Получение углеродного волокна на основе полиакрилонитрильных нитей

За последние 15 лет особое развитие получили технологии и материалы  для изготовления лопастей турбин ветрогенераторов. Наиболее очевидно развитие вылилось в увеличение размеров лопастей с 23м до 45м и даже до 90м. Стремительно растущие размеры лопастей роторов вызывают сложности у производителей ветрогенераторов, поскольку самые длинные лопасти сегодня весят до 18 тонн каждая. Поэтому возникает вопрос поиска новых решений по применению основных материалов для изготовления лопастей, так чтобы они стали значительно более легкими и при этом более прочными и долговечными в эксплуатации. Немаловажное требование, выдвигаемое к современным материалам, – их стоимость, меньшая по сравнению с традиционно используемыми сплавами металлов.

Изготовление лопастей – очень  сложная технология, обобщая, она  может быть разделена на изготовление формы и использование препрегов. При изготовлении формы армирующий материал (стекловолокна или углеродные волокна) выкладывается в необходимую форму, а затем заливаются жидкой смолой. С другой стороны, препреги – это заранее подготовленные композитные материалы-полуфабрикаты.

Преимущества использования композиционных материалов при производстве лопастей ветрогенераторов:

• Более низкий вес.
• Новейшая технология изготовления с оптимальным показателем цена/качество.
• Повышенная прочность материала и долговечность эксплуатации.
• Пониженное время обработки и отверждения материала.
• Чистое производство.
• Улучшенные термические свойства: допускается отверждение различных материалов одновременно: армирование стекловолокном и углеродным волокном.
• Минимизированные внутренние напряжения материала вызваны различиями в тепловом расширении материалов, используемых в конструкции.

Благодаря природному происхождению  движущей силы ветрогенераторов, ее неисчерпаемости, а также использованию новейших технологий, энергия ветровых турбин имеет самую низкую стоимость по сравнению со стоимостью энергии всех возобновляемых источников.

1.2.5. Ракетостроение

Современная ракетно-космическая техника немыслима без полимерных композиционных материалов. При разработке средств исследования космического пространства требуются новые материалы, которые должны выдерживать нагрузки космических полетов (высокие температуры и давление, вибрационные нагрузки на этапе выведения, низкие температуры космического пространства, глубокий вакуум, радиационное воздействие, воздействие микрочастиц и т. д.), имея при этом достаточно низкую массу. Многие из таких материалов легче и прочнее наиболее подходящих по своим физическим свойствам металлических (алюминиевых и титановых) сплавов. Применение композиционных материалов позволяет снизить вес изделия (ракеты, космического корабля) на 10…50% в зависимости от типа конструкции и, соответственно, сократить расход топлива, повысив при этом надежность.

Снижение веса является первоочередной задачей проектирования космического летательного аппарата. Многие достижения в области создания тонкостенных оболочек обязаны своим происхождением этому требованию. Типичными примерами такой конструкции являются жидкостная ракета-носитель «Атлас» и конструкция твердотопливной ракеты. Для «Атласа» была создана специальная монококовая оболочка с наддувом. Ракета с двигателем на твердом топливе получается посредством наматывания на оправку, имеющую форму твердотопливного заряда, стеклянной нити и пропитки намотанного слоя специальной смолой, которая отверждается после вулканизации. При такой технологии получается сразу и несущая оболочка летательного аппарата, и ракетный двигатель с соплом.

При использовании современных  композитных материалов были спроектированы возвращаемые космические аппараты с оболочкой конической формы, покрываемой слоем теплозащитного материала, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает конструкцию.

В настоящее время широко используются в авиации и ракетостроении углепластики. Углеродные волокна и композиционные материалы из них имеют глубокий черный цвет и хорошо проводят электричество, что обеспечивает специальные свойства. Из углепластика делают носовые обтекатели ракет, детали скоростных самолетов, подвергающиеся максимальным аэродинамическим нагрузкам, сопла ракетных двигателей и прочее. Кроме того, так как графит — это твердая смазка, из углепластика делают тормозные колодки и диски для скоростных самолетов, космических кораблей многоразового действия «Шаттл». Зеркала антенных конструкций из углепластика найдут широкое применение для решения задач связи через спутники. Их применение при массе до 15 кг обеспечит разрушающую нагрузку 900 кгс при сроке службы не менее 20 лет.

