Получение углеродного волокна на основе полиакрилонитрильных нитей

 

Содержание

1.Введение            3

1.1 История завода         4

1.2 Отрасли-потребители углеволокна      5

1.2.1 Зачем композиционные материалы промышленности? 5

1.2.2. Авиастроение        6

1.2.3.Атомная промышленность      7

1.2.4. Ветроэнергетика        9

1.2.5. Ракетостроение               11

1.2.6. Товары народного  потребления            12

1.3. Перспективы развития  отрасли              13

1.4. Аналоги производства  углеволокна в России           14

2.Обзорная часть                  16

2.1 Опыт предыдущих исследователей             16

2.2 Цель и задачи курсовой работы              18

3. Процесс получения углеродного волокна             19

3.1. Исходное сырье для  производства углеродных волокон          20

3.2 Стадия намотки и  вытяжки              22

3.3.Стадия окисления               25

3.3.1 Физико-химические процессы, протекающие  при окислении полиакрилонитрильного волокна            27

3.3.2. Условия окисления полиакрилонитрильного волокна       27

3.3.3 Вытягивание полиакрилонитрильного волокна при окислении                                                                                          29

3.4.Стадия карбонизации              31

3.5.Стадия графитации               32

3.6 Обработка                33

3.7 Пропитка                34

3.8 Участок ткачество и упаковки             34

4. Свойства углеродных  волокон                36

5. Материальный баланс  производства углеродного волокна из

 полиакрилонитрильного волокон               42

6. Заключение                  44

7. Приложения                  45

Список литературы                 46

 

1.Введение

Углеродные волокнистые материалы (УВМ). производимые на основе полиакрилонитрильного (ПАН) прекурсора, обладают комплексом свойств (высокие прочность и модуль упругости, термостойкость, низкая плотность), благодаря которым они оказались незаменимыми в высокотехнологичных отраслях техники: космической промышленности (средства выведения и корабли многоразового использования), автомобильной промышленности, альтернативной энергетике (ветряные электрогенераторы и топливные элементы), кораблестроении. Современные широкофюзеляжные самолеты фирм «Боинг» и «Эрас» на 20-25% состоят и углеродных волокон. Атомная промышленность ускоренными темпами переходит на прогрессивный центрифугальный способ обогащения урана, который невозможен без применения высокомодульного углеродного волокна. Ракеты с корпусом из углеродных волокон обладают большей дальностью полета, более маневренны. Многие спортивные достижения связаны с применением высококачественного инвентаря, изготовленного с применением углеродных волокон.

Использование углеродных волокон  в качестве армирующего наполнителя  началось сравнительно недавно. Разработаны  они были еще в 60-х годах прошлого века, но широкого применения они сразу  не нашли, поскольку первые полученные образцы обладали худшими свойствами, чем используемые в то время борные волокна. Однако технология совершенствовалась, и уже через 10 лет в Японии фирмой "Тоrау” было налажено производство высококачественного углеродного волокна марки Т-300. Полученные на их основе композиционные материалы не только не уступали по своим механическим свойствам другим используемым в то время композитам, но и превышали их по некоторым параметрам. Углеродные волокна близки по прочности к стеклянным, однако их плотность меньше, а модуль упругости больше. Современные технологии позволяют производить волокна с прочностью до 0.7 ГПа и модулем упругости до 7 ГПа.

 

1.1 История завода

ООО «Аргон» - крупнейший производитель углеродных волокон в России. Первая очередь производственных мощностей была введена в эксплуатацию в августе 1976 года. С тех пор предприятие является ключевым предприятием отрасли и производит высококачественные углеродные материалы для нужд военно-промышленного комплекса Российской Федерации.

За время работы завода на его  базе было отработано и налажено промышленное производство большого количество различных  видов углеродных волокон и тканей. Специалисты предприятия на протяжении продолжительного времени успешно  решают задачи по изготовлению углеродных материалов с заданными заказчиком характеристиками, так, например, в 2008 году была успешно решена задача по освоению на предприятии промышленной технологии производства супервысокомодульных углеродных волокон.

