Сверхпрочные материалы приходят в энергетику

12.01.15 13:55

Где пригодится композит?

Композиты — это искусственные материалы, состоящие из нескольких компонентов, обычно армирующих элементов и связующего. Существует несколько стадий производства композиционных материалов на основе углеродного волокна: сырье — углеродное волокно; полуфабрикаты — углеродные ткани (однонаправленные, двунаправленные, мультиаксиальные, нетканные структуры) и препреги; а также готовые изделия. Довольно часто, уже при создании композиционного материала, задается его конструкция.

Основные достоинства композитов — легкость и высокая прочность. Не удивительно, что первое применение они нашли в авиакосмической отрасли. Однако постепенно начали спускаться «с небес на землю», и в последние годы используются в автомобиле- и судостроении, строительстве и даже производстве спортинвентаря (клюшек, скейтбордов и т.д.).

В энергетике тоже открывается широкий простор для применения композитов. Мы ранее уже рассказывали о преимуществах композитных проводов («Токопроводящие материалы») и опор ЛЭП («На что опереться электросетям?»). Свойства композитов сулят им успех в такой молодой отрасли, как производство ветрогенераторов. Из углепластика можно производить лопасти, обладающие аэроэластичностью, что позволяет создавать турбины, эффективные даже при ветре малых скоростей.

Что касается углеволокна, то порядка двух третьих общего объема, производимого сегодня в России, потребляет атомная промышленность. Композиты, в частности, используются в создании центрифуг по обогащению урана, в ремонте и усилении промышленных зданий и сооружений. Планируется, что со временем композиты найдут широкое применение при строительстве АЭС. Речь идет об использовании композитной арматуры при производстве и монтаже бетонных конструкций, а также о применении композитных труб в градирнях. Привлекательность композитов связана с тем, что они не подвержены коррозии, являются диэлектриками, магнитоэнертны и не теряют своих свойств при сверхнизких температурах. Таким образом, их применение позволит повысить надежность и безопасность атомных станций нового поколения.

 

Раствор полимера под давлением проходит через фильеру

 

Композиты в России

С целью формирования рынка композиционных материалов в России по решению Наблюдательного совета РОСНАНО в 2009 г. была создана Холдинговая компания «Композит». В нее входят предприятия по производству углеродных волокон и тканей на их основе, а также препрегов. ХК «Композит» (г. Москва) управляет предприятиями «Аргон» (г. Балаково Саратовской обл.) и «Завод углеродных и композиционных материалов» (г. Челябинск), принадлежащими Госкорпорации «Росатом».

Сейчас «Композит» готовится к запуску нового завода «Алабуга-Волокно», расположенного в Республике Татарстан, в ОЭЗ «Алабуга». Предприятие будет производить более тысячи тонн углеродного волокна в год. Как только завод выйдет на проектную мощность, российский холдинг сможет занять 3% мирового рынка композиционных материалов. Пока на Россию в целом приходится скромная доля 0,5% от общемирового производства.

На сегодняшний день в ХК «Композит» интересуются возможностью создания и освоения новых технологий производства сырья углеродного волокна — ПАН-прекурсора — белого волокна, от свойств которого в значительной степени зависит прочность конечного продукта.

По словам академика РАН Александра Берлина, на сегодняшний день в России есть определенные сложности с получением высокопрочного углеродного волокна: «Среднего качества углеродное волокно мы умеем получать, но никак не можем выйти на высокопрочное. Прочность отечественных волокон в два раза ниже тех, которые, к примеру, производят наши японские конкуренты». Делиться же технологией производства ПАН-прекурсора по понятным причинам никто не хочет.

ХК «Композит» уже завил о готовности инвестировать в разработку РАН, касающуюся новых методов формования ПАН-прекурсора. Кроме того в рамках компании создан собственный Научно-исследовательский центр, занимающийся совершенствованием технологии производства базовых для компании продуктов, в том числе ПАН-прекурсора.

