Опыт и перспективы использования композитов и нанокомпозитов в промышленности региона
Опыт и перспективы использования композитов и нанокомпозитов в промышленности региона |
|
Автор: Президент группы компаний Композиционный материал (КМ) – это материал, полученный путем совмещения различных химически разнородных компонентов и характеризуемый свойствами, которыми не обладает ни один из компонентов в отдельности. КМ могут различаться как по составу (полимерные, металлические, керамические), так и структуре (дисперсные, послойно или пространственно армированные). Свойства такого материала зависят от свойств его компонентов, что с успехом используется на практике. Так стеклопластик (изолятор по своей природе) легко превращается в тепло и электропроводник при введении в него всего 5% сажи. Введением соответствующих добавок регулируются химическая стойкость, температура деструкции, теплостойкость, устойчивость к абразивному износу. В 2007 году мировой рынок композитов составил 9 млн.тонн. Распределение по видам наполнителей выглядит следующим образом: - Стеклопластики ~95% В данной статье речь пойдет о полимерных слоистых КМ, а именно стекло- и базальтопластиках. Распределение производства стеклопластиков по регионам
В целом рынок КМ Америки, Европы и Азии поделен примерно поровну (31-33%), при этом Китай ~10% от мирового объема при том, что в Китае КМ начали производиться только в последние 10 лет. Если судить по индексу потребления стеклопластика на душу населения, то лидирует в этом плане США – 12,3 кг/чел., Европа и Япония по 6,5 и 6,3 кг/чел. соответственно, а РФ только 0,6 кг/чел. Таким образом в России КМ на душу населения производится в 20 раз меньше, чем в США и в 10 раз меньше, чем в Европе. Отставание России в области производства и использования КМ объясняются на наш взгляд следующими причинами: Необходимо отметить, что в мае 2008г. Постановлением правительства РФ утвержден перечень критических технологий, попадающих под действие закона о порядке осуществления иностранных инвестиций в стратегические отрасли РФ. В перечень включены 35 технологий, имеющих важное социально-экономическое значение или стратегическое значение для обороны страны и безопасности государства. Технологии создания и обработки композиционных материалов также включены в этот перечень. В настоящее время доля России в мировом производстве и применении КМ составляет 3%, однако отрасль является одной из самых бурно развивающихся в России – прирост объемов продаж в 2007 году в целом составил 10,4%, а по отдельным видам продукции (трубы) достиг 45% в год. По прогнозам, в ближайшие 5 лет российский рынок КМ вырастет в 3 раза. При этом общемировой рынок растет в среднем на 4-5% в год. Неоспоримыми достоинствами композиционных материалов являются: - высокие удельные физико-механические характеристики; Возможность получения конечного материала с заданными свойствами, низкий удельный вес, высокое отношение предела прочности к весу, технологичность востребованы в судостроении, транспортном машиностроении и аэрокосмической технике. В структуре потребления стеклопластиков лидирующую роль играет строительный комплекс (35-38%) и машиностроение (30-34%). Значительную долю занимают электротехническая промышленность (10-14%) и жилищно-коммунальное хозяйство (7-9%), горнодобывающая и нефтегазовая отрасль занимают соответственно 3-6% и 2-4%. Цены на КМ сравнительно высоки, однако затраты окупаются достаточно быстро, т. к. ресурс работы изделия из КМ по сравнению с традиционно применяемыми материалами увеличивается минимум в 2-3 раза, а иногда и на порядок. Одновременно обеспечивается снижение энергозатрат и материалоемкости в 2-5 раз, что ведет к уменьшению средств, расходуемых на транспортировку и монтажные работы. Все вышеприведенные преимущества применения КМ демонстрирует опыт работы ООО НПП «Возрождение» (г. Пермь) по внедрению композиционных материалов и полимерных покрытий в технологическое оборудование для процесса обогащения (флотации) калийной руды ОАО «Сильвинит» и ОАО «Уралкалий». В приведенной ниже таблице показаны некоторые позиции оборудования, изготовленного ООО НПП «Возрождение» из композиционных материалов и находящегося в эксплуатации в условиях калийного производства, с указанием сроков службы и выигрыш в массе по сравнению с металлическим прототипом. Примеры образцов оборудования из металла, композиционных материалов и с применением полимерных покрытий продемонстрированы на рис. 1-5. Экономический эффект от внедрения указанного выше оборудования с использованием КМ отдельно не определялся, но в течение двух последних лет сроки остановок флотационной фабрики СКРУ-1 ОАО «Сильвинит» на ремонт и замену изношенных конструктивных элементов оборудования сократились с 20-25 до 10-15 рабочих дней. К сожалению, КМ имеют не только положительные стороны, но и недостатки, к которым в первую