На данный момент на предприятии  проведена расширенная модернизация основных средств, существенно усовершенствован парк оборудования заводской лаборатории, средний возраст сотрудников  предприятия составляет 35 лет, что  позволяет с уверенностью заявлять, что ООО «Аргон» ещё много лет будет изготавливать углеродные волокна, востребованные не только на российском рынке, но и на международной арене.

Завод «Аргон» входит в состав холдинговой  компании «Композит». Холдинговая компания «Композит» создана в 2009 году с целью формирования рынка композиционных материалов в России. В Холдинг входят предприятия по производству высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и тканей на их основе, а также высококачественных препрегов, которые используются в авиапромышленности, ветроэнергетике, строительстве, авто-, судостроении и др.

Задачи Холдинговой компании «Композит»:

• Создание высокоэффективного экологически безопасного производства углеволокна и изделий из него на основе инновационных технологий получения непрерывных и дискретных волокон.
• Занять лидирующее положение по инжинирингу, производству и продаже композиционных материалов нового поколения.
• Обеспечить потребности отечественных предприятий композиционными материалами нового поколения.
• Создать центр трансфера технологий в области изделий из композиционных материалов.

Миссия компании:

Улучшать жизнь людей, предлагая экономные, умные, комфортные материалы и решения на их основе.

 

1.2 Отрасли-потребители углеволокна

1.2.1 Зачем композиционные материалы промышленности?

Уникальное сочетание  свойств композиционных материалов на основе углеродного волокна (высокая удельная прочность, высокая жесткость, высокая усталостная прочность, износостойкость и малый удельный вес изделий) позволяет им успешно конкурировать с металлами в качестве конструкционных материалов.

Без композиционных материалов нельзя представить себе спортивный инвентарь. Например, ракетки для  большого тенниса, клюшки для гольфа, профессиональные лыжи делаются только из углеволокнистых материалов. Благодаря их замечательным свойствам, композиционные материалы на основе углеволокна очень широко используются в авиа- и ракетостроении. Прорыв в этих отраслях во многом произошел после применения этих материалов, и в настоящее время многие типы летательных аппаратов немыслимы без композиционных материалов, главным образом, из-за сочетания высоких прочностных свойств и низкого веса, что является очень критичным в авиа- и ракетостроении.

Развитие энергетики показывает, что со временем по мере исчерпания углеводородных ресурсов будет увеличиваться доля альтернативных и неисчерпаемых источников энергии, включая энергию ветра. Благодаря использованию углеволокнистых материалов стало возможным увеличивать длину лопасти турбины ветрогенератора и, тем самым, его эффективность возрастает.

В будущем ожидается расширение областей применения углеволокнистых композиционных материалов и быстрый рост их производства.

1.2.2. Авиастроение

Одной из отраслей, появление в которых композитных материалов и, в частности, препрегов совершило настоящую революцию, стало авиационное строительство. Неслучайно именно потребности авиастроителей придали инновационным разработкам в области материалов тот темп развития, который они имеют сегодня. Более 6% всего рынка нанотехнологий принадлежат разработкам в области авиастроительных материалов — это самая крупная доля, доставшаяся одной отдельно взятой отрасли.

Осознав ограниченность алюминия еще  в  60-е, авиаконструкторы поначалу стали искать альтернативные материалы на базе других металлов.

Однако очень скоро  стало очевидным, что если требуемое  сочетание легкости с прочностью металлические сплавы дать могут, то о необходимом модуле упругости речи не идет: даже у титана он весьма невысок. Развитие технологий позволило взглянуть на проблему шире, и композиты сначала разбавили монополию металлов в авиастроительстве, а в далеком будущем вполне могут их и вовсе вытеснить их из отрасли.

