Технология получения длинных углеродных нановолокон для создания конструкционных и функциональных материалов на их основе Мировой рынок углеродных волокон (УВ) и материалов на их основе устойчиво растет последние десятилетия, причем только за последние восемь лет он вырос в пять раз в физическом выражении. Большая часть углеродного волокна производится в сложном и многоступенчатом процессе из специально подготовленного полимерного сырья, в основном полиакрилонитрила (ПАН) или из вискозы. Разработчики этой технологии (по преимуществу японские компании) за последние двадцать лет добились больших успехов в снижении себестоимости производства и повышении прочности рядового волокна, что обеспечило увеличение сбыта прежде всего в гражданском авиастроении. Особенность российского рынка заключается в том, что у нас имеются не до конца утраченные технологии получения традиционных УВ 1970-80-х гг, что делает актуальными программы по восстановлению этих технологий в промышленности и доведению физико-механических свойств УВ на основе ПАН до современного уровня. Все прочие страны некоторое время назад отказались от попыток конкурировать с мировыми лидерами на их поле и разрабатывают новые перспективы. Новые же перспективы теперь видятся либо в решительном снижении себестоимости УВ рядовых марок, либо в разработке процессов получения новых видов УВ. В настоящее время в США широко ведутся работы первого направления, прежде всего связанные с заменой ПАН на лигнин. Что касается второго направления, то оно связано с использованием в качестве основы УВ нано-волокон, то есть сверхдлинных углеродных нанотрубок, прочность на разрыв которых может превышать 30 ГПа. Критическая длина мономолекулярного волокна должна измеряться по крайней мере сантиметрами для того, чтобы можно было провести прядение технологической нити или изготовление удовлетворительных препрегов. Одновременно для выращивания нановолокон должен применяться относительно дешевый (например, каталитический) метод и дешевое углеводородное сырье. По мере того, как к решению этих проблем только подступаются, рынок углеродных нановолокон растет стремительно и уже достиг около 100 т (только короткие нановолокна пока), что пока представляет только небольшую долю от 48 000 т общего рынка УВ. В настоящее время успешно работы в этом направлении продвигаются в нескольких группах, в частности: в США (IndustrialNano, бывшая группа НАСА), в Великобритании (CML, группа “elastic smoke”) и в нашей группе, работающей в последнее время в партнерстве с General Motors. Направление углеродных нановолокон является одним из основных в лаборатории новых материалов наряду с направлениями высокопроизводительных катализаторов получения синтетической нефти (HiT GTL) и мембранно-каталитической конверсии метана. Нами развиты полученные ранее результаты и найдены условия устойчивого многочасового роста сверхдлинного нановолокна со скоростью не менее 5 см/ч в виде макроскопических пучков. Это является прорывнам результатом и основой для создания технологии получения крученых волокон и/или препрегов нового типа и из нового сырья. Наиболее серьезным вызовом в настоящий момент является чисто инженерная, но все же весьма сложная задача приспособления «хлопковых» машин к кручению углеродного нановолокна. На данной основе нами выдвинут проект создания опытной установки по выращиванию длинных углеродных нановолокон и изготовлению крученого волокна и препрегов на этой основе. Себестоимость нановолокна по согласованным с нашими американскими партнерами расчетам может составить 9 долларов за килограмм, что является очень привлекательной цифрой. Целью данного проекта является разработка низкозатратных технологий производства высокопрочных нитевидных углеродных наноструктур с заданными свойствами, которые, с одной стороны, позволят существенно снизить стоимость производимых нанотрубок и нановолокон, с другой стороны, расширят возможности использования углеродных наноструктур для создания уникальных по прочности и функциональным характеристикам материалов: сверхдлинного углеродного кабеля для спецстроительства, авиационных материалов и композитов металл-волокно с высокой теплопроводностью. По материалам выступления на Круглом столе «Перспективы производства углеродного волокна в России: современные технологии, поиск оптимальных решений», 15 октября 2008, Международный информационно-выставочный центр «ИнфоПространство»
Автор:
В.З.Мордкович,
д.х.н., зам. директора по науке ООО " Объединенный центр исследований и разработок ",
Председатель Экспертного совета по нанотехнологиям при группе ОНЭКСИМ Polymery.ru
| 
