авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский ...»

-- [ Страница 2 ] --

PBO волокна ПБО волокна (поли-п-фенилен-2,6-бензобисоксазол) обладают почти в два раза большей прочностью на разрыв по сравнению с пара-арамидными волокнами. ПБО волокна были разработаны и производятся компанией Toyobo под торговой маркой Zylon. ПБО волокна обладают прекрасными показателями огне- и термостойкости, например, температура их термического разложения составляет 6500С, а предельный кислородный индекс (LOI) равняется 68 и является высочайшим среди существующих синтетических волокон по данным JCFA. Наибольшее применение ПБО волокна нашли в производстве защитной, огне- и термостойкой одежды.

Поликетоновые волокна Поликетоновое волокно – новый тип волокон, разработанный компанией Asahi Kasei Fibers Corp. (Япония) под торговой маркой Cyberlon. В 2009 году компания запустила пилотный завод производственной мощностью в 2000 тонн в год. Поликетоновые волокна, состоящие из этилена и монооксида углерода, обладают высокой прочностью, химической устойчивостью, изностостойкостью, устойчивостью к старению и гидролизу. При сжигании волокна разлагаются на воду и диоксид углерода. Поликетоновое волокно отлично прикрепляется к резине, поэтому данные волокна нашли применение при производстве шин, шлангов, защитных перчаток и композитных материалов (FRP и FRC). По информации Asahi Kasei еще одним преимуществом данного волокна является более низкая цена по сравнению с другими волокнами.

Структурные композиты Структурные композиты обычно состоят как из гомогенных, так и из композиционных материалов. Их свойства зависят не только от характеристик составляющих их компонентов, но и от геометрии конструкции и характера совмещения составляющих его элементов. Два наиболее распространенных примера таких структур – слоистые композиты (ламинаты) и сэндвичные панели.

Слоистые композиты (ламинаты) Состоят из двухмерных листов, или панелей, имеющих преимущественные направления, в которых их прочность максимальна, как это имеет место в дереве. Эти листы представляют собой полимеры, армированные непрерывными и однонаправленными волокнами. Листы накладывают друг на друга и связывают в единую конструкцию, причем ориентация волокон в отдельных листах различна.

Ламинирование может осуществляться с использованием различных материалов, таких как хлопок, бумага или тканые стеклянные волокна, которые армируют полимерную матрицу. Поэтому в двумерных плоскостях прочность ламинатов довольно высокая и примерна одинаковая. Однако прочность в любом направлении, конечно, ниже, чем если бы она определялась в листе с однонаправленной ориентацией волокон.

Сэндвичные панели Сэндвичная панель образуется двумя тонкими лицевыми листами или плоскостями, разделенными и одновременно связанными с более крупным центральным ядром. Наружные слои (облицовка) делаются из относительно жесткого и прочного материала, например, алюминиевых сплавов, пластиков, армированных волокнами, титана, стали или фанеры. Они придают конструкции высокий уровень жесткости прочности, и должны быть достаточно толстыми, чтобы воспринимать растягивающую или сжимающую нагрузку при нагружении внешними силами. Материал ядра как правило более легкий и обычно для него характерен низкий модуль упругости. Для изготовления центральной части сэндвичных панелей обычно используют один из трех материалов:

Жесткие пенопласты (вспененные полимерные материалы на основне фенольных, эпоксидных смол или полиуретанов);

Дерево (например, бальза);

Сотовые конструкции.

Центральное ядро сэндвичной конструкции выполняет несколько функций:

Создает эффект сплошной конструкции, связывая лицевые панели между собой;

Противостоит перпендикулярным сдвиговым напряжениям;

Противодействует вспучиванию панели.

Сотовая конструкция является одним из наиболее популярных видов ядра, используемого при производстве сэндвичных панелей. В качестве материала, из которого изготавливают соты, как правило, используется алюминиевые сплавы и арамид.

Наноматериалы 1.1. Наноматериалы – материалы, созданные с использованием наночастиц и/или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале.