Сделать это уже сегодня  им мешает то обстоятельство, что получение композитов более технологоёмкий и, как следствие, более дорогой процесс, нежели получение металлических сплавов. Однако на этом список минусов нового материала исчерпывается, дальше идут только плюсы. Так, например, разработка цельных деталей сложной формы из композитных материалов проще, поскольку из технологического цикла исключается выплавка, происходящая на очень высоких температурах и требующая серьезных энергозатрат. Кроме того, вес композитных деталей составляет не больше 20% аналогичных деталей из алюминия, при превосходящей прочности, гибкости и устойчивости к давлению, не говоря уже о том, что как неметаллы, они естественно, могут не бояться ржавчины. Стоит отметить также, что, в отличие от древесных композитов, стекловолоконные, арамидные и углеволоконные — не содержат формальдегида, ядовитых газов, вроде метанола. Как следствие в готовом виде детали из композитов весьма экологичны, не требуют особенного ухода. При регулярной очистке композитные детали годами выглядят как новые.

1.2.3. Атомная промышленность

Композиционные материалы используются при создании атомных реакторов  для изготовления кладки реактора, теплоизоляции, многих деталей реактора, деталей управления. У большинства материалов прочностные свойства резко ухудшаются с увеличением температуры. В энергетических реакторах конструкционные материалы работают при высоких температурах. Это ограничивает выбор конструкционных материалов, особенно для тех деталей энергетического реактора, которые должны выдерживать высокое давление.

Второй особенностью, обусловленной  применением материалов в атомных  реакторах, является требование к их радиационной стойкости.

Армирование керамических материалов волокнами, а также металлическими и керамическими дисперсными  частицами позволяет получать высокопрочные  композиты, однако, ассортимент волокон, пригодных для армирования керамики, ограничен свойствами исходного  материала. Часто используют металлические  волокна. Сопротивление растяжению растет незначительно, но зато повышается сопротивление тепловым ударам —  материал меньше растрескивается при  нагревании, но возможны случаи, когда  прочность материала падает. Это  зависит от соотношения коэффициентов  термического расширения матрицы и  наполнителя.

Композиционные материалы используются также в подшипниковых узлах  оборудования атомных реакторов, работающих на трение в облучающих устройствах. Повторная смазка исключена ввиду  невозможного доступа обслуживающего персонала во время работы. В этих случаях применение подшипников  сухого трения облегчает эксплуатацию оборудования. Работу подшипников без смазки следует рассматривать как взаимодействие поверхностей при сухом трении. В этом случае в отличие от подшипников жидкостного трения контактирующие поверхности не разделены искусственно созданной масляной пленкой, полностью устраняющей контакт между ними. При выборе материала для подшипников сухого трения основное значение имеет их износостойкость, а, следовательно, срок службы. Физико-механические свойства материала подшипника должны обеспечивать наиболее высокую износостойкость и упругий контакт при трении, минимальный коэффициент трения, отсутствие склонности к задиру, хорошую прирабатываемость. Кроме этого, материал должен обладать достаточной механической прочностью, технологичностью и стойкостью к воздействию окружающей среды. Всем этим требованиям могут удовлетворять только композиционные материалы, такие как металлокерамические твердые сплавы, минералокерамика, карбидокремниевые композиции.

1.2.4. Ветроэнергетика

В наше время глобально обострилась  энергетическая проблема, связанная  с использованием классических видов  электроэнергии, выработка которых  требует значительных сырьевых затрат и вызывает ухудшение экологической  ситуации в мире. В связи с этим постоянно растет и необходимость  развития независимых источников энергии. Неисчерпаемая энергия ветра  может стать частью решения глобальной энергетической проблемы. За последние  годы количество выработанной с применением  данной технологии энергии возросло в десятки раз. Однако, в данный момент в мире с использованием ветрогенераторов вырабатывается лишь немногим более 1% электроэнергии, хотя по оценкам экспертов эта цифра должна достигать 15%. Сегодняшний день – замечательная возможность развития и применения новых технологий в области композиционных материалов в электроэнергетике.

Ветряные генераторы ранжируются  по размеру с лопастями диаметром: от 0,5 до 90 м. Маленькие роторы вырабатывают постоянный ток, а большие промышленные – переменный. При малом ветре турбины получаются экономически невыгодными. Решение этой проблемы было найдено путем придания лопастям аэроэластичности. Наиболее эффективны турбины с лопастями длинной свыше 40 метров, лопасти таких размеров изготавливаются только из углепластиков.