 

Линия по производству ПАН-прекурсора

 

В поисках нового рецепта

В Научно-исследовательском центре ХК «Композит» идет работа над тем, как улучшить существующие технологии, повысить качество продукции, снизить ее себестоимость, а также разработать новые виды продукции. Именно здесь закладываются начала техпроцессов, которые впоследствии реализуются на производстве. К примеру, сейчас идет поиск альтернативной технологии производства ПАН-прекурсора с использованием нового растворителя. В ходе экскурсии нам удалось увидеть своими глазами, как появляется на свет это белое волокно.

Первая стадия технологического цикла производства углеродного волокна — это получение прядильного раствора, из которого в дальнейшем будет сформован ПАН-прекурсор. В лаборатории синтеза ПАН-сополимера исследуются процессы полимеризации, свойства полимеров, нарабатываются экспериментальные партии прядильного раствора для дальнейших исследований. Для подбора оптимальных рецептур и условий, используется трехлитровый реактор, что позволяет экономить время, труд и реактивы. При достижении необходимого комплекса свойств прядильного раствора полученные результаты масштабируют на двадцатилитровом реакторе, позволяющий нарабатывать достаточно большие партии для всесторонних исследований на следующих стадиях, в частности, формовании.

В емкость загружаются все компоненты: растворитель, мономеры, инициатор полимеризации. Смесь подогревается до определенной температуры, и начинается процесс полимеризации, который идет 3-4 часа. После этого начинается процесс отгонки мономеров: к реактору подключается вакуум, и все не вступившие в реакцию мономеры испаряются, собираются в конденсаторе, получается раствор чистого полимера в растворителе. …Сквозь прозрачный реактор видна вязкая жидкость, похожая на мед.

После исследования свойств данного раствора, его передают на линию формования, где получают белое волокно. Сначала смесь под давлением проходит через фильеру — что-то подобное решеточке у мясорубки, только отверстия здесь имеют очень маленький диаметр, зато их намного больше — от 1000 до 24000. Сколько отверстий, столько у будущего волокна будет «ниточек» — филаментов. Через фильеру раствор поступает в осадительную ванну. В ванне находится тот же растворитель, только в смеси с водой. Более низкая концентрация не растворяет полимер и он начинает осаждаться. Из ванны выходит белое волокно, состоящее из множества маленьких филаментов, похожих на тонюсенькие, но очень длинные спагетти.

Далее, чтобы волокно стало прочным, его нужно ориентировать, то есть заставить все молекулы полимера выстроиться относительно оси волокна в одну линию, тогда все они, при необходимости, будут работать на разрыв. Для этого волокно проходит две ванны вытяжки с горячей жидкостью. Сначала предварительная вытяжка (довольно слабая, чтобы не порвать волокно), потом — более сильная. 

После вытяжки происходит промывка — волокно многократно проходит через промывные корыта, где из него выжимаются остатки растворителя. Если передать на окисление волокно с растворителем, оно может сгореть. Затем на волокно наносят защитные химические соединения («замасливатель»), чтобы защитить филаменты от трения между собой и о валы. Выбор «замасливателя» — важное ноу-хау, от него зависят последующие процессы переработки волокна. Потом влажное волокно идет на сушильные барабаны, имеющие температуру более 100°С, там остатки воды испаряются.

Далее сухое волокно снова тянут, чтобы получить максимальную прочность. Затем, чтобы волокно при последующей обработке не усаживалось, не растягивалось и не становилось хрупким, необходимо зафиксировать образовавшуюся структуру в специальных печах релаксации. В противном случае волокно, как растянутая резинка будет стремиться вернуться в исходное положение. Наконец, волокно передается на приемно-намоточный модуль, где принимается на бобины.

Максимальная производительность, на которую рассчитана установка ХК «Композит» — 10 т белого волокна в год при непрерывной работе, реально выпускается порядка 1,5 т в год. Полученный продукт передают в лабораторию, где изучают его физические и химические свойства, а также на следующую стадию — окисления и карбонизации.

