Процессы производства углеродных волокон в Китае

Когда говорят о китайском производстве углеродных волокон, часто представляют гигантские автоматизированные линии, но реальность в цехах тоньше. Многие упускают, что ключевое звено — это именно подготовка прекурсора, а не только финальное карбонизирование. На своем опыте сталкивался, как неверный выбор исходного сырья сводил на нет все технологические ухищрения.

Исходные материалы: между паноксом и ПАН

В Китае доминирует полиакрилонитрил (ПАН) как прекурсор, но его источники сильно разнятся. Работал с линиями, где использовали отечественный ПАН-сополимер — стабильность по партиям оставляла желать лучшего. Вспоминается случай на одном из предприятий в Цзянсу: колебания в молекулярной массе всего на 5% приводили к повышенной ломкости волокна после стабилизации. Приходилось вручную корректировать температурные профили, что в промышленном масштабе неэффективно.

Попытки использовать вискозу как более дешевую альтернативу часто разбивались о сложность контроля степени полимеризации. На одном экспериментальном производстве в 2019 году пытались комбинировать вискозу с добавками лигнина — выходило дешевле, но карбонизация шла неравномерно, сечение волокна получалось нестабильным. От проекта отказались, хотя идея периодически всплывает в отраслевых кругах.

Здесь стоит отметить, что качество прекурсора напрямую связано с технологиями активации, которые применяются и в смежных отраслях. Например, компания ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии (сайт: https://www.tianye-environmental-protection-technology.ru), специализирующаяся на производстве активированного угля, использует схожие принципы термообработки. Их опыт в контроле пористой структуры при карбонизации каменного угля мог бы быть полезен для отработки режимов предварительной пиролизации ПАН-нитей.

Стабилизация: где теряется контроль

Этап окислительной стабилизации — самое узкое место. Температурные зоны в печах часто имеют перепады до 10-15°C, особенно в старых китайских установках. На практике это означало, что центральные пучки волокна в жгуте карбонизировались иначе, чем периферийные. Визуально — появление блестящих и матовых участков на одной нити.

Многие технологи пытаются компенсировать это увеличением времени выдержки, но тогда падает производительность линии. Оптимальным видится многоступенчатый нагрев с инертными зонами, но такое оборудование дорого. На одном из заводов в Шаньдуне внедрили систему локального поддува воздуха — дешевое решение, но оно снизило вариативность на 40%.

Кстати, проблемы с однородностью нагрева знакомы и производителям активированных углей. На том же сайте ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии в описании процессов упоминается контроль температурных полей в реакторах — принципиально та же задача, только для другого материала.

Карбонизация и графитизация: тонкости атмосферы

Здесь китайские производители разделились на два лагеря: те, кто использует чистый азот, и те, кто добавляет аргон в высокотемпературные зоны (выше 1500°C). Аргон дорог, но предотвращает образование точечных дефектов кристаллической решетки. В бюджетных линиях часто экономят именно на этом — и потом удивляются, почему модуль упругости партии плавает.

Работал с установкой, где пытались рециркулировать атмосферу печи. Теоретически — экономия. Практически — накопление паров углерода приводило к осаждению пироуглерода на волокнах, что убивало адгезию в композитах. Пришлось вернуться к продувке свежим газом.

Интересно, что в производстве активированного угля, например, у упомянутой компании, контроль атмосферы в печах также критичен — от этого зависит развитие микропор. Но там обычно работают при более низких температурах, что проще.

Проблемы масштабирования: от лаборатории к цеху

Китайские НИИ часто выдают прекрасные лабораторные образцы — модуль под 500 ГПа, прочность на разрыв 6-7 ГПа. Но при переходе на промышленную линию показатели падают на 20-30%. Основная причина — механические напряжения при намотке больших жгутов. На одном проекте пришлось полностью переделывать систему направляющих роликов, чтобы минимизировать трение.

Еще один нюанс — скорость протяжки. В лаборатории тянут медленно, в цеху ускоряются в разы. Это меняет кинетику реакций стабилизации. Приходится нелинейно повышать температуры, что рискует привести к перегреву поверхности волокна.

Здесь можно провести параллель с производством активированного угля крупной фракции — при увеличении объема загрузки печи также возникают проблемы с равномерностью прогрева по сечению. Опыт компаний типа ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии в калибровке температурных режимов для разных фракций мог бы быть частично транслирован на процессы карбонизации волокон.

Экологические аспекты и будущее

Много говорят о ?зеленом? производстве углеродных волокон в Китае, но реальность сложнее. Утилизация отработанных растворов электролитов (если используется электрохимическая стабилизация) — головная боль. На некоторых заводах их просто нейтрализуют и сбрасывают, что, мягко говоря, неэкологично.

Перспективным видится использование отходов самого производства — например, пыли и обрезков — для создания гибридных материалов. Слышал об экспериментах, где их смешивали со связующими и прессовали в плиты. Но пока это лабораторные изыски.

Любопытно, что в смежной области — производстве активированного угля — утилизация отходов отработана лучше. На сайте компании ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии указано, что они используют технологию замкнутого цикла для регенерации. Подобный подход постепенно проникает и в сектор углеродных волокон, но медленно — дорого.

В целом, китайские процессы производства углеродных волокон — это постоянный компромисс между качеством, стоимостью и масштабом. Технологии догоняют мировые, но специфика местного сырья и давления себестоимости создает уникальные вызовы. И опыт смежных отраслей, таких как производство активированного угля, здесь может быть неожиданно полезен — хотя бы для отладки отдельных узлов. Главное — не гнаться за тоннажем в ущерб стабильности, иначе все преимущества теряются на этапе создания композитов.