Cardyon

Cardyon — это торговая марка полиуретановых полиолов, производимых компанией Covestro (до 2015 года — Bayer MaterialScience) из углекислого газа (CO₂). Данный материал представляет собой полимер, в котором до 20 % массы углеродного сырья заменено диоксидом углерода, что позволяет снизить зависимость от ископаемых ресурсов и уменьшить выбросы парниковых газов в атмосферу. Cardyon применяется в производстве эластичных и жёстких пенополиуретанов, покрытий, клеёв, герметиков и эластомеров.

История разработки

Разработка технологии использования CO₂ в качестве сырья для полимеров началась в 2000-х годах в исследовательском центре Bayer MaterialScience (ныне Covestro) в Леверкузене (Германия). В 2011 году компания объявила о создании лабораторного образца полиола, содержащего углекислый газ. В 2012 году был запущен пилотный проект в партнёрстве с RWTH Aachen University и другими научными организациями в рамках программы «Dream Production» (нем. «Traumproduktion»), финансируемой Министерством образования и научных исследований Германии.

В 2015 году Covestro начала строительство первой промышленной установки по производству полиолов из CO₂ в Дормагене (Германия). Завод мощностью 5000 тонн в год был введён в эксплуатацию в 2016 году. В 2017 году продукт получил торговую марку Cardyon. В 2020 году Covestro объявила о расширении производства и начале выпуска полиолов на основе CO₂ на заводе в Шанхае (Китай).

Химическая основа и производство

Принцип синтеза

Cardyon представляет собой полиэфирный полиол, получаемый в результате реакции между углекислым газом (CO₂) и эпоксидами (например, оксидом пропилена или оксидом этилена) в присутствии катализатора. В ходе процесса происходит образование карбонатных групп (—O—C(=O)—O—) в полимерной цепи. Содержание CO₂ в конечном продукте может варьироваться от 5 % до 20 % по массе в зависимости от типа полиола и условий синтеза.

Сырьё

Основным источником CO₂ для производства Cardyon служат отходящие газы промышленных предприятий (например, химических заводов, электростанций, цементных производств). Перед использованием CO₂ очищается от примесей. Таким образом, технология позволяет утилизировать парниковый газ, который в противном случае был бы выброшен в атмосферу.

Технологический процесс

Производство включает следующие стадии:

1. Сбор и очистка CO₂ из промышленных источников.
2. Реакция CO₂ с эпоксидами в присутствии катализатора (обычно на основе цинка или кобальта) при температуре 60–120 °C и давлении 10–50 бар.
3. Отделение непрореагировавших компонентов и катализатора.
4. Очистка и стабилизация полученного полиола.

Свойства и характеристики

Cardyon обладает рядом физико-химических свойств, схожих с традиционными полиэфирными полиолами, получаемыми из нефтехимического сырья:

• Молекулярная масса: от 200 до 6000 г/моль (в зависимости от типа).
• Вязкость: от 200 до 2000 мПа·с при 25 °C.
• Гидроксильное число: от 20 до 300 мг KOH/г.
• Функциональность: от 2 до 6 (количество гидроксильных групп на молекулу).
• Содержание CO₂: до 20 % по массе.
• Биоразлагаемость: не обладает (как и большинство полиуретановых полиолов).

По сравнению с традиционными полиолами, Cardyon демонстрирует:

• повышенную термостойкость (температура разложения на 10–20 °C выше);
• улучшенную устойчивость к гидролизу;
• сопоставимые механические свойства (прочность на разрыв, удлинение, твёрдость).

Применение

Cardyon используется в качестве компонента для синтеза полиуретанов различных типов. Основные области применения:

Эластичные пенополиуретаны

• Матрасы и подушки (пенополиуретан высокой эластичности).
• Автомобильные сиденья и подголовники.
• Мебельная обивка.

Жёсткие пенополиуретаны

• Теплоизоляционные панели для строительства.
• Изоляция холодильного оборудования.
• Теплоизоляция трубопроводов.

Покрытия, клеи, герметики и эластомеры

• Защитные покрытия для полов и стен.
• Клеи для строительства и мебельной промышленности.
• Герметики для окон и дверей.
• Эластомерные детали (уплотнители, ролики, подошвы обуви).

Другие области

• Спортивные покрытия (беговые дорожки, игровые площадки).
• Упаковочные материалы.

Экологические аспекты

Использование CO₂ в качестве сырья позволяет снизить углеродный след производства полиуретанов. По данным Covestro, на каждую тонну Cardyon, содержащего 20 % CO₂, экономится около 0,2 тонны ископаемого сырья (нефти или природного газа) и предотвращается выброс 0,2 тонны CO₂ в атмосферу (если считать, что CO₂ был бы выброшен при сжигании или промышленных процессах).

Однако полный жизненный цикл продукта включает:

• выбросы при добыче и транспортировке эпоксидов;
• энергозатраты на синтез (нагрев, компрессия);
• выбросы при утилизации конечных изделий (сжигание, захоронение).

По оценкам независимых исследований, общее снижение выбросов парниковых газов по сравнению с традиционными полиолами составляет от 10 % до 30 % в зависимости от сценария.

Критика и ограничения

• Экономическая эффективность: производство Cardyon в настоящее время дороже, чем традиционных полиолов из нефтехимии, из-за затрат на очистку CO₂ и специальные катализаторы. Массовое внедрение сдерживается конкуренцией с дешёвым нефтехимическим сырьём.
• Объёмы производства: мощность завода в Дормагене (5000 тонн/год) составляет лишь малую долю мирового рынка полиолов (более 10 млн тонн/год). Масштабирование требует значительных инвестиций.
• Ограниченное содержание CO₂: максимальная доля CO₂ в полиоле составляет около 20 %, что ограничивает экологический эффект.
• Зависимость от катализаторов: используемые катализаторы (цинк, кобальт) могут быть токсичными и требуют тщательной утилизации.

Перспективы

В 2020-х годах Covestro продолжает исследования по увеличению содержания CO₂ в полиолах до 30–40 %, а также по созданию полиолов на основе CO₂ для других типов полимеров (поликарбонаты, полиэфиры). В 2022 году компания объявила о планах строительства второго завода по производству Cardyon в Европе (мощностью 10 000 тонн/год). Параллельно разрабатываются технологии использования CO₂ из атмосферного воздуха (прямой захват) для производства полиолов, что может ещё больше снизить углеродный след.

В России исследованиями в области полиолов из CO₂ занимаются Институт нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН и Институт катализа имени Г. К. Борескова СО РАН. В 2021 году была запущена пилотная установка в Нижнекамске (Татарстан) мощностью 100 тонн/год.

Источники

1. Covestro AG. (2016). «Cardyon: Polyols from CO₂». Технический бюллетень.
2. Langanke, J., et al. (2014). «Carbon dioxide (CO₂) as sustainable feedstock for polyurethane production». Green Chemistry, 16(4), 1865–1870.
3. von der Assen, N., et al. (2016). «Environmental assessment of CO₂ capture and utilisation: A review». Energy & Environmental Science, 9(5), 1552–1575.
4. Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). (2015). «Dream Production: CO₂ as a raw material for plastics». Пресс-релиз.
5. Институт нефтехимического синтеза РАН. (2021). «Разработка полиолов на основе CO₂». Отчёт о НИР.