|сгенерировать QR код
Открытый доступ
Только для подписчиков
Достижения и перспективы в области сырьевых источников для получения углеродных волокон (Обзор)
https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-99-3-99-115
Аннотация
Настоящий обзор посвящен рассмотрению современного состояния мирового производства углеродных волокон на основе различных видов исходного сырья, а также исследованиям в области химии, направленным на расширение спектра решений в данной области. Проведен анализ литературных источников – отечественной и зарубежной научно-технической и периодической литературы, патентов на изобретения за последние 15 лет. Уделено внимание химической модификации прекурсоров, позволяющей расширить функциональные свойства получаемых углеродных материалов.
При поддержке: Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13 «Полимерные композиционные материалы» (ПКМ) («Стратегические направ- ления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 го- да») [1].
Об авторе
М. И. Валуева
ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ФГУП «ВИАМ»)
Россия
канд. техн. наук
105005, Москва, ул. Радио, д. 17
Россия
канд. техн. наук
105005, Москва, ул. Радио, д. 17
Список литературы
1. Каблов Е. Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – № 1 (34). – С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
2. Каблов Е. Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. – 2015. – № 1. – С. 36–39.
3. Раскутин А. Е. Стратегия развития полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. – 2017. – № S. – С. 344–348. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-344-348.
4. Валуева М. И., Гуляев И. Н. Углеродные волокна и углепластики: история, современность и перспективы развития. Обзор // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2016. – № 11. – С. 2–8.
5. Лысенко А. А. Тенденции формирования мирового рынка углеродных волокон. Обзор // Технический текстиль. – 2005. – № 12. URL: http://www.rustm.net/catalog/article/88.html (дата обращения 01.03.2019).
6. Лебедева А. И., Хлебников В. В. Рынок углеродных волокон: состояние и перспективы // Полимерные материалы. – 2011. – № 4. – С. 20–24.
7. Ким С. Сырье – композиты – углеволокно // The Chemical Journal. – 2014. – Октябрь. – С. 64–73. URL: http://tcj.ru/wp-content/uploads/2014/11/2014_10_63-73_PLAST-Syre.pdf (дата обращения 18.09.2019)
8. Валуева М. И., Гуляев И. Н., Сидорина А. И. Рынок российских углеродных наполнителей сегодня. Обзор // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2016. – № 4. – С. 77–87.
9. Лысенко А. А., Асташкина О. В., Русова Н. В., Цыбук И. О. Рынок углеродных волокон к началу 2018 года // Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX) . – 2018. – № 1–1. – С. 37–39.
10. Айзенштейн Э. М. Отечественная промышленность химических волокон в 2017 году // Композитный мир. – 2018. – № 3. – С. 26–31.
11. Каблов Е. Н., Старцев О. В., Панин С. В. Влагоперенос в углепластике с деструктированной поверхностью // Доклады Академии наук. – 2015. – Т. 461. – № 4. – С.433–436.
12. Каблов Е. Н., Старцев В. О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) //Авиационные материалы и технологии. – 2018. – № 2. – С. 47–58. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-47–58.
13. Валуева М. И., Зеленина И. В., Хасков М. А., Гуляев А. И. Подготовка углеродного волокна к нанесению интерфазного покрытия для композиционных материалов с керамической матрицей // Труды ВИАМ: электрон. научн.-техн. журнал. – 2017. – № 10 (58). – С. 79–89. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 01.03.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-10-9-9.
14. Гуляев А. И., Шуртаков С. В. Количественный анализ микроструктуры граничного слоя «волокно-матрица» в углепластиках // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журнал. – 2016. – № 7 (43). – С. 67–76. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 01.03.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2016-0-7-8-8.
15. Ерасов В. С. Визуализация процессов испытания и экспериментальных данных в 3D-пространстве // Авиационные материалы и технологии. – 2014. – № S4. – С. 22–28. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-s4-22-28.
16. Кузнецов А. В., Генис А. В., Коваль Ю. С. Изменение структурно-механических свойств полиакрилонитрильного прекурсора в процессе его преобразования в углеродное волокно // Вопросы оборонной техники. Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. – 2014. – № 4 (175). – С. 18–22.
17. Перепелкин К. Е. Армирующие волокна и волокнистые полимерные композиты. – М.: НОТ, 2009. – 380 с.