Нанообъект – объект, линейный размер которого хотя бы в одном измерении составляет порядка 1-100 нм.

Наносистема – система, содержащая структурные элементы размером порядка 1-100 нм, определяющие ее основные свойства и характеристики в целом. К разряду наносистем относятся, в том числе наноустройства и наноматериалы.

Согласно седьмой Международной конференции по нанотехнологиям наноматериалы выделяют следующие типы: нанопористые структуры, наночастицы, нанотрубки и волокна, нанодисперсии, наноструктурированные поверхности и пленки, нанокристаллы и нанокластеры. Все перечисленные наноматериалы можно условно разделить на группы по количеству измерений:

- объемно-пространственные структуры (3D) (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры);

- плоскостные структуры (2D) (тонкие пленки, поверхности разделов);

- одномерные структуры (1D) ( вискеры, нанотрубки);

- нульмерные и квазинульмерные структуры (0D) (квантовые точки, сфероидные наночастицы).

Подробная типология наноматериалов, имеющих промышленное применение, а также описание их свойств и направлений применения представлены на рисунке 19.

Рисунок 19 — Типология наноматериалов и основные сферы их применения Материалы, полученные из биологического сырья 1.1. Под биотехнологическими материалами (bio-based materials) в настоящей работе понимаются материалы, полученные из растительного сырья, для переработки которых используются либо биологические процессы, либо химические технологии20. К биотехнологическим материалам также относятся биоматериалы, биокомпозиты и волокна, получаемые из натурального сырья с помощью биотехнологий. Основным критерием для формирования данной классификации биотехнологических материалов является наличие и переработка возобновляемого сырья (как растительного, так животного происхождения), а также использование биотехнологий. Предложенная классификация представлена на рисунке 20.

Био-полиамиды, полигидрооксиалконоаты, Биополимеры на полигидрооксибутираты, полилактиды, основе полимеры на основе фурана и др.

растительного сырья Материалы для создания искусственных органов Материалы для клеточной и Материалы для депонирования и контролируемой тканевой инженерии доставки лекарственных препаратов Биотехнологические (Биоматериалы) материалы Древесно-полимерные композиты Биокомпозиты Биокерамические материалы Волокна из возобновляемых ресурсов Волокна, получаемые за счет биотехнологий Рисунок 20 — Классификация биотехнологических материалов Материалы Американского общества определения материалов. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

(http://www.bpiworld.org/resources/Documents/PROiaelB[1].pdf). Дата обращения.13.08.2013.

Биотехнологии — это производство необходимых человеку продуктов и материалов с помощью живых организмов, культивируемых клеток и биологических процессов21. Возможности биотехнологий необычайно велики благодаря тому, что их методы экологически чистые, решают проблему утилизации и др.

Биополимеры/биопластики К биополимерам/биопластикам относятся полимеры, обладающие возможностью разложения на природные элементы путем химического, физического или биологического воздействия22. Именно это свойство и позволяет решать проблему утилизации отходов.

В области разработки биоразлагаемых полимеров можно выделить следующие основные направления:

получение полиэфиров гидроксикарбоновых кислот;

получение пластмасс на основе воспроизводимых природных полимеров.

Биоматериалы Разработка новых биоматериалов обусловлена существующим высоким спросом на полимерные материалы для различных отраслей и, прежде всего, медицины23. Сегодня остро востребованы биосовместимые материалы для общей и сердечно-сосудистой хирургии, для изготовления протезов кровеносных сосудов, искусственных клапанов сердца, систем искусственного Рабочие материалы к стратегии развития биотехнологической отрасли промышленности до 2020 года.

[Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://www.biorosinfo.ru/strategija-razvitija-biotekhnologicheskojj-otrasli promyshlennosti-v-rossijjskojj-federatsii-do-2020-g-strategija-bio-2020/). Дата обращения 13.08.2013.

Балов А., Ашипина О. Мировой рынок биополимеров // The Chemical Journal. – 2012. - №3. – c. 48-53.

