The future belongs to ecological resins
Что из себя представляет синтетическая смола? Начальник R&D центра компании «Метадинеа» Сергей Иванов рассказал о смолах, нюансах их классификации, а также о том, какими могут быть смолы будущего.
Сергей Николаевич, расскажите, пожалуйста, о R&D центре и как его деятельность связана с производством смол?
Наш Центр исследований и разработок был вновь создан в России в 2023 году компанией-производителем синтетических смол «Метадинеа». Текущие задачи Центра можно разделить на три направления. Это, в первую очередь, поддержка производственных потребностей компании. Например, лабораторное тестирование сырья от нового поставщика перед запуском в производство. Второе направление – разработка продуктов, которые в компании «Метадинеа» не производятся, но существуют на рынке. Назовем это расширением продуктового портфеля компании. Третье направление – разработка новых типов продукции, которые отсутствуют на рынке. При полноценном функционировании Центра планируется создать следующие структурные направления: разработка и масштабирование синтеза смол; аналитическое сопровождение процесса синтеза; определение характеристик конечного продукта и тестирование свойств изделий, изготовленных из этого продукта.
Что такое синтетические смолы?
Понятие «смолы» появилось несколько веков назад. За прошедшее время термин не претерпел изменений, но изменилось его наполнение. Если коротко, то смолы – это собирательное название реакционноспособных полимерных материалов, способных подвергаться дальнейшей трансформации. Самые первые смолы, с которыми столкнулось человечество – древесные и каменноугольные: дёготь, канифоль, битум и другие. На данный момент существует множество классификаций смол. Например, по происхождению смолы делятся на природные – животные, растительные, минеральные и синтетические. До начала 20 века понятие «синтетические смолы» вообще отсутствовало. После начала их практического применения в этом ключе стали объединять полимеры с относительно невысокой долей полимеризации, которые под воздействием ряда факторов способны к дальнейшей полимеризации. И, например, даже по характеру последующей полимеризации под воздействием только нагревания, добавляется еще одна классификация смол – на термопластичные и термореактивные.
С точки зрения процесса синтеза, смолы – это продукты, полученные различными способами полимеризации: радикальной, ионной, полиприсоединения, поликонденсации и так далее. Например, смолы производства «Метадинеа» относятся к полимерам, полученным поликонденсацией на основе формальдегида. Тем не менее, подобная классификация смол по типу получения в среде потребителей практически не используется.
Если же мы говорим о классификации с точки зрения применения, то смолы обычно разделяют на пластификаторы, изоляционные материалы и клеи. Продукция «Метадинеа» по сфере применения относится в большинстве своём к клеям, хотя есть и марки смол, использующиеся в изоляционных материалах, в том числе и как компоненты лакокрасочных материалов.
В свою очередь, смолы, которые используются как клеевые решения, разделяют по различным типологиям. Например, существует классификация смол по природе исходных компонентов и, порой, даже одного из компонентов. Например, продукция компании «Метадинеа» делится на фенолоформальдегидные, карбамидоформальдегидные, меламиноформальдегидные смолы.
Как видите, классификация может быть разная и, конечно, это вносит путаницу в терминологию. Каждый использует тот подход, который ему удобен. Например, к нам может обратиться потребитель с запросом термореактивной смолы с требуемым температурным интервалом обработки. Ему этого достаточно. Но нам, как производителю, порой приходится расшифровывать ребус: что он под этим имел в виду и какая смола ему необходима. Поиск верного ответа из этих перекрестных терминологий – захватывающий процесс. Наша задача - подобрать для потребителей наиболее удобное и подходящее решение.
Правильно ли я понимаю, что сейчас в рабочем обиходе больше используется классификация по типу применения?
Совершенно верно. Хотя и здесь следует быть внимательным. Например, потребителю необходима термопластичная смола, но подобные смолы могут быть изготовлены на основе разных компонентов: фенолоформальдегидные, акриловые, полиамидные и другие смолы. Перечисленные примеры будут принципиально разными по химии, но с некоторыми схожими физическими параметрами. Необходимо учитывать эти факторы для корректного дальнейшего применения смол. Поэтому сложно выработать единую классификацию смол, особенно с учетом собирательности самого термина «смолы».
Если так сложно определить, что такое смолы, то можем ли мы определить из чего они производятся?