1.2.6. Товары народного  потребления

Композиционные материалы — самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная пластичность, прочность, термостойкость, малый вес — эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы — металлы, дерево, камень. Композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека, ведь из них создаются многие предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ.

Углеродное волокно широко применяется  в спортивной индустрии. Из углеволокна изготавливают велосипедные рамы и вилки передней оси, луки и стрелы, лыжи и лыжные палки, сноуборды, биты для бейсбола, биты для крикета, хоккейные клюшки, клюшки и набалдашники для гольфа, ракетки для тенниса, бадминтона и сквоша, кии для бильярда, рыболовные удочки и катушки, весла для каноэ, доски для серфинга и виндсерфинга и многое другое. Так же оно применяется при изготовлении баллонов высокого давления для дайвинга и баллончиков для пэйнтбола. Благодаря использованию композиционных материалов на основе углеволокна можно получать легкий и прочный спортинвентарь с увеличенным сроком службы.

Как мы видим, автомобилестроение, наука и техника, современные космические технологии и авиастроение — далеко не полный список применения композиционных материалов. Благодаря своим улучшенным физическим свойствам, технологичности изготовления, а также универсальности в применении, композиты уже нашли свою нишу в производстве многих товаров народного потребления. Этот список постоянно расширяется, что определяет постоянное развитие и поиск новых решений в применении композиционных материалов.

1.3. Перспективы развития отрасли

Директор по развитию бизнеса  Рольф Дотаген - консультант Холдинговой компании "Композит" прогнозирует рост мирового рынка композиционных материалов от 20 до 24% в год до 2015 года. Наиболее востребованы композиты будут в ветроэнергетике и автомобилестроении. Перспективы роста есть также в спортивной индустрии, авиастроении и других отраслях промышленности.  

По словам Дотагена, всего за год цены на жгуты номиналом 24К выросли с 24 до 30 евро: "Рост цен более чем красноречивое свидетельство наличия дефицита углеволокна. Рынку срочно требуется еще один поставщик этого материала". Эксперт замечает, что им как раз и может стать ХК "Композит". "Сейчас весьма благоприятное время для прихода этой компании на мировой рынок.

Для этого компании нужно  приложить немало усилий. Во-первых, обеспечить производство недорогого углеволокна. Во-вторых, заручиться поддержкой на политическом уровне. В-третьих, наладить отношения с крупными производителями оборудования в Европе. Желательно также организовать собственное производство лопастей для турбогенераторов. Как уже было сказано выше, ветроэнергетика по-прежнему является одним из основных потребителей углеволокна.  

В краткосрочной перспективе  ХК "Композит" предстоит дозагрузить имеющуюся линию для производства собственного углеволокна с использованием прекурсора от внешних поставщиков. Еще один большой проект - установка и отладка линии для производства препрегов. Их назначение – спортивная индустирия. И третий проект - развитие ткацкого производства. На нем будут создаваться материалы для строительной индустрии Китая. Сейчас эта страна - самый крупный рынок в строительстве.

Главная задача управиться в запланированные сроки, иначе  уникальная возможность заявить  о себе в мире, как о новом  игроке на рынке углеволокна может быть утрачена. Однако если все пойдет по плану - предпринятые меры в совокупности позволят ХК "Композит" выйти на мировой рынок углеволокна уже в 2015 году. Основным потребителем продукции, как ожидается, будет Китай. 

1.4. Аналоги производства  углеволокна в России

Завод по переработке углеродного  волокна «Алабуга-Волокно» является совместным проектом ХК «Композит» и Госкорпорации «Росатом». Мощность первой производственной линии составит 1,5 тысячи тонн углеродных волокон в год. Стоимость проекта более 3 млрд. рублей. Уже к концу 2013 года завод сможет достичь объема производства в размере 70% от проектной мощности.

Ввод в эксплуатацию нового современного производства, оборудованного по последнему слову техники, позволит России стать конкурентоспособнее на мировом рынке композиционных материалов: Сейчас их производство в сравнении с мировым выглядит скромно. Новое предприятие сможет производить продукции в 3 раза больше, причем по качеству оно будет сопоставимо с лучшими мировыми аналогами.

