым для замедления этих процессов.
Особенно актуальна комплексная оценка различных свойств поликарбонатов, включая их механические характеристики.
Несмотря на множество исследований в этой сфере, результаты часто противоречивы, что связано с работой с поликарбонатами, содержащими эфирные звенья.
Недавние открытия показали, что эластичные свойства «чистого» поликарбоната можно регулировать через выбор температуры термообработки при производстве пленок.
Это наблюдение, к сожалению, оставалось незамеченным ранее.
Важно понимать, что комплексное исследование полимеров служит основой для изменения свойств конечного продукта, что может открыть новые возможности применения в промышленности.
Мы стремимся выявить привлекательные области применения поликарбонатов, создавая недорогие технологии.
На данный момент потенциальные направления включают использование поликарбонатов в качестве связующих, полиолов и упаковочных материалов.
В синтетических процессах доступны реакторы, работающие под давлением 10–20 атмосфер, что позволяет использовать эпоксиды и подобрать подходящие катализаторы.
Мы надеемся, что в ближайшие годы начнется промышленное производство поликарбоната из эпоксидов и углекислого газа, что откроет новые горизонты для применения этих материалов.