Синтетические смолы, как один из видов полимеров, делаются из мономеров. Мономеры бывают разные и, соответственно, процессы производства будут разными, в зависимости от типа полимеризации в конечном процессе. Например, в продукции компании «Метадинеа» основной компонент – это формальдегид и ряд полифункциональных соединений, с которыми он может взаимодействовать. Это фенол, карбамид, меламин, и некоторые производные перечисленных продуктов. «Метадинеа» уже производит или потенциально может производить большинство синтетических смол, в которых используется формальдегид. Подобный выбор был исторически продиктован доступностью и возможностью глубокой переработки сырья, являющегося продукцией нашей головной компании – «Метафракс Кемикалс».
Есть ли какие-то различия между производством смол в России и за рубежом?
С точки зрения химии никаких различий нет. В чем можно сделать отличие между европейским, американским, японским, российским и другими рынками, так это разные экологические допуски по эмиссии мономеров. Допустим, если в России есть допуски по эмиссии формальдегида Е1 и Е2, закрепленные ГОСТом и сравнимые с допусками на европейском рынке, то в Японии, насколько я знаю, существует вариант самого жесткого стандарта в мире, который приравнивается к фоновому уровню миграции формальдегида из древесины. Здесь хотелось бы подчеркнуть, что натуральная древесина имеет естественное содержание формальдегида. Указанные различные требования по допускам санитарно-гигиенических нормативов вносят свои коррекции в технологии производства смол в зависимости от регионов. Но основной фактор, влияющий на распределение производства смол по мировым рынкам, – это все-таки доступная сырьевая база. Поэтому, фактически, основное различие – это экономическая составляющая, которая влияет на различия в производстве и распределении продуктов по рынкам.
Напрашивается вопрос: если процент формальдегида уменьшается, меняются ли функциональные свойства смолы?
Производитель может синтезировать смолу таким способом, что весь формальдегид будет переработан в процессе её производства. Такое возможно при существенном увеличении доли второго компонента. Сдвиг равновесия в сторону одного компонента - это простое химическое равновесие. Но следует учесть, что мы меняем свойства смолы, уменьшая один компонент. Смола становится, например, менее привлекательной с точки зрения потребительских свойств. Изделие, сделанное из неё, может быть хрупким, может быстро разбухать, деградировать под воздействием осадков и тому подобное. То есть, здесь важен баланс между желанием уменьшить эмиссию и задачей получить необходимые потребительские свойства. Тем не менее, эмиссия формальдегида на уровне фоновых значений вполне достижима.
Возможно ли как-то еще редуцировать эмиссию после производства смолы?
Если мы возьмем этап использования смолы на стадии производства конечного продукта, то уменьшить эмиссию формальдегида возможно за счет условий использования смолы. И специалисты компании «Метадинеа» оказывают такую поддержку свои потребителям. Следующий фактор, влияющий на эмиссию – это условия эксплуатации готового изделия. Но в целом, максимальное влияние на эмиссию свободного формальдегида оказывает стадия производства смолы.
Следует подчеркнуть, что производители смол не разрабатывают нормативы. Они соблюдают требования законодательства, и соответственно, уже под эти нормативы оптимизируют рецептуру синтеза смол, чтобы не нанести ущерб потребительским свойствам, и чтобы эмиссия мономеров была в рамках допуска.
Если же брать пример фенолоформальдегидных смол, то здесь требования еще жестче. Производителям приходится наряду с эмиссией формальдегида контролировать и эмиссию второго компонента – фенола. И, соответственно, производить продукцию такого качества, чтобы эти компоненты не выделялись в свободном виде из смолы, то есть, чтобы мономеры максимально полно химически связывались в полимерные цепочки в процессе синтеза. И компании «Метадинеа» удается, используя свой многолетний опыт и экспертизу, сохранять упомянутый мной ранее баланс и не допускать ухудшения эксплуатационных свойств конечных изделий. Такая вот постоянная борьба разных тенденций и поиск золотой середины.
Получается, что снижение эмиссии фенола и формальдегида делает безопаснее конечный продукт для потребителя?
Абсолютно верно. Но тут есть важное уточнение: есть два типа потребителя. Есть потребитель, который делает с помощью смолы продукцию, к примеру: ДСП, МДФ и тому подобное. И есть потребитель, который использует эту готовую продукцию. По-простому - это обыватель, конечный потребитель. Соответственно, важно, как производители конечной продукции используют смолы. Они, учитывая риски от смол на базе формальдегида, могут устранить или минимизировать их в процессе производства своих изделий. Таким образом, процессы производства будут безопасны как для работников, так и сама продукция будет абсолютно безопасна для конечного потребителя.
Правильно понимаю, что все клеи фактически – смолы? ПВА, суперклей?