18. Михайлин Ю. А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. 2-е изд. – М.: НОТ, 2015. – 822 с.
19. Morgan P. Carbon fibers and their composites. – USA: CRC Press, 2005. – 1131 p.
20. Soo-Jin Park “Carbon Fibers”. Korea. – Springer, 2015. – 330 p.
21. Варшавский В. Я. Углеродные волокна. – М., 2005. – 496 с.
22. Мелешко А. И., Половников С. П. Углерод, углеродные волокна, углеродные композиты. – М.: САЙНС-ПРЕСС, 2007. – 192 с.
23. Абрамов О. Н., Сидоров Д. В., Апухтина Т. Л. Получение пекового углеродного волокна на основе нефтяного сырья // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2015. – Т. 58, № 5. – С. 86–89.
24. Вишневский К. О., Карасев О. И. Прогнозирование развития новых материалов с использованием методов Форсайта // Foresight-Russia. – 2010. – Т. 4, № 2. – С. 58–67.
25. Composite materials handbook. V. 3. Polymer matrix composites materials usage, design, and analysisю URL: https://www.library.ucdavis.edu/wp-content/uploads/2017/03/HDBK17-3F.pdf (дата обращения: 01.03.2019).
26. Мухамедзянов А. Т., Мухамедзянова А. А., Гимаев Р. Н., Галиахметов Р. Н. Состояние и перспективы производства и потребления углеродных волокон из нефтяных пеков // Вестник Башкирского университета. – 2015. – Т. 20, № 4. – С.1218–1222.
27. Михайлин Ю. А. Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике. – СПб.: Изд-во «Научные основы и технологии». – 2013. – 752 с.
28. Пат. РФ 2679144, № 2018125906. Способ получения углеродной нити на основе вискозы для хирургического лечения глаукомы; заявл. 13.07.2018; опубл. 06.02.2019 // Бюл. № 4.
29. Горина В. А., Чеблакова Е. Г. Влияние режимов активации на удельную поверхность и развитие микропористой структуры углеродных волокон на основе вискозы // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2015. – № 4. – С. 34–39.
30. Пат. РФ 2206505, № 2002116909/12. Углеродный волокнистый материал на основе гидратцеллюлозы и ее привитых сополимеров; заявл. 24.06.2002; опубл. 20.06.2003.
31. Дробышев В. М., Ляшенко С. Е., Соболева И. В. Изучение зависимости свойств углеродных волокнистых адсорбентов в зависимости от условий их получения // Успехи в химии и химической технологии. – 2013. – Т. XXVII, № 1. – С. 102–110.
32. Patent 1819852 EP, № 20050816104. Method of obtaining yarns or fiber sheets of carbon from a cellulose precursor; заявл. 06.12.2005; опубл. 22.08.2007.
33. Пат. РФ 2258773, № 2002115275/04. Способ получения углеродного волокнистого материала; заявл. 05.12.2000; опубл. 20.08.2005 // Бюл. № 23.
34. Пат. РФ 2429316, № 2010111418/05 / Способ непрерывного получения из гидратцеллюлозы углеродного волокна в виде однонаправленного жгута; заявл. 26.03.2010; опубл. 20.09.2011 // Бюл. № 26.
35. Пат. РФ 2490378, № 2012111067/05. Способ получения углеродного волокнистого материала; заявл. 23.03.2012; опубл. 20.08.2013 // Бюл. № 23.
36. Пат. РФ 2577578, № 2014151947/05. Способ получения углеродного волокнистого материала; заявл. 23.12.2014; опубл. 20.03.2016 // Бюл. № 8.
37. Пат. РФ 2596752, № 2015109080/05. Способ получения углеродных волокнистых материалов; заявл. 16.03.2015; опубл. 10.09.2016 // Бюл. № 25.
38. Пат. РФ 2671709, № 2017140958. Способ получения углеродных волокнистых материалов из гидратцеллюлозных волокон; заявл. 24.11.2017; опубл. 06.11.2018 // Бюл. № 31.
39. Пат. РФ 2679265, № 2016146775. Способ отделки лиоцельного гидратцеллюлозного волокна при получении прекурсора углеродного волокнистого материала; заявл. 29.11.2016; опубл. 29.05.2018 // Бюл. № 16.
40. Пат. РФ 2642561, № 2016129584. Способ селекционной оценки гидратцеллюлозных волокон как прекурсора при получении углеродных волокон; заявл. 20.07.2016; опубл. 25.01.2018 // Бюл. №3.
