О производстве углеродных и полиакрилонитрильных волокон

Современными конструкционными материалами, в значительной мере определяющими уровень развития ракетно-космической и авиационной техники, являются полимерные композиционные материалы (ПКМ). К важнейшим из них относятся углепластики. Армирующей системой для таких ПКМ служат углеродные волокна. Основополагающим сырьем для производства углеродных волокон (УВ) являются полиакрилонитрильные (ПАН) материалы в виде нитей и жгутов.

Наличие собственной промышленной базы в области производства углеродных волокон и композиционных материалов (КМ) на их основе рассматривается правительствами развитых стран как необходимое условие обеспечения национальной безопасности, технологической не-зависимости и мобилизационной готовности. Огромные инвестиции в сектор производства углеродных волокон позволили увеличить мировую проектную мощность их производства с 45000 тонн в 2008 году до 110000 тонн в 2010 году.

Особый рост потребления УВ и, соответственно, композитов на их основе наблюдается в авиационной промышленности. Устойчивая тенденция роста потребления КМ на основе углеволокнистых армирующих наполнителей связана не только с увеличением производства воздушных судов различного назначения, в том числе нового поколения с улучшенными летными и экономическими характеристиками, но и попыткой решить проблему уменьшения выбросов в атмосферу диоксида углерода. Одним из способов ее решения является сокращение веса транспортного средства и как следствие уменьшение потребления топлива и выбросов диоксида углерода.

Бурное потребление в мире углеродных волокон потребовало экстренного решения возникшей проблемы нехватки сырья для их производства, что привело к перепрофилированию производств текстильных полиакрилонитрильных волокон и нитей на производство полиакрилонитрильного волокна технического назначения. Таким образом, несмотря на общее снижение в 2007 году объема производства волокон этого вида на 4,9%, наметилась четкая тенденция увеличения выпуска внутри данного сектора полиакрилонитрильных волокон и нитей различной линейной плотности.

В России в настоящее время для производства УВ и, соответственно, КМ авиационного назначения в основном используется полиакрилонитрильная нить 33,3 текс, получаемая по мокрому способу с использованием в качестве растворителя диметилформамида (ДМФ).

Единственным производителем ПАН прекурсора указанного ассортимента является ФГУП «ВНИИСВ».

Необходимо отметить, что полиакрилонитрильный прекурсор, полученный указанным способом, может перерабатываться на существующих технологических линиях (ООО «Аргон», г. Балаково) в УВ лишь со средними значениями прочности (< 3,6 ГПа), а конечные характеристики отечественных КМ заметно уступают импортным аналогам.

При этом ожидается, что уровень отечественного потребления УВ к 2012-2015 годам возрастет до 800-1000 т/год, а углекомпозитов - до 2000 т/год. Хотя уже в настоящее время обеспеченность потребительского рынка в исходном волокне для углеродных волокон и композитов составляет по высокомодульным углеродным волокнам не более 60%, а по высокопрочным - 0%.

Направленные на преодоление сложившейся кризисной ситуации мероприятия должны включать решение вопросов расширения выпуска углеродных волокон среднего уровня прочности, включая сырьевую составляющую, и одновременное создание современного производства по выпуску полиакрилонитрильных волокон нового поколения и углеродных волокон с повышенным значением прочности.

Учитывая изложенное выше, ФГУП «ВНИИСВ» работает во всех направлениях в рамках НИОКР, техперевооружения и создания новых производств большой мощности с привлечением ведущих проектных организаций, включая создание собственного производства углеродных волокон с использованием современных высокоэффективных технологий.

Так, ФГУП «ВНИИСВ» предусматривает модернизацию существующего производства полиакрилонитрильных волокон на базе технологии ДМФ, расширение выпускаемого ассортимента ПАН нитей жгутиками марок 1К-12К (линейные плотности 120-1200 текс), ПАН лентами ЛНТР (лента нитроновая, техническая, разреженная) для последующего выпуска углеродных лент марки ЭЛУР П-0,1 с прочностями в углепластике: на разрыв 140-160 кг/мм2, на сжатие не менее 110-130 кг/мм2.

Завершение модернизации позволит выпускать до 450 т/год полиакрилонитрильной продукции широкого ассортимента, пригодного для получения углепластиков авиационного и ракетно-космического назначении с уровнем прочности 140-160 кг/мм2, а впоследствии в пределах 160-180 кг/мм2.

АО «ВНИИСВ» предложил программу развития производства углеродных волокон на своей площадке. Предусматривается создание центра по изучению свойств углеродных волокон в зависимости от свойств полиакрилонитрильных волокон, опытного производства углеродного волокна в объеме до 30 т/год с прочностью в стандартном углепластике на первом этапе работ до 160 кг/мм2, на втором - до 220 кг/мм2. С учетом опытного производства далее во ФГУП «ВНИИСВ» организуется высокопроизводительное современное опытно-промышленное производство УВ мощностью до 100 т/год. Для формирования текстильных углеродных изделий создаются участки по производству тканей, аналогичных по характеристикам и уровню свойств тканям фирмы «Поршер», и мультиаксиальных углеродных полотен, широко используемых в настоящее время для изготовления КМ авиационного направления.

Разработан также дополнительный перечень мероприятий по созданию и освоению новой технологии производства полиакрилонитрильных жгутов на базе растворителя ДМСО, включающей непрерывный растворный синтез ПАН полимера в среде ДМСО, формирование ПАН жгутиков ЗК-24К на жгутиковом агрегате, постановку и выполнение поисковых НИР по разработке новых технологических направлений получения полиакрилонитрильных волокон высокоскоростными способами формования с совершенной структурой элементарного волокна. Эти мероприятия обеспечат в дальнейшем условия получения УВ с прочностью 6-7 ГПа на углеродном производстве.

Таким образом, можно сделать вывод о больших перспективах развития такого направления, как производство полиакрилонитрильных волокон.