Ученые СПбГУПТД изучают производственную линию предприятия «АЛАБУГА-ВОЛОКНО»

Молодые ученые кафедры наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А.И. Меоса Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна (СПбГУПТД) Ольга Гладунова и Наталья Лукичева в составе группы ученых ведущих университетов страны и экспертов в области углеродных волокон и композиционных материалов по приглашению АНО «Информационный центр атомной отрасли» и Композитного дивизиона госкорпорации «Росатом» посетили производственную площадку «АЛАБУГА-ВОЛОКНО». Вот что рассказали ученые Университета промышленных технологий и дизайна о своей поездке.

Окунемся в историю.

Завод расположен в особой экономической зоне «Алабуга» в республике Татарстан и включает три производства: синтез полиакрилонитрила (ПАН), формование из него ПАН-волокна — прекурсора для углеродного волокна и непосредственно само производство углеродного волокна.

Открытие цеха по производству углеродного состоялось в 2015 году. Для отечественной промышленности это стало знаковым событием и важным шагом в реализации государственной программы импортозамещения. В 2021 году там же, в соседнем цеху, состоялся запуск производства полиакрилонитрильного прекурсора.

На сегодняшний день мощность линии по производству ПАН-прекурсора составляет до 5 тыс. тонн в год. Мощность производственной линии по выпуску углеродного волокна различных номиналов — до 1,2 тыс. тонн в год.

ПАН или пропал.

«В этот проект не очень все верили, многие сомневались. Ну, во-первых, считали, что в России в принципе невозможно построить с нуля высокотехнологичное производство: не позволит технологическая база, нет людей, нет производственной цепочки... Тем не менее, это удалось сделать», — сказал генеральный директор Государственной корпорации «Росатом» Алексей Лихачев на церемонии запуска завода ПАН-прекурсора.

Технологический процесс получения ПАН-волокна начинается с синтеза волокнообразующего полимера — полиакрилонитрила — в цехе суспензионной полимеризации. Современное оборудование позволяет получать полимер высокого качества с низкой полидиперсностью (узким диапазоном молекулярно-массового распределения). Полимер высушивается и хранится в силосных колоннах.

Для изготовления прекурсора — ПАН-волокна — полимер, который внешне выглядит как мука, растворяют в диметилацетамиде. Полученный прядильный раствор фильтруют, обезвоздушивают и подают на следующий этап — формование. Готовый прядильный раствор продавливается через отверстия в фильерах и тысячи тонких струек попадают в осадительную (коагуляционную) ванну. Далее волокно отмывается от растворителя в нескольких промывных ваннах, затем следуют стадии ориентационного вытягивания волокна и нанесения специальных замасливателей. Готовые ПАН-волокна наматываются на бобины, весом до 300 кг каждая.

Стадии ориентационного вытягивания являются определяющими для получения качественного ПАН-прекурсора с высокоориентированной структурой макромолекул и минимальной неравномерностью по диаметру. Существует связь между прочностью ПАН-волокна и углеродного волокна, ведь именно прекурсор определяет 70 % качественных характеристик углеволокна.

Углеродное волокно. Отсечь все лишнее!

Производство углеродного волокна представляет собой единую технологическую линию длиной 250 м и шириной 3 м, на которой исходное сырье, ПАН-волокно, подвергается окислению, высокотемпературной и поверхностной обработке, аппретированию.

На начальном этапе ПАН-волокно подвергается относительно длительному нагреву в среде воздуха до температуры 300 °С. В ходе такой последовательной термообработки (термоокисления) в 6-ти печах происходит структурирование полимера, то есть перестройка линейных макромолекул ПАН в молекулы с лестничной структурой. Этот процесс рассматривается как начальная стадия превращения полимерной структуры в углеграфитовую. Продолжительность термоокисления является одним из важнейших параметров, определяющих качество будущих углеродных волокон. Также особое значение имеет вытяжка волокна в процессе термоокисления, которое способствует ориентации предструктур.

Далее следуют стадии «низкотемпературной» до 800 °С и «высокотемпературной» карбонизации до 1500 °С в среде инертного газа. При температурах от 400 до 800 °С происходит основная потеря массы волокна, отщепление почти всех элементов за исключением азота и углерода. При температурах от 600 до 1200 °С формируются основные элементы структуры углеродного волокна и удаляются оставшиеся атомы (азот). При температурах 1200–1500 °С углеродные волокна начинают обладать высокими физико-механическими свойствами, которые реализуются за счет формирования ориентированных графитоподобных турбостатных фибрилл. Содержание атомов углерода в углеродных волокнах после высокотемпературной обработки составляет 94-96 %.

Производство углеродного волокна — это сложный многостадийный процесс, в котором каждый этап имеет решающее значения для получения высококачественного продукта.

В завершении технического тура генеральный директор ООО «АЛАБУГА-ВОЛОКНО» Габерлинг Андрей Владимирович ответил на все интересующие вопросы и поделился планами на будущее. В планах масштабирование производства и запуск дополнительных производственных линий по производству ПАН-прекурсора и углеродного волокна; разработки нового поколения ПАН-прекурсоров и углеродного волокна с передовыми характеристиками; оптимизация производства ПАН-прекурсора и углеродных волокон с целью снижения себестоимости углеродных волокон.