очередь относятся низкая теплостойкость и недостаточная огнестойкость. сильно ограничивающие область применения композиционных материалов на основе полимерных связующих. Природа большинства полимерных материалов такова, что их невозможно сделать полностью пожаробезопасными. Единственное что можно сделать – это снизить их способность к возгоранию и поддержанию горения. Для этой цели применяются добавки, затрудняющие воспламенение и снижающие скорость распространения пламени – антипирены. Их действие основано на изоляции одного из источников возгорания – тепла, горючего или кислорода. Самым эффективным способом решения указанных выше проблем является использование нанодобавок в виде углеродных наночастиц – нанотрубок, чешуек, сажи, т.е. создание нового класса материалов – нанокомпозитов, которые по сравнению с существующим полимерными и металлокомпозитами имеют ряд положительных свойств: - повышенную термостойкость; Повышение термостойкости и стойкости к горению обеспечивается высокими теплофизическими свойствами углерода вообще и углеродных нанотрубок в частности. Согласно опубликованным данным наличие 1% нанотрубок (по весу) приводит к увеличению теплопроводности на 125%. Такое же количество углеродных волокон в композите размером порядка 200 нм дает снижение эффекта в 3 раза. При сжигании наполненного и ненаполненного наночастицами композита разница между температурами, при которых достигалась 50% потеря массы достигала 140°С. При горении наполненных силикатных нанокомпозитов отсутствует выделение каких либо вредных для здоровья веществ. При их горении образуется углистый слой, являющийся барьером для распространения пламени, т.е. переводит композит в новый более высокий класс пожаробезопасности, что дает возможность существенно расширить область использования этих материалов.
ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ КАРМАН ФЛОТАЦИОННОЙ МАШИНЫ ИЗ СТЕКЛОБАЗАЛЬТОПЛАСТИКА
Материал: стеклобазальтопластик с полимерным покрытием Патент на изобретение № 2380165 Патент на изобретение № 2350397 СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫЕ РЕСИВЕРЫ ВАКУУМ ФИЛЬТРОВ
Материал: стеклопластик с полимерным покрытием ПОКРЫТИЕ АНТИАДГЕЗИОННОЕ СТОЙКОЕ К АБРАЗИВНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА ВАГОН "ДУМПКАР" Покрытие днищ вагонов, используемых при транспортировке руды и сыпучих на предприятиях горнодобывающего комплекса, обеспечивает:
Кроме того, ввиду очень высоких показателей физико-механических характеристик нанотрубок (модуль упругости до 5000 ГПа, прочность при растяжении до 500 ГПа) их введение в композит резко повышает механические свойства самого композита. Композиты с содержанием нанотрубок менее 0,5% могут быть в несколько раз легче алюминия, в 100 раз прочнее стали и в 7 раз прочнее традиционных углепластиков. Такие изменения физико-механических характеристик нанокомпозитов дают возможность использования их в отраслях, где их применение было ограничено: В то же время в традиционных отраслях использования КМ нанокомпозиты позволят существенно изменить характеристики аппаратов и повысить эффективность оборудования с их применением. Однако в настоящее время сложилась диспропорция в развитии нанодобавок и нанокомпозитов: если первыми занимаются солидные учреждения и организации, то вторые, как впрочем и все композиты в целом остаются в стороне «от большой науки», а работать здесь есть над чем. Нужны комплексные системы создания нанокомпозитов, технологические решения по введению нанодобавок, т.к. простое перемешивание не только не эффективно, но в некоторых случаях, например длинных нанотрубок, просто недопустимо. Нужны комплексные исследования нанокомпозитов по химической и термической стойкости, оценки влияния этих факторов на механические свойства, изменение свойств нанокомпозитов при длительной эксплуатации и многое другое. Одним из путей решения поставленных задач может быть создание научно-исследовательского и образовательного центра по комплексному исследованию и сертификации нанокомпозитов, публикации результатов исследований по заданиям заинтересованных предприятий региона, переподготовка инженерного состава, в первую очередь конструкторов и технологов. Для создания такого центра в регионе есть все предпосылки: При осуществлении данного проекта производство полимерных композиционных материалов в регионе получит мощный толчок в своем развитии, технологический уровень этого производства поднимется на более качественный уровень, возрастет конкурентность продукции региона как на внутреннем, так и на международном рынках. На сегодняшний день для реализации этого проекта необходима организующая структура, которая объединит и скоординирует разрозненные усилия отдельных предприятий и организаций, определит приоритеты развития отрасли.
Опубликовано в сборнике статей |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