Волова Т.Г., Материалы для медицины, клеточной и тканевой инженерии. – электр. уч. пособие. – Красноярск: ПСК СФУ, 2009. – 262 с.

и вспомогательного кровообращения, для ортопедии и стоматологии и др. сфер медицины.

К биоматериалам относятся материалы для создания искусственных органов, материалы для депонирования и контролируемой доставки лекарственных препаратов.

Биокомпозиты – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, керамической или другой основы (матрицы) и армированные наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов и тонкодисперных частиц.

В зависимости от функционального назначения используются в медицине (эндопротезирование, ортодонтия), строительстве, автомобилестроении и т.д.

К биокомпозитам относятся древесно-полимерные композиты и, так называемая, биокерамика, при создании которой живые клетки высевают на биокерамическую основу.

Волокна из растительного сырья – класс материалов, состоящий из непрядёных нитей материала или длинных тонких отрезков нити, полученных из растительного сырья. К волокнам из возобновляемых ресурсов относятся волокна на основе хлопка, льна, пенька, полилактидные волокна. И хотя перечисленные волокна давно и широко используются в текстильной промышленности, применение новых технологий обработки позволяет сделать производство более ресурсоемким и безотходным24.

Представленная классификация достаточно условная. Тем не менее, она позволяет определить перспективные направления в сфере биотехнологических материалов.

Перепелкин К.Е., Синтетические волокна: новые технологии (часть 1). [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=4202). Дата обращения 14.08. Новые синтетические материалы 1.1. Синтетические материалы25 – это материалы на основе полимеров, способные под влиянием повышенных температур и давления принимать заданную форму и сохранять ее в обычных условиях. Главным преимуществом синтетического материала перед всеми другими сопоставимыми с ними материалами является небольшой вес в соотношении с нагрузкой.

В настоящее время появилось большое количество новых синтетических материалов, что обусловлено как возросшими потребностями промышленности, так и совершенствованием научно-технической базы26.

К новым синтетическим материалам относятся: перспективные полимерные материалы, новые синтетические волокна, полимерные связующие, которые представлены на рисунке 21.

•полимерно-битумные вяжущие •теплоизоляционные перспективные материалы полимерные материалы •геосинтетика •новые упаковочные материалы Новые •высокомодульные волокна новые •волокна со скрытой синтетические синтетические извитостью волокна материалы •эластичные волокна •термопласты полимерные •термореактопласты связующие •эластомеры Рисунок 21 — Типология новых синтетических материалов Аналитические материалы портала rupec.ru. [Электронный ресурс] Режим доступа: (www.rupec.ru) Дата обращения 7.08. Воробьев, В.А., Андрианов Р.А. Полимерные теплоизоляционные материалы. М. 1972. [Электронный ресурс].

Режим доступа: (http://www.allbeton.ru/)/. Дата обращения: 7.08. Перспективные полимерные материалы. Развитие новых отраслей промышленности, повышенные требования к эксплуатационным свойствам изделий обусловили необходимость разработки новых полимерных материалов.

В качестве перспективных полимерных материалов мы выделили полимерно битумные материалы, основное назначение которых – дорожное строительство;

полимерные теплоизоляционные материалы – строительство жилых зданий и сооружений с повышенными требованиями к энергоэффективности;

геосинтетические материалы – строительство инфраструктурных объектов;

новые упаковочные материалы – индустрия упаковки с повышенными требованиями к утилизации конечных изделий.

Полимерно-битумные материалы27 представляют собой синтетическую или стекловолокнистую основу, на которую с двух сторон наносится битумно полимерное связующее. Материалы обладают повышенной устойчивостью к температурным и механическим деформациям и 100%-герметичностью.

Применяются в строительстве автодорог, зданий и сооружений.

Полимерные теплоизоляционные материалы28 Производство полимерных теплоизоляционных материалов освоено сравнительно недавно. В значительном объеме эти материалы стали выпускать лишь в течение последних одного-двух десятилетий. В настоящее время производство их расширяется быстрыми темпами и является высокоперспективным.