Строительство нового завода «Алабуга-Волокно»вполне отвечает международным тенденциям: «Мировые лидеры индустрии композитов активно создают новые производственные мощности. Во многом это связано с планами ведущих автомобильных концернов, заявивших о намерении запустить серийное производство автомобилей из углепластика». Производственные мощности нового завода «Алабуга-Волокно» позволят России занять 2–3% мирового рынка углеволокна.

Одна из главных совместных задач «Росатома» и холдинга «Композит» расширение возможностей масштабного применения композиционных материалов не только на предприятиях атомной отрасли, но и в других сферах промышленности. С этой целью в Госкорпорации «Росатом» была разработана и утверждена комплексная программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по применению полимерных композиционных материалов. В рамках этого проекта в ближайшее время будут реализованы десять стратегических направлений, среди которых исследование и обоснование возможности применения: ПАН и углеволоконной фибры, углеволоконных канатов, композиционной арматуры в строительных конструкциях и сооружениях, композиционного конструкционного строительного сортамента для зданий и сооружений, импульсных технологий производства бетонов с ПАН и углеволоконными компонентами, трубопроводов, опор, колонн и др.

Инновационные разработки в области полимерных композиционных материалов будут внедрены на объектах Росатома, а также тиражированы во многие другие отрасли промышленности.

Завод «Алабуга-Волокно» будет одним из самых высокотехнологичных производств ОЭЗ «Алабуга». Выполняя задачу по привлечению в ОЭЗ резидентов с критически важными для развития нашей страны технологиями и компетенциями, ОАО «ОЭЗ» способствует устойчивому развитию стратегических отраслей российской экономики, в случае с ООО «Алабуга-Волокно» — атомной энергетики, авиа- и ракетостроения, строительства.

2.Обзорная часть

2.1 Опыт предыдущих исследователей

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных преимущественно атомами углерода. Атомы углерода объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу. Выравнивание кристаллов придает волокну большую прочность на растяжение.

Углеродные волокна характеризуются  высокой силой натяжения, низким удельным весом, низким коэффициентом  температурного расширения и химической инертностью.

Впервые получение и применение углеродных волокон (УВ) (точнее, нитей) было предложено и запатентовано  известным американским изобретателем — Томасом Эдисоном — в 1880 г. в качестве нитей накаливания в электрических лампах. Эти волокна получались в результате пиролиза хлопкового или вискозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью и впоследствии были заменены вольфрамовыми нитями. В течение последующих 20 лет он же предложил получать углеродные и графитированные волокна на основе различных природных волокон.

Вторично интерес к углеродным волокнам появился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для такой роли армирующими материалами, поскольку они обладают высокой термостойкостью, хорошими теплоизоляционными свойствами, коррозионной стойкостью к воздействию газовых и жидких сред, высокими удельными прочностью и жесткостью.

В 1958 г. в США были получены УВ на основе вискозных волокон. При изготовлении углеродных волокон нового поколения применялась ступенчатая высокотемпературная обработка гидратцеллюлозных (ГТЦ) волокон (900 °C, 2500 °C), что позволило достичь значений предела прочности при растяжении 330—1030 МПа модуля упругости 40 ГПа. Несколько позднее (в 1960 г.) была предложена технология производства коротких монокристаллических волокон («усов») графита с прочностью 20 ГПа и модулем упругости 690 ГПа. «Усы» выращивались в электрической дуге при температуре 3600 °C и давлении 0,27 МПа (2,7 атм). Совершенствованию этой технологии уделялось много времени и внимания на протяжении ряда лет, однако в настоящее время она применяется редко ввиду своей высокой стоимости по сравнению с другими методами получения углеродных волокон.

В 1959 – 1960 годах в СССР были проведены исследования по получению углеродных волокон на основе полиакрилонитрильного волокна. А в 1961 году А. Шиндо (Промышленный институт Осаки) удалось получить углеродное волокно на основе полиакрилонитрильного волокна, которое, однако, имело низкие механические характеристики. В Англии, начиная с 1963 году, в Королевском научно-исследовательском институте проводились работы по получению углеродного волокна из специально изготовленного волокна «Куртель». В результате был разработан процесс получения высококачественных углеродных волокон, что дало толчок к широкому производству высокопрочных высокомодульных волокон из  полиакрилонитрильного волокна.