Расширение производства завода ООО «Алабуга-Волокно»



В 2021 году состоялся запуск производства полиакрилонитрильного прекурсора.Процесс построен на базе отработанной технологии и ноу-хау компании Montefibre по производству акрилового волокна с соответствующими модификациями для получения прекурсора с высокими характеристиками. Ключевые характеристики процесса — относительно низкая стоимость производства, надежность и гибкость.

Ключевые слова: ПАН-прекурсор, углеродное волокно.

In 2021 the production of polyacrylonitrile precursor was launched. The process is based on Montefibre's proven technology and know-how for the production of acrylic fiber with the appropriate modifications to obtain a precursor with high characteristics. The key features of the process are relatively low production costs, reliability and flexibility.

Keywords : PAN-precursor, carbon fiber.

Для повышения уровня жизни человека необходимо обеспечивать непрерывный процесс развития во всех областях науки и техники. Одним из определяющих факторов такого развития является разработка новых и перспективных видов композиционных конструкционных материалов, армированных искусственными волокнами. Востребованность таких материалов обусловлена с одной стороны их высокими механическими характеристиками и долговечностью, а, с другой стороны невозможностью обойтись без подобных технических решений в прочных и облегченных конструкциях. Еще в конце ХХ века высокопрочные волокна (углеродные, стеклянные, арамидные и др.) применялись в основном в ответственных конструкциях и дорогостоящей спортивной экипировке. За последние три десятилетия высокопрочные волокна и композиты на их основе значительно шире вошли в нашу жизнь и все чаще заменяют традиционные конструкционные материалы в энергетике, транспорте, электронике и других сферах деятельности [1, 2].

Химические волокна — нити из органических и неорганических соединений, получаемые промышленными способами. Выделяют три вида химических волокон, в зависимости от исходного сырья.

Искусственные волокна получают из природных полимеров, главным образом из целлюлозы. К продуктам такого вида можно отнести вискозные и ацетатные нити.

Синтетические нити получают из полимеров, полученных в процессе синтеза из природных низкомолекулярных соединений. Исходным сырьем выступают продукты переработки нефти, газа и каменного угля, например, бензол, фенол, этилен и ацетилен. В результате можно получить капрон, лавсан, нитрон, хлорин, спандекс.

Минеральные волокна — нити из неорганических соединений. Они могут быть стеклянными или металлическими. Стекловолокно высоко ценится за его армирующие свойства и используется в самых разных областях от стоматологии до автомобилестроения. Металлическое волокно активно используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности при изготовлении различных фильтров [3].

Темпы роста мирового производства синтетических волокон за последние 4 года замедлились. Если в 2013 г. по сравнению с предыдущим годом мировой выпуск синтетических волокон и нитей возрос на 6,7 %, то в 2014 г. на 5 %, а в 2015–2016 гг. — на 1,9 % в год [3]. Замедление темпов роста производства было характерно практически для всех видов синтетических волокон и нитей.

Мировое производство химических волокон в тот же период демонстрировало высокие темпы роста: в 2013 г. по сравнению с 2012 г. возросло на 5,8 %, в 2014 г. — на 5,5 %, в 2015 г. — на 6 %, в 2016 г. — на 4,8 % (рис. 1–3) [3].

Рис. 1. Объем мирового производства химических волокон и нитей и темпы роста в 2012–2025 гг., млн. т (Источник: Chemical Fibers International) [3]

Рис. 2. Производство, рынок, экспорт и импорт полиакрилонитрильных волокон в России в 2012–2025 гг., тыс. т (Источник: данные ФСГС, данные ФТС, аналитика ОАО «НИИТЭХИМ») [3]

Рис. 3. Производство, рынок, экспорт и импорт химических волокон и нитей в России в 2012–2025 гг., тыс. т (Источник: данные ФСГС, данные ФТС, аналитика ОАО «НИИТЭХИМ») [3]

Крупнотоннажные производства полиакрилонитрильных (ПАН) волокон текстильного назначения, производимые ранее на ООО «Саратоворгсинтез» в объёме до 24 тыс. т, с 2011 года не выпускаются. В настоящее время незначительные объемы производит ООО «Композит волокно», г. Саратов (11 тонн в 2017 г.). Сегодня российский рынок ПАН волокон, представленный почти полностью импортом, относительно невелик и в последние годы составлял порядка 6 тыс. т. В перспективе до 2025 г. ожидается его восстановление до уровня не более 20 тыс. т [3].

Однако потребление химических волокон неизменно растет. Так потребление химических волокон в Российской Федерации в перспективе до 2025 г. представлено в таблице 1 [3].