Теплоизоляционные материалы, основную массу которых составляют полимеры, часто называют газонаполненными пластмассами.

характеру структуры теплоизоляционые материалы подразделяют на пенопласты, поропласты и сотопласты. Пенопласты—материалы, имеющие ячеистое строение с несообщающимися, замкнутыми порами. Поропласты Строительные материалы. [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://sroasp.ru). Дата обращения 07.08. Материалы сайта. [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://engineering.ua/library/polimernye teploizolyacionnye-materialy) Дата обращения 07.08. имеют сообщающиеся поры. Такое деление весьма условно, так как материал одновременно может иметь как сообщающиеся, так и замкнутые ячейки.

Сотопласты—газонаполненные пластмассы с регулярно повторяющимися полостями правильной геометрической формы.

полимеры Геосинтетические – Геосинтетические материалы (геосинтетики) это обширная группа полимерных материалов, предназначенные для улучшения физических, механических и гидравлических характеристик грунтов. Геосинтетики - это материалы, в которых хотя бы одна из составных частей изготовлена из полимеров, применяемых в геотехнике и инжиниринге окружающей среды, промышленном и гражданском строительстве. Основными исходными полимерами для многих геосинтетиков являются полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), полиэстер (PES), поливинилалкоголь (PVA) и арамид (A).

К основным группам геосинтетических материалов относятся:

геотекстили;

георешетки;

геомембраны;

геокомпозиты. Поле для применения геосинтетиков каждого типа и их комбинаций чрезвычайно обширно. Зачастую они обеспечивают единственно возможное решение при строительстве автомобильных и железных дорог, хранилищ бытовых и промышленных отходов, дамб и плотин, резервуаров для воды или химикатов, укреплении берегов и откосов, гидроизоляции сооружений.

Использование геосинтетиков снижает затраты на строительство и эксплуатацию. Вне зависимости от области применения, использование геосинтетических материалов обеспечивает сокращение объемов работ, использование привозных материалов, и позволяет реализовать проект в кратчайшие сроки при жестком контроле качества работ.

На сегодняшний день, применение геосинтетических материалов Материалы сайта. Геосинтетические полимеры. [Электронный ресурс].

(www.areangeo.ru/m/20/geosinteticheskie_materialy.html). Дата обращения 7.08. является самой распространенной во всем мире технологией строительства объектов природоохранного назначения.

Новые упаковочные материалы – традиционные синтетические материалы с биоразлагаемыми добавками, способствующие быстрой деградации конечных изделий в окружающей среде и являющихся способом разрешения проблемы твердых бытовых отходов.

Новые синтетические волокна30 – волокна, получаемые из синтетических полимеров. К новым синтетическим волокнам относятся высокомодульные волокна, волокна со скрытой извитостью, волокнистые наполнители и эластичные волокна.

связующие Полимерные — это синтетические или природные органические материалы, способные самопроизвольно или под действием различных факторов (веществ-отвердителей, температуры и др.) переходить из жидкого состояния в твердое, и как в жидком состоянии, так и после отвердевания имеющих хорошую адгезию к другим материалам.

Основной вид полимерных связующих — синтетические полимеры, получаемые из низкомолекулярных продуктов (мономеров) полимеризацией или поликонденсацией. Природные смолы и высокомолекулярные вещества применяют как в естественном состоянии, так и после химической модификации, придающей им необходимые свойства — модифицированные природные полимеры.

В зависимости от отношения к нагреванию и потенциальной способности к укрупнению (сшивке) молекул различают термопласты и термореактопласты.

Термопластичные вещества при нагревании переходят из твердого состояния в жидкое (плавятся), а при охлаждении вновь затвердевают, причем такие Материалы сайта. Синтетические волокна. [Электронный ресурс] ( http://www.ref.by/refs/93/21906/1.html). Дата обращения 7.08. Материалы сайта. [Электронный ресурс]. ( http://www.bibliotekar.ru/spravochnik-96-polimerbeton/3.htm). Дата обращения 7.08.2013.

переходы могут повторяться много раз. Термопластичность объясняется линейным строением молекул, их химической инертностью и довольно слабым межмолекулярным взаимодействием.

Термореактопластами называют материалы, у которых переход из жидкого состояния в твердое происходит необратимо;

при этом у них меняется молекулярная структура: линейные молекулы соединяются в пространственные сетки — гигантские макромолекулы.

Среди синтетических полимеров отдельную группу составляют каучуки и каучукоподобные полимеры, характеризующиеся очень большой деформацией и высокоэластичными свойствами, из-за чего их называют эластомерами.

Сверхпроводники 1.1. Сверхпроводник — материал, который при понижении температуры до некоторой критической величины приобретает свойство сверхпроводимости, в результате чего электрическое сопротивление полностью исчезает.

Схематическое изображение распределения поля вблизи односвязного металлического образца на трёх последовательных этапах опыта: а) образец находится в нормальном состоянии, внешнее поле свободно проникает в глубь металла;

б) образец охлаждается ниже Тс, магнитное поле выталкивается из сверхпроводника, тогда как в случае идеального проводника распределение поля оставалось бы неизменным;

в) внешнее поле выключается, при этом исчезает и намагниченность сверхпроводника представлено на рисунке 2232.

Рисунок 22 — Схематическое изображение распределения поля вблизи односвязного металлического образца В случае идеального проводника поток магнитной индукции через образец сохранил бы свою величину, и картина поля была бы такой же, как у постоянного магнита.

Шмидт В.В. Введение в теорию сверхпроводников. М., В зависимости от величины критической температуры выделяются 2 типа сверхпроводников:

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) — сверхпроводники, имеющие критическую температуру выше 30К, что позволяет охлаждать их жидким водородом, кроме того активно развивается направление материалов, проявляющих сверхпроводимость при температурах выше чем температура кипения азота Низкотемпературные сверхпроводники (НТСП) — сверхпроводники, имеющие критическую температуру ниже 30К Подробная типология сверхпроводников, имеющих промышленное применение, а также описание новых/улучшенных свойств и направлений применения представлены на рисунке 23:

Тип материалов Материал Новые/ улучшенные Потенциальные свойства сферы применения • Силовые кабели • Сверхпроводимость • SMART-grid ВТСП пленки 2G • Критическая температура устройства (водород, азот) ВТСП • Магниты • Размер • Генераторы • Критический ток Powder in tube • Ветрогенераторы • Цена/потенциал • Научные приборы удешевления MgB Сверхпроводники • Томографы • Сверхпроводимость • Научные приборы • Размер Nb-Ti • Магниты • Критический ток • Цена/потенциал НТСП удешевления Nb3Sn Рисунок 23 — Типология сверхпроводников Одновременно с этим все сверхпроводники подразделяют на сверхпроводники первого поколения (1G) и сверхпроводники второго поколения (2G). Рассмотрим каждый тип сверхпроводников более подробно.

Сверхпроводники второго поколения (2G) - оксид иттрия-бария-меди/ YBCO, - часто именуемые «лентами с покрытием», являются на сегодняшний день самым перспективным направлением развития технической сверхпроводимости. Основное фундаментальное преимущество 2G заключается в том, что они обладают максимальной плотностью критического тока. Силовое оборудование, созданное на их основе, может иметь размеры в несколько раз меньшие, чем аналогичное оборудование традиционного исполнения, притом при более высоком уровне мощности и сокращении потерь энергии. В сравнении с 1G, 2G могут работать в высоких полях и стоимость материалов в проводе 2G ниже стоимости материалов в проводе 1G. Основной недостаток 2G, заключается в сложной технологии изготовления проводного материала на их основе и высокой стоимости, что не позволяет сегодня создать конкурентоспособные промышленные образцы массового применения 33.