 

На участке окисления и карбонизации волокно приобретает черный цвет

 

От белого — к черному

В процессе окисления и карбонизации белое волокно превращается в черное углеродное. Экспериментальная установка ХК «Композит» по получению углеродных волокон разделена на две отдельные линии: первая предназначена для окисления или низкотемпературной обработки волокна, вторая — для последующей высокотемпературной обработки уже окисленного полуфабриката. В планах компании модернизировать участок, чтобы все процессы происходили на одной линии и не требовалось лишней перемотки нитей. 

Линия окисления состоит из 3-секционных печей окисления (процесс происходит в среде воздуха), реверсивной транспортирующей системы и двух намоточных машин. ПАН-волокно на данной стадии устанавливают на приемно-намоточную машину, оно последовательно подвергается ступенчатому нагреву при температурах 200–300°С. На данной линии можно управлять всеми основными технологическими параметрами: температурой воздуха в зонах, деформацией волокна, скоростью линии (определяет продолжительность термообработки в каждой зоне). Также регулируется конечная плотность окисленного волокна. Проходя термообработку, волокно становится неплавким, негорючим и способным к дальнейшей высокотемпературной термообработке. 

На второй стадии окисленное волокно проходит печь низкотемпературной карбонизации до 900°С в защитной среде азота (в кислороде оно бы просто сгорело). Затем вторая печь — высокотемпературной карбонизации до 1600°С. Для получения высокомодульных волокон, также предусмотрена печь на 2500°С.

Волокно на стадии термообработки имеет неактивную поверхность, поэтому необходимо улучшить его взаимодействие со связующим. Чтобы привить функциональные группы, на конце линии предусмотрена поверхностная электрохимическая обработка волокна. Далее ванна промывки, где смывается электролит, и наносится состав для увеличения упруго-прочностных свойств волокон в композиционном материале. В конце происходит намотка готового волокна.

Как и предыдущая, данная линия используется только для исследований, она позволяет отрабатывать все основные стадии технологического процесса.

 

На производстве 3D-ткани из углеродного волокна

 

Производство препрега

По соседству с Научно-исследовательским центром расположен цех, где производится препрег. Войдя, первым делом попадаешь на станцию смешения связующих. Здесь в специальных мешалках с регулируемой температурой соединяют по оригинальному рецепту два-три компонента связующего. Готовое связующее разливают по формам на столах охлаждения с температурой +7–10°С. После нескольких часов остывания в формах получаются брикеты связующего, имеющие при комнатной температуре вязкость 200–300 Па·с.

В цехе работает одна из самых больших в мире установок по производству препрега. Производительность линии 2000 т в год. В цехе установлена дорогостоящая климатическая установка, обеспечивающая постоянство влажности и температуры.

Первая линия в составе установки предназначена для нанесения связующего на силиконизированную бумагу, получаемый продукт называется «пленка», здесь обеспечивается до 90% качества будущего препрега. Брикет связующего устанавливается в верхней части машины, под ним расположен нагревательный стол с транспортной лентой. Брикет постепенно подогревается и транспорной лентой связующее попадает между двумя валами хот-мелт, на одном из которых, за счет зазора и вращения вала, образуется тонкая пленка связующего, переносящаяся на идущую ниже бумагу, поджимаемую к валу с пленкой резиновым валом.

Следующий этап происходит на трехуровневой установке. Для производства препрега необходимо минимум два рулона «пленки» со связующим, один из них ставят на первый уровень установки, второй рулон — на третий. На втором «этаже» они одновременно встречаются с пропитываемым материалом, т.е. снизу и сверху идет бумага с нанесенным связующим, а между ними пропитываемый материал. Получается «бутерброд»: бумага, связующее, материал, связующее, бумага. В трех парах каландров (машина с прокатными валами, придающая гладкость, лоск, ровную поверхность ткани или бумаге) за счет уменьшения зазора между каландрами и увеличения их температуры происходит переход связующего с поверхностей «пленки» внутрь материала. 