41. Patent US 10189985. N 2018/0207849. Polyacrylonitrile (PAN) polymers with low polydispersity index (PDI) and carbon fibers made therefrom; заявл. 26.07.2018; опубл. 29.01.2019.
42. Patent US 8906339, N 2011/0158895. High modulus graphitized carbon fiber and method for fabricating the same; заявл. 30.06.2011; опубл. 09.12.2014.
43. Patent US 9109305, N 2013/0136914. Preparation method for hollow carbon fiber; заявл. 30.05.2013; опубл. 18.08.2015.
44. Patent US 9476147, N 2015/0035196. Gel spinning process for producing a pan-based precursor fiber; заявл. 05.02.2015; опубл. 25.10.2016.
45. Пат. РФ 2535797, № 2013119304. Способ окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными наночастицами; заявл. 25.04.2013; опубл. 20.12.2014.
46. Пат. РФ 2534779, № 2013121957. Способ окислительной стабилизации волокон из полиакрилонитрила, наполненных углеродными нанотрубками; заявл. 13.05.2013; опубл. 10.12.2014.
47. Житенева Д. А., Лысенко А. А. Новое в технологии окислительной стабилизации полиакрилонитрильных волокон // Дизайн. Материалы. Технология. – 2015. – Т. 5, № 40. – С. 19–22.
48. Скворцов И. Ю., Беркович А. К., Макаров И. С. Углеродные волокна на основе полиакрилонитрила с добавками нановолокон оксида алюминия // Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы (SMARTEX). – 2016. – Т. 1, № 1. – С. 116–120.
49. Patent US 9409337, N 2016/0016345. Polyacrylonitrile/cellulose nano-structure fibers; заявл. 21.01.2016; опубл. 09.08.2016.
50. Patent US 9121112, N 2015/0024200. Carbon fibers having improved strength and modulus and an associated method and apparatus for preparing same; заявл. 22.01.2015; опубл. 01.09.2015.
51. MаQuan-sheng, Gao Ai-jun, Tong Yuan. The densification mechanism of polyacrilonitrile carbon fibers during carbonization // New carbon materials. – 2016. – V. 31, N 5. – Р. 550–554.
52. Li Xiao-Yun, Tian Feng, Gao Xue-Ping. WAXD/SAXS study and 2D fitting (SAXS) of the microstructural evolution of PAN-based carbon fibers during the pre-oxidation and carbonization process // New carbon materials. – 2017. – N 4. – С. 130–137.
53. Husona M. G., Churcha J. S. Heterogeneity of carbon fibre // Carbon. – 2014. – V. 68. – Р. 240–249.
54. Тюменцев В. А., Фазлитдинова А. Г. Взаимосвязь режимов получения и тонкой структуры углерода волокна // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, вып. 3. – С. 62–69.
55. Lifeng Hao, Ping Penga, Fan Yang. Study of structure-mechanical heterogeneity of polyacrilonitrile-based carbon fiber monofilament by plasma etching-assisted radius profiling // Carbon. – 2017. – V. 114. – P. 317–323.
56. Колодяжный А. Ю., Шешин Е. П. Автоэлектронная эмиссия некоторых видов полиакрилонитрилных углеродных волокон // Химия и химическая технология. – 2015. – Т. 58, вып. 7. – С. 78–81.
57. Нистратов А. В., Алексеев С. А., Клушин В. Н. Оптимизация режима карбонизации акриловых текстильных отходов // Успехи в химии и химической технологии. – 2015. – Т. 29, № 8. – С. 99–101.
58. Капустин В.М., Глаголева О. Ф. Физико-химические аспекты формирования нефтяного кокса (обзор) // Нефтехимия. – 2016. – Т. 56, № 1. – С. 3.
59. Насибулин А. В., Петров А. В., Бейлина Н. Ю. Влияние способа введения наноструктурирующей добавки на свойства каменноугольного пека // Успехи в химии и химической технологии. – 2015. – Т. 29, № 7. – С. 62–64.
60. Островский В. С., Стариченко Н. С. Изменение свойств каменноугольных пеков добавками // Кокс и химия. – 2018. – № 1. – С. 22–31.
