Производство материалов с заранее заданными свойствами – одно из наиболее динамично развивающихся направлений современной промышленности. В настоящее время стало практически невозможным создание конкурентоспособной продукции без применения перспективных композиционных материалов, которые благодаря своим уникальным свойствам способны кардинальным образом изменить постоянно обновляющийся облик индустриального мира, открывая практически неограниченные возможности для разработки новых технологических процессов и конструкций.
В последние годы производители термопластичных и термореактивных композитов конструкционного, антиэлектростатического и теплозащитного назначения, нано-материалов, средств защиты от электромагнитного излучения, в т.ч. защиты электронных носителей информации от несанкционированного доступа и повреждения, накопителей энергии, электронагревателей, гальванотехники все более остро ставят вопрос о повышении качества и увеличении выпуска конкурентоспособных углеволокон с заранее заданными свойствами, изготавливаемых на основе гидратцеллюлозы. Это ставит проблему создания конкурентоспособной технологии и оборудования, обеспечивающих возможность гибкого варьирования технологическими параметрами всей цепочки от исходного сырья до готовой продукции в ряд наиболее важных.
Исторически сложилось так, что организация производств углеродных волокон на основе ПАН-волокна (в России) и гидратцеллюлозы (Белоруссия) в 70-е, 80-е годы прошлого века базировались на использовании имевшихся химических производств иного назначения. Это было основной причиной низких показателей качества и большого количества отходов углеволокнистых материалов (УВМ).
Мировой опыт производства УВМ предполагает организацию производства как единую технологическую цепочку с наличием «обратной связи», что позволяет обеспечивать требуемые показатели конечного материала начиная с химической стадии производства. Кроме того, ведущие производители УВМ изначально в массовом порядке применяют жгутовую технологию производства, позволяющую при достижении необходимых качественных показателей существенно снизить себестоимость конечного продукта за счет снижения энергоемкости, повышения производительности и качества полупродуктов на каждой стадии технологического процесса.
Данный подход к организации технологии с возможностью гибкого варьирования технологических параметров всей цепочки от исходного сырья до готовой продукции позволяет получать УВМ с заранее заданными свойствами под конкретного заказчика.
В ООО «Балаково Карбон Продакшн» создана собственная оригинальная непрерывная жгутовая технология производства углеродных волокон на основе гидратцеллюлозы, получаемой не только по традиционной вискозной технологии, но и другим (безсероуглеродным) способом.
Изначально предполагалось организовать производство волокон взамен ранее производившихся материалов «Углен-9» и «Грален». В ходе работ были достигнуты значительно более высокие качественные показатели, в первую очередь прочностные (табл.1).
Сравнительный анализ физико-химических характеристик углематериалов
| № | Наименование показателей | Нормативные значения по ТУ6-06-И87-81 для Углен-9 | Фактические значения УГЦВ-1 ТУ 1916-001-9637987-2009 |
|---|---|---|---|
| 1 | Удельное электрическое сопротивление, Ом*см | 0,043+0,012 | 0,038 |
| 2 | Механическое напряжение элементарного волокна при разрыве, МПа, не менее | 430 | до 700 |
| 3 | Фактическая влажность волокна, %, не более | 3,0 | 0,5 |
| 4 | Содержание углерода, %, не менее | 90 | 95 |
| 5 | Содержание золы, %, не более | 3,0 | 2,2 |
При дальнейшей термообработке до температуры 1700-2400 С удельное сопротивление снижается до 0,004 Ом·см при сохранении остальных физико-механических свойств.
Углеродные гидратцеллюлозные волокна УГЦВ — черного цвета, нерастворимы, устойчивы к нагреванию на воздухе до 350 – 400 0С, в инертных средах и в вакууме до 3000 0С, хемостойки, электропроводны, нетоксичны, содержат до (90 — 99) % углерода, плотность (1,45 – 1,52) г/см³.
Конструкция установок для ведения непрерывного процесса обеспечивает высокую равномерность физико-механических и электрофизических свойств.
Испытания применимости волокон УГЦВ для создания радиопоглощающих материалов и покрытий, проведенные в инженерно-маркетинговом центре концерна «Вега» и институте теоретической и прикладной электродинамики показали их высокую эффективность. В процессе исследований проявилось одно из очевидных преимуществ жгутовых технологий – равномерность и скорость распределения резаного УГЦВ в массе.
На основе УГЦВ была разработана технология получения металлосодержащих углеродных волокон. Совместные работы с научно-техническим центром «ГраНаТ» показали перспективность использования УГЦВ для создания наноструктурных материалов.