Дальше необходим процесс контроля. Верхняя бумага уходит на третий этаж установки, препрег остается открытым и в таком виде предстает перед камерами, которые отслеживают преломление света, поступающего со специальных ламп. Если свет преломился, на этом участке есть дефект (непропитанная часть, места соединений и т.д.). на верхней поверхности препрега, тот же процесс происходит и с нижней поверхностью препрега, снимается бумага, происходит видеоконтроль. Вместе с готовым продуктом заказчику выдается 2D-схема, отражающая мельчайшие дефекты с точными координатами каждого. При формовке будущего изделия важно обращать внимание на эти места. 

Линия имеет три плотномера, два из которых находятся на установке изготовления «пленки» и один на препреге, использующие изотопы, о чем свидетельствует предупреждающая табличка со значком «радиоактивно». Над и под бумагой с нанесенным связующим в перпендикулярном направлении относительно движения «пленки» постоянно двигается специальное устройство с верхним излучателем и нижним приемником. По количеству прошедших через просвечиваемый слой «пленки» меченых изотопов можно в процессе работы определить плотность и оценить правильность нанесения связующего и при необходимости изменить параметры работы установки в ручном или автоматическом режимах.

После проверки качества препрега на него накладывают транспортировочную пленку, маркируют и сматывают в рулоны. Максимальная ширина рулона 1,5 м, но его могут порезать и на более узкие куски. При температуре -18°С такой рулон можно хранить в течение года.

 

Производство препрега

 

«Ткацкий станок»

На производственных площадях ХК «Композит» также можно увидеть, как создаются 3D-ткани из углеродного волокна. Гигантская машина контурного плетения позволяет делать текстильный материал нескольких видов.

Первый и основной вид материала — рукав из углеродного волокна. Он представляет собой закрытую бесшовную форму. На изделиях с круглым сечением из обычной ткани обычно бывает шов, а здесь нет слабых мест — это основное преимущество. К тому же, если подключить фантазию, из обычного волокна можно сформировать практически все что угодно — профиль любого сечения, вопрос только в подборе оснастки. До пропитки текстиль легко гнется, но если пропитать его смолой, получится композит, который будет легче и прочнее, чем металл.

Второй вариант работы оборудования реализуется с помощью промышленного робота. С его помощью можно создать изделие сложной геометрической формы с переменным диаметром или сечением — сделать фактически любую форму и оплести ее. Робот может подавать изделие как угодно, чтобы создавать переменные радиусы в разных направлениях. После пропитки такое изделие готово к использованию. К примеру, подобным образом можно делать рамки лобового стекла для автомобиля.

В третьем варианте берется труба на жестком сердечнике, которую можно оплести. Простейшее применение подобной технологии — опора мачты освещения. Нижнее основание опоры из композита может иметь окружность большого диаметра, а верхнее — квадрат, удобный для крепления оборудования. Затем текстиль также пропитывается смолой. Такое решение можно использовать и для трубопроводов.

Многообразие композиционных материалов предполагает еще немало интересных и непривычных с традиционной точки зрения технологических процессов и специфического оборудования. Впрочем, пожалуй, спустя пару десятков лет, когда композитные материалы прочно войдут в нашу жизнь, подобные производства уже никому не будут в диковинку. И, конечно, здорово, что такие промышленные линии уже сегодня возникают в России. Сейчас отечественным компаниям очень важно не упустить момент и занять уверенные позиции на мировом рынке.

«В России будет появляться конкурентоспособная продукция не просто как аналог существующих изделий, только более качественный или менее дорогой, — отметил Леонид Меламед, генеральный директор ХК «Композит». — Я уверен, что также нашим разработчикам и промышленникам удастся сказать какое-то новое слово, выпустить новые продукты и внести значимый вклад в общечеловеческую копилку».

 

Екатерина Зубкова

Фото ХК «Композит»

На заставке: намотка белого волокна

Читайте также: