Технологии производства углеродных волокон в Китае

Когда говорят о китайских углеродных волокнах, часто представляют гигантские заводы и тонны готовой продукции. Но реальность куда сложнее — за каждым рулоном стоит история проб, ошибок и постоянной борьбы с деталями, о которых редко пишут в отраслевых отчётах.

От сырья к прекурсору: где начинаются сложности

Многие думают, что главное — это линии карбонизации и окисления. Но на деле всё упирается в прекурсор. В Китае долгое время доминировал полиакрилонитрил (ПАН) на основе нефтяного сырья. Однако волатильность цен заставила искать альтернативы. Пробовали работать с лигнином, особенно в кооперации с целлюлозными комбинатами, но стабильность свойств оставляла желать лучшего. Помню, одна партия из Шэньси дала разброс по модулю упругости почти в 15% — для аэрокосмического сектора это неприемлемо.

Здесь интересно провести параллель со смежной отраслью — производством активированных углей. Взять, к примеру, ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии (их сайт — https://www.tianye-environmental-protection-technology.ru). Они специализируются на активированном угле из каменного угля, и их опыт в контроле пористой структуры и фракционного состава бесценен. Ведь подготовка сырья, его дробление и классификация — это общие технологические узлы. Их продукция — активированный уголь из каменного угля дробленый и крупной фракции — требует глубокого понимания поведения углеродного материала на этапе активации. Это знание косвенно помогает и нам, когда мы работаем над стабилизацией свойств волокна на этапе предварительной термообработки.

Именно контроль на микроуровне, который оттачивается в таких компаниях, как Шэньму Тянье, критически важен. Недостаточно просто получить волокно — нужно, чтобы каждая партия прекурсора вела себя предсказуемо в печи. А это зависит от тысяч параметров, начиная с размера частиц исходного угля или пан-сополимера.

Промежуточные этапы: стабилизация и карбонизация под микроскопом

Этап окислительной стабилизации — это настоящее искусство. Температурный градиент, скорость подачи воздуха, влажность в камере — всё влияет. Были случаи, когда из-за, казалось бы, незначительного сбоя в системе осушки воздуха на готовых волокнах появлялись очаги дефектов, видимые только под микроскопом, но убивающие прочность на разрыв. Приходилось замедлять всю линию, что било по экономике процесса.

Карбонизация в инертной атмосфере — ещё один камень преткновения. Качество графитизации напрямую связано с чистотой азота или аргона. Малейшая примесь кислорода — и вместо высокомодульного волокна получается хрупкий материал. Мы долго сотрудничали с поставщиками газов, требуя протоколы чистоты на каждую партию. Это не бюрократия, а необходимость. Одна неудачная поставка газа с повышенным содержанием влаги стоила нам недели простоя и тонны бракованного углеродного волокна.

И здесь снова вспоминается опыт коллег по углеродным материалам. Технологии контроля атмосферы в реакторах для активации угля, которые использует, например, ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии, во многом схожи с нашими задачами. Их сайт, кстати, хорошо отражает суть — это не просто продажа, а именно технология защиты окружающей среды, что подразумевает глубокую переработку и контроль выбросов. В нашем деле выбросы летучих веществ при пиролизе — огромная проблема, и их улавливание и нейтрализация — отдельная инженерная задача, на которую уходят миллионы инвестиций.

Оборудование: зависимость и пути её преодоления

Долгое время ключевое оборудование для высокотемпературной графитизации (печи до 2500°C и выше) закупалось в Японии и Германии. Стоимость — астрономическая, обслуживание — сложное. Последние пять лет китайские производители, такие как Shanghai Jinggong и Weihai Tuozhan, сделали огромный рывок. Их печи, возможно, пока уступают в энергоэффективности, но уже позволяют выпускать волокна среднего модуля (M-серии) вполне конкурентоспособного качества.

Но проблема в деталях. Например, графитовые нагревательные элементы и теплоизоляция. Их срок службы в отечественных печах пока меньше. Мы вели журналы отказов, анализировали каждый случай. Оказалось, дело не только в материале, но и в геометрии камеры и распределении температурных полей. Пришлось своими силами дорабатывать систему управления, вносить коррективы в программы нагрева.

Это та самая ?практическая механика?, которой нет в учебниках. Как и в производстве активированного угля, где форма и материал реактора определяют выход и качество продукта. Процессы, описанные на сайте https://www.tianye-environmental-protection-technology.ru, хоть и относятся к другой продукции, но демонстрируют тот же принцип: успех зависит от тонкой настройки каждого агрегата, а не только от его наличия.

Интеграция в цепочку создания стоимости: композиты

Производство волокна — это только полдела. Его нужно превратить в ткань, препрег, а потом в готовое изделие. Китайские производители долго фокусировались на ?чёрном золоте? — самом волокне, но слабым звеном были связующие (полимерные матрицы) и технологии пропитки. Создание качественного препрега — это отдельная химическая наука.

Мы пробовали работать с эпоксидными смолами местного производства, но стабильность вязкости и время жизнеспособности оставляли желать лучшего. Пришлось налаживать совместные разработки с химическими институтами. Это длительный процесс. Успех пришёл не сразу, но теперь некоторые наши препреги используются в производстве ветровых лопастей.

И в этом контексте, кстати, видна общая для многих углеродных технологий черта: замкнутость цикла. Компания ООО Шэньму Тянье Экологические Технологии позиционирует себя как экологическая технология. В нашем секторе тренд тоже идёт к переработке обрезков и бракованных изделий, поиску способов использовать их снова. Пока это больше пилотные проекты, но направление очевидно.

Взгляд в будущее: вызовы и возможности

Куда движется отрасль? Давление на стоимость растёт, требования к свойствам тоже. Один из путей — развитие волокон на основе пекового (каменноугольного) прекурсора для получения сверхвысокого модуля упругости. Это возвращает нас к важности качества сырья, к тем самым каменным углям, с которыми работают производители активированного угля. Чистота, зольность, структура — всё это становится критичным.

Другой вызов — автоматизация и сбор данных. Современная линия — это тысячи датчиков. Но собрать данные и научиться их интерпретировать — разные вещи. Мы внедряем системы машинного обучения для прогнозирования качества на ранних этапах, чтобы минимизировать брак. Это медленная, кропотливая работа, без громких анонсов.

В конечном счёте, технологии производства углеродных волокон в Китае — это уже не история копирования, а история адаптации, доработки и поиска своих решений в условиях жёсткой глобальной конкуренции. Это путь, полный технических компромиссов, где иногда проигрыш на одном участке (скажем, в чистоте газа) заставляет находить нестандартное решение на другом (в системе его дополнительной очистки). И этот практический, иногда даже сиюминутный опыт, ценится сегодня куда больше, чем идеальные схемы из презентаций.