Первые длинномерные провода 1G были созданы давно. Сегодня технология их производства («порошок в трубе/ Powder in tube») достаточно хорошо развита, в мире выпускаются сотни километров провода, которые идут на создание сверхпроводникового электротехнического оборудования – кабели, токоограничители, магниты. Однако провода 1G более чем на 2/3 состоят из чистого серебра, что исключает значительное снижение их стоимости в будущем. Следующий недостаток в разрушении сверхпроводимости в BSCCO (оксид висмута-стронция-кальция-меди) во внешнем магнитном поле. Это ограничивает спектр применения сверхпроводников первого поколения И.А. Ковалёв, С.А. Лелехов, Н.А. Черноплёков и др., Оценка возможности создания подводной ВТСП линии электропередачи постоянного тока мощностью 1 ГВА с рабочим напряжением 500 кВ /Сборник трудов «Российский электротехнический конгресс», секция 9, С. 16.

устройствами с относительно слабыми рабочими магнитными полями и делает бесперспективным изготовление на их основе таких изделий как генераторы, моторы, накопители энергии и другие.34 Диборид магния (MgB 2 ) ионное бинарное соединение, которое является недорогим и полезным сверхпроводником. Его критическая температура ( T C ) из 39 K (-234 ° C;

-389 ° F) является самой высокой среди обычных сверхпроводников. Этот материал был впервые синтезирован и получил подтверждение структуры в 1953 году, но его сверхпроводящие свойства не были обнаружены до 2001 года.

Электронная структура такова, что существуют два типа электронов на уровне Ферми с сильно различающимися формами поведения, одна из них (сигма-связь) будучи гораздо сильнее сверхпроводящие, чем другие ( пи связей).Это имеет разногласия с обычными теориями сверхпроводимости, которые предполагают, что все электроны ведут себя одинаково. Интерметаллид ниобий-олова (Nb3Sn) и ниобий титана (NbTi) сверхпроводники второго рода. Они работают при температуре жидкого гелия, то есть при 45 градусах выше абсолютного нуля. Магнитное поле в таких сверхпроводниках не разрушает структуру проводника, а вызывает появление тонких включений нормального металла, несущих магнитное поле. Эти материалы традиционно используются для получения сильных высокоточных магнитных полей, поскольку при прохождении по сверхпроводнику сильных токов, создающих сильные магнитные поля, отсутствуют тепловые потери. Sakai N., Mase H., Ikuta H., et al. // Supercond. Sci. Technol. - 2000. - Vol. 13. - P. 770-773.

Ren Y., Weinstein R., Sawh R., Liu J. // Phys. C. - 1997. - Vol. 282-287. - P. 2301.

URL:en.wikipedia.org/wiki/Magnesium_diboride URL:www.path-2.narod.ru/02/06/base/0027.htm Технологии производства и основные производители новых 1. материалов на российском и мировом рынках Композиционные материалы 1.2. Технологии производства композиционных материалов различаются в зависимости от типа используемого связующего материала и типа применяемых волокон.

Технологии, применяемые при производстве полимерных композиционных материалов наглядно представлены на рисунке 24.

Рисунок 24 — Технологии, применяемые при производстве полимерных композиционных материалов Growth Opportunities in Global Composites Industry 20112016, Lucintel Report, Февраль С точки зрения мощности, наиболее перспективными представляются технологии литья под давлением и инфузии для производства панелей (в том числе сендвич-панелей), как видно из рисунка 25.

Рисунок 25 — Матрица технологий, применяемых при производстве полимерных композиционных материалов В таблице 8 приведены объемы мирового производства композиционных материалов в разрезе применяемых технологий.

Таблица 8 — Объем мирового производства композиционных материалов в разрезе применяемых технологий, 2010 год Процесс Объем Объем Средняя цена, производства, производства, USD/кг тыс. тонн млн. USD Литьё под 1164 6861 5, давлением Ручная выкладка 912 8560 9, Growth Opportunities in Global Composites Industry 20112016, Lucintel Report, Февраль Процесс Объем Объем Средняя цена, производства, производства, USD/кг тыс. тонн млн. USD SMC/BMC 727 4926 6, Напыление 642 4204 6, Препрег 627 11115 17, Намотка 582 4779 8, Контактное 421 3338 7, формование Формование 318 1702 5, панелей Пултрузия 205 1097 5, Thermoplastic 146 1245 8, Comp Прочие 162 1287 7, ВСЕГО 5906 49116 8, Хотя любые методы, представленные в таблице 4, могут быть использованы на различных стадиях и для производства основных компонентов, доминируют более дешёвые методы. Однако для ключевых компонентов востребованы более дорогие и дающие высокое качество методы.