61. Кузнецов П. Н., Маракушина Е.Н., Бурюкин Ф.А. Получение альтернативных пеков из углей // Химия в интересах устойчивого развития. – 2016. – Т. 24, №3. – С. 325–333.
62. Островский В. С., Стариченко Н. С. Каменноугольные пеки как связующие для углеродных материалов // Кокс и химия. – 2016. – № 4. – С. 30–33.
63. Хохлова Г. П., Барнаков Ч. Н., Попова А. Н. Рентгеноструктурный анализ углеродных материалов, полученных карбонизацией каменноугольного пека с графитовыми добавками // Кокс и химия. – 2016. – № 1. – С. 32–39.
64. Guanming Yuan, Xuanke Li, Zhijun Dong. The structure and properties of ribbon-shaped carbon fibers with high orientation // Carbon. – 2014. – V. 68. – P. 426–439.
65. Разноушкин А. Е., Хайбуллин А. А., Жирнов Б. С. О возможности использования полимерно-пековых композиций в качестве сырья для получения углеродных волокон // Нефтепереработка и нефтехимия. Научно-технические достижения и передовой опыт. – 2015. – № 4. – С. 27–33.
66. Jianxiao Yanga, Koji Nakabayashi. Preparation of pitch based carbon fibers using Hypercoal as a raw material // Carbon. – 2016. – V. 106, Sept. – P. 28–36.
67. Li Xian, Zhu Xian-qing, Kenshiro Okuda. Preparation of carbon fibers from low-molecular-weight compounds obtained from low-rank coal and biomass by solvent extraction // New carbon materials. – 2017. – N 2. – Р. 41–47.
68. Каблов В. Ф., Кейбал Н. А., Бондаренко С. Н. Получение углеродных волокон для полимерных материалов методом пиролиза модифицированных ПВС волокон // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2017. – № 4 (199). – С. 70–75.
69. Li Ang, Ma Zhao-Kun, Song Huai-He. Effect of heat treatment temperature on the microstructure and properties of polyimide-based carbon fibers // New carbon materials. – 2014. – V. 29, N 6. – P. 461–466.
70. Пат. РФ 2612716, № 2015120898. Способ получения углеродных волокон из нанотрубок; заявл. 02.06.2015; опубл. 13.03.2017.
71. Heng Wua, Shan-wuFana, Xiao-wenYuana. Fabrication of carbon fibers from jute fibers by pre-oxidation and carbonization // Carbon. – 2014. – V. 70. – P. 321.
72. Сазанов Ю. Н. Использование лигнина для производства углеродных волокон // Евразийское научное образование. – 2017. – Т. 1, № 1(23). – С. 94–99.
73. Patent WO 2012112/108, N PCT/SE2012/050141. Method for producing a lignin fiber; заявл. 13.02.2012; опубл. 23.08.2012.
74. Patent US 9133568, N 2014/0302315. Lignin/polyacrylonitrile-containing dopes, fibers, and methods of making same; заявл. 09.10.2014; опубл. 15.09.2015.
75. Ефремова С. В., Королев Ю. М., Сухарников Ю. И. Структурные преобразования углеродных материалов в процессе получения из растительного сырья // Химия твердого топлива. – 2016. – № 3. – С. 14–19.
76. Кузнецов Б. Н., Чесноков Н. В. Пористые углеродные материалы, полученные химической активацией древесины березы // Химия твердого топлива. – 2016. – № 1. – С. 25.
77. Микова Н. М., Иванов И. П., Чесноков Н. В. Свойства пористых углеродных материалов, полученных щелочной активацией термически модифицированной древесины осины // Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Химия» . – 2015. – Т. 8, № 1. – С. 78–85.
78. Голова Л. К. Новое целлюлозное волокно лиоцелл // Рос. хим. ж. – 2002. – Т. XLVI, № 1. – С. 49–57.
Рецензия
Для цитирования:
Валуева М.И. Достижения и перспективы в области сырьевых источников для получения углеродных волокон (Обзор). Вопросы материаловедения. 2019;(3(99)):99-115. https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-99-3-99-115
For citation:
Valueva M.I. Progress, аchievements and prospects in the field of raw materials for carbon fibers (Review). Voprosy Materialovedeniya. 2019;(3(99)):99-115. (In Russ.) https://doi.org/10.22349/1994-6716-2019-99-3-99-115
Просмотров:
343
Послать статью по эл. почте 