Таблица 1

Потребление химических волокон

Наименование контрольного показателя	Значение 2017 г.	Целевое значение 2025 г.
Объем производства химических волокон и нитей, тыс. т.	189,7	530,0
Потребление химических волокон и нитей на душу населения, кг/чел.	2,8	5,3
Для импорта в потреблении химических волокон и нитей, %	60	45

Завод по получению углеродного волокна ООО «Алабуга-Волокно» (рис. 4) был введен в промышленную эксплуатацию в 2014 году. Строительство производственной площадки стало важным шагом в реализации программы импортозамещения.

Рис. 4. Промышленное предприятие ООО «Алабуга-Волокно»

Оборудование завода соответствует всем мировым стандартам. Технология получения углеродных волокон разработана российскими инженерами. Мощность производства составляет более 1 400 тонн в год. Продукция ООО «АЛАБУГА-ВОЛОКНО» по уровню свойств и ценовым характеристикам сопоставима с международными аналогами.

В мире существует ряд компаний, занимающихся производством и реализацией ПАН-прекурсора для компаний, производящим углеродное волокно (УВ). Однако, крупнейшие игроки на рынке поставок УВ имеют собственные производственные площадки ПАН прекурсора.

Промышленные технологии производства ПАН прекурсора делятся по трем основным технологическим решениям:

– тип полимеризации;

– использующийся в технологии растворитель;

– метод формования.

В промышленности используют два типа полимеризации: суспензионная (Toray-Zoltek, Toho Tenax, Mitsubishi Rayon, SGL, Hexcel и пр.) и растворная (Toray, Cytec, Hyosung, Bluestar и прочее). При проведении растворной и суспензионной полимеризаций может быть использован как непрерывный, так и периодический режим работы. Оба типа полимеризации имеют как преимущества, так и недостатки. Основным преимуществом растворной полимеризации является отсутствие дополнительных стадий, связанных с выделением, промывкой, сушкой и растворением полимера. К недостаткам же относят: высокую вязкость раствора, получаемого при полимеризации, что приводит к необходимости решения проблем с отводом тепла из реакционной массы; наличие примесей в прядильном растворе, которые содержались в компонентах реакционной массы, что приводит необходимости более тонкой фильтрации высоковязких растворов. Преимуществами суспензионной полимеризации считаются: высокая конверсия процесса сополимеризации; возможность хранения сухого полимера в течение длительного времени без потерь качественных характеристик; примеси, содержащиеся в реакционной массе, отделяются от полимера вместе с жидкой фазой. К недостаткам суспензионной полимеризации относят: необходимость дополнительных стадий, связанных с выделением, промывкой, сушкой и растворением полимера; сложность реализации процесса растворения полимера без образования гель-частиц.

В промышленности используют как органические, так и неорганические растворители. Органические растворители:

– диметилсульфоксид (Toray, Cytec, Hyosung);

– диметилформамид (Toray-Zoltek, Formosa Plastics, EPG);

– диметилацетамид (Mitsubishi Rayon, SGL, Dow Aksa).

Неорганические растворители:

– водный раствор роданистого натрия (Hexcel, Bluestar);

– раствор хлорида цинка (Toho Tenax).

Следует отметить, что, несмотря на возможность использования различных типов полимеризации и растворителей, что приводит к достаточно большому количеству комбинации, это в первую очередь сказывается на конкретных режимах работы оборудования, а не на принципиальной возможности получения качественных характеристик ПАН прекурсора. То есть используя любой тип полимеризации или растворителя, можно производить качественный ПАН пре-курсор, обеспечивающий получение высокопрочного УВ.

При формовании ПАН прекурсора могут быть использованы два технологических подхода: мокрое и сухо-мокрое формование. Мокрое формование получило наибольшее распространение при производстве ПАН прекурсоров для УВ, благодаря более простой реализации технологического процесса и возможности формования волокна различного номинала. Сухо-мокрое формование реализовано на небольшом количестве производств в виду сложности реализации данного технологического процесса. Однако, сухо-мокрое формование позволяет производить прекурсоры с операционными затратами ниже, чем у мокрого. УВ, произведенное из прекурсора полученного по сухо-мокрому способу, обладает более высокими прочностными характеристиками.

Производство ПАН-прекурсора ООО «Алабуга-Волокно» — это высокотехнологичный и современный завод по производству полиакрилонитрильного прекурсора, не имеющий аналогов в России. Находясь в Республике Татарстан, на территории Особой Экономической Зоны в Елабуге, имеет ряд преимуществ и конкурентных особенностей перед другими отечественными производителями.

«В этот проект все не очень верили, многие сомневались, считая, что в России невозможно построить с нуля высокотехнологичное производство, тем более в такие сроки. Тем не менее это удалось сделать компании ЮМАТЕКС. Я уверен, что во многом успех проекта обусловлен расположением завода в ОЭЗ «Алабуга», — заметил генеральный директор госкорпорации «Росатом» Алексей Лихачев на открытии завода [4].