В целом верно. Если вернуться к тому, с чего мы начали – с логики классификации, всё что клеит, оно клеит за счет того, что со временем отверждается. Отверждение по природе может быть различным: за счет упаривания растворителя, за счет взаимодействия компонентов, за счет температурного воздействия, за счет протекания химического процесса между смолой и отвердителем и тому подобных процессов полимеризации. Соответственно, в основе любых процессов функционирования клея – это те или иные процессы полимеризации. Но, с точки зрения потребителя, если мы говорим про клеи, в основном учитываем только эксплуатационные параметры, например, силу адгезии к склеиваемым поверхностям, типы поверхности, условия использования. С определенными оговорками можно утверждать, что все клеи – это смолы, но обратное утверждение, что все смолы – это клеи, не всегда верное.
Существуют примеры смол – не клеев, например, это пластификаторы. Подобные смолы позволяют сделать обработку изделия более технологичной за счет повышения пластичности при определённых условиях, например, при нагревании, но не обладают характеристиками клеев.
А где применяются пластификаторы?
В большинстве – при переработке полимеров. Как пример, в шинной промышленности. Каучук сам по себе достаточно твердый материал и его сложно перерабатывать. Поэтому в производстве резинотехнических изделий используются пластификаторы для улучшения пластичности. Как один из возможных вариантов пластификаторов – это алкилфенолоформальдегидные смолы, которые при определенных температурах размягчаются и способствуют улучшению профилирования резиновых смесей. Следует отметить, что в последнее время прослеживается достаточно интересная тенденция: производители изделий стремятся уменьшать количество используемых компонентов. В идеале, чтобы один компонент выполнял несколько функций. И смолы в данном случае являются перспективными добавками, так как при разных температурных условиях могут работать и как клей, и как пластификатор.
Какие есть перспективные направления развития смол как продукта?
Если прогнозировать на близкую перспективу – это локальное производство смол, которые импортируются. Производители конечной продукции формируют потребность в смолах, которые не производятся на локальном рынке. Наличие локализованного производства помогает потребителям уменьшить риски по логистике, хранению смолы, сохранению её потребительских свойств, что особенно критично для ряда смол с ограниченным временем жизни, до нескольких недель, например.
Если же рассматривать потребность будущего, то здесь можно идентифицировать направления по снижению экологической нагрузки от смол. Нормативы постоянно ужесточаются. И смолы будущего – это смолы с уменьшенной эмиссией мономеров. Есть еще одно направление экологического характера – производство безотходных смол. Это значит, что все компоненты, добавленные в рецептуру, остаются в продукте и не выделяются из него. И повышение процента химически связанных компонентов автоматически работает на улучшение экологичности смолы с точки зрения эмиссии компонентов.
Если брать более дальнюю перспективу, то, скорее всего, будущее будет за замещением невозобновляемых компонентов смол. Большой плюс смол на базе формальдегида и карбамида – доступность компонентов. Соответственно, изделие, склеенное этими смолами экономически более привлекательно для потребителя, а для производителя – это условно неограниченная ресурсная база за счет возобновляемости сырьевой базы. Но есть типы смол, например, фенолоформальдегидные смолы, где есть ограничения из-за стоимости фенола, так как фенол — это синтетический продукт. Он делается из углеводородного сырья, которое относится к условно невозобновляемым. Потребительские свойства фенолоформальдегидных смол хорошие, порой их сложно заменить другими. Но рост стоимости сырья увеличивает стоимость смолы, и, соответственно, дальше начинается по цепочке рост стоимости конечного изделия для потребителя.
В этой связи интересное направление – это сырьевое замещение фенольной составляющей. И здесь, скорее всего, немаловажную нишу займут продукты переработки древесины. Уже сейчас есть публикации и примеры смол, в которых частично используется продукт переработки древесины, фенолосодержащий компонент – лигнин.
Он по итогу может заменить фенол в производстве смолы?
Да, лигнин фактически работает как фенол, поскольку в его составе есть фенольные функции. Когда процедура отработки этого продукта дойдет до совершенства, естественно с сохранением потребительских свойств, получаемых из него смол, есть вероятность, что лигнин или другие аналоги смогут полностью заменить синтетический фенол. В перспективе, с учетом возобновляемости данного сырья, рост производства и потребления подобных смол будет только расти.
Эмиссия будет практически нулевая?
Да, если смолы будут фактически делаться из натуральных компонентов, то эмиссия в перспективе по всем компонентам будет стремиться к пределам фоновых значений. Будущее – за экологическими смолами, и мы в «Метадинеа» уже сейчас идем по этому пути. Использование сырья, которое является отходом другого производства, использование биодоступного возобновляемого сырья, внедрение принципов безотходного производства - всё это позволяет снизить экологическую нагрузку, и в перспективе окажет положительный экономических эффект. И такие тренды будут только усиливаться.