Транспортная доступность, широкие складские возможности, новейшее инновационное оборудование позволяют повысить уровень качества произведённого материала и оптимизировать логистические расчеты [5–10].

В работе приведена технологическая схема получения полиакрилонитрильного прекурсора

Процесс построен на базе отработанной технологии и ноу-хау компании Montefibre по производству акрилового волокна с соответствующими модификациями для получения волокна прекурсора с высокими характеристиками.

Технологический процесс получения ПАН включает следующие основные стадии:

– синтез полиакрилонитрила — это осуществляется в цехе полимеризации производства;

– получение прядильного раствора и подготовка его к формованию, формование, ориентационное вытягивание и отделка волокна — прядильно-отделочный цех.

Типовая производственная установка состоит из следующих технологических узлов:

– резервуарный парк;

– участок полимеризации и сушки;

– склад и транспортер для полимера;

– участок регенерации растворителя;

– приготовление прядильного раствора;

– участок формования и намотки.

Процесс производства прекурсора состоит из двух основных отдельных этапов:

– производство и хранение сухого полимера до производства волокна;

– производство, намотка и хранение бобин с прекурсором для производства углеродного волокна (рис. 5–7).

Рис. 5. Производство ПАН-прекурсора

Рис. 6. Намотка ПАН-прекурсора на бобины

Рис. 7. Хранение бобин с ПАН-прекурсором

Одна из отличительных особенностей процесса заключается в возможности периодического независимого запуска процесса полимеризации полимера и процесса формования из него волокна. Это достигается тем, что этапы полимеризации и формования проводятся на двух разных установках, в определенном смысле независимых друг от друга. Полимер производится в форме водной суспензии, затем высушивается и хранится в силосах в сухом виде вплоть до того момента, когда потребуется на этапе формования, на котором он растворяется при помощи растворителя — диметилацетамида. Проектная мощность производства составляет 5 000 тыс. тонн ПАН-прекурсора номиналом 1К — 48К.

« Потребительский спрос на углеродное волокно постоянно растет, а вместе с ним и уровень ожиданий к качеству материала. Очевидно, что стоять на месте нельзя. Необходимо постоянно повышать планку », — подчеркнул заместитель генерального директора — технический директор АО «Юматекс», Юрий Свистунов, на открытии завода по производству ПАН-прекурсора.

Для существенного увеличения объемов производства УВ и повышения его качества необходим комплекс мероприятий, направленных на решение ключевых технологических задач. Основные усилия должны быть сосредоточены на повышении прочности УВ, снижении себестоимости их производства и повышении качества композитов на основе УВ.

Решением увеличения объемов производства УВ является разработка технологии производства ПАН-прекурсора для получения высокопрочных УВ методом мокрого формования, отработка «сухо-мокрого» способа получения ПАН, разработка технологий и оборудования для эффективной регенерации и утилизации отходов, тепловыделений и выбросов, образующихся при производстве УВ, разработка новых составов прекурсоров и переход на материалы большей линейной плотности, оптимизация структуры углепластика с целью повышения прочности, разработка технологий и создание производства современных типов связующих, в том числе с добавлением наночастиц.

Запуск крупнотоннажного производства ПАН-прекурсора на предприятии ООО «Алабуга-Волокно» позволит в значительной степени решить задачу, направленную на увеличение объемов производства УВ на территории Российской Федерации.

Литература:

1. Morgan, P. Carbon fibers and their composites / P. Morgan. — Boca Ration: Taylor&Francis, 2005. — 1153 p.
2. Столяров О. Н., Ольшенский В. Я., Донцова А. Е., Ю. А. Демидова Углеродные волокна в строительстве мостов. Строительство уникальных зданий и сооружений. № 3. 2019. с. 36–49.
3. Электронный ресурс http://www.kstu.ru/servlet/contentblob?id=203501 (дата обращения 25.05.2022)
4. https://www.tatar-inform.ru/news/minnixanov-otkrytie-pan-zavoda-v-oez-alabuga-znacimoe-sobytie-dlya-vsei-rossii-5843989 (дата обращения 25.05.2022)
5. Пакшвер А. Б., Геллер Б. Э. Химия и технология производства волокон нитрон. М.: Госхимиздат, 1960. 148 с.
6. Беркович А. К., Сергеев В. Г., Медведев В. А., Малахо А. П. Синтез полимеров на основе акрилонитрила. Технология получения ПАН и углеродных волокон. М.: Изд-во МГУ, 2010. 63 с.
7. Волокна из синтетических полимеров / под ред. Р. М. Хилла. М.: Изд-во иностранной лит., 1957. 505 с.
8. Роскин Е. С. Химические волокна. М.–Л.: Химия, 1966. 135 с.
9. Пакшвер А. Б. Карбоцепные волокна. М.: Химия, 1966. 286 с.
10. Варшавский В. Я. Углеродные волокна. М.: Химия, 2005. 496 с.