В таблице 9 представлено краткое описание каждой технологии.

Таблица 9 — Технологии, применяемые для производства композиционных материалов Тип матрицы Тип Технология Краткое описание волокон Реактопласты Короткие Смолы смешиваются на высокой SRIM волокна скорости прямо перед инжекцией, после чего по давлением заливаются в форму, содержащую волокнистые заготовки Изготовление композитов из BMC пасты, содержащей смолу, наполнители и армирующие волокна с помощью прессования или инжекции Тип матрицы Тип Технология Краткое описание волокон В форму с помощью спрея Spray-Up (Напыление) наносятся жидкие смолы, после чего сверху распыляются армирующие материалы, которые затем прокатываются валиком.

После чего процесс повторяется сначала, пока не будет достигнута требуемая толщина Изготовление композитов из SMC листового материала из смолы, наполнителей и армирующих волокон с помощью прессования в крупногабаритные корпусные детали Длинные Между матрицей и пуансоном RTM волокна укладываются сухие волокна, затем под давлением инжектируются смолами. После отверждения изделия извлекается для механической обработки Смесь из волокон и смол Centrifugal постепенно заливается во Casting (центробежное вращающийся цилиндр, где за счет литьё) центробежных сил происходит пропитка и отвердевание начала наносится защитный слой Hand Lay-Up (ручная (гелькоут), после его застывания выкладка) укладывается раскроенный армирующий наполнитель (угле-, стекловолокно), после чего заготовка пропитывается смолами, раскатывается валиком и извлекается из формы Сначала осуществляется выкладка Pre-Preg Lay Up (выкладка препрегов для получения препрега) необходимой формы, связывание их разогретой смолой. После этого заготовка отвердевает и Тип матрицы Тип Технология Краткое описание волокон подвергается механической обработке Материалы будущего композита Vacuum выкладываются в сухом виде в Infusion (Вакуумная оснастку, затем накладывается инфузия) вакуум, до ввода смолы. Как только достигается полный вакуум, смола засасывается в ламинат по специальным трубкам Намотка пропитанных смолами Roll Wrapping волокон вокруг сердечника. После чего заготовка обматывается ламинатом для равномерного застывания без растяжений Основной материал, армирующие SCRIMP волокна и прочие добавки загружаются в оборудование, где подлежат сушке, при этом они накрываются вакуумным мешком.

После чего при сохранении вакуума подается смола для скрепления слоев Куски препрегов укладываются в Bladder форму (вогнутую) в виде шара, Molding форма закрывается и помещается в разогретый пресс. Материал сдавливают стенки формы, после чего он отвердевает, создавая полые изделия Термопласты Короткие Продавливании смеси основного Extrusion волокна (Экструзия) материала, армирующих добавок и смол, через формующий инструмент (экструзионную головку, фильеру). На выходе получается изделие с поперечным сечением требуемой формы Длинные Разогретая смесь смол, основного Transition волокна материала и армирующих Forming Тип матрицы Тип Технология Краткое описание волокон составляющих заливается в форму и остывает. По достижении температуры перехода из вязкого состояния в твердое заготовка извлекается из формы Материал, содержащий Compression армирующие волокна помещается Molding (прямое в пресс-форму. Форма закрывается прессование) и подвергается прессованию под действием температуры и давления Воздействие валками Roll Forming (гибка) профилегибочных агрегатов на заготовку для получения композитного изделия гнутого профиля Thermoforming Разогретый листовой материал (термо- располагается над (под) матрицей, формование) после чего он подлежит нагреву до заданной температуры и начинает повторять форму матрицы, при этом создается ваккумное пространство между листом и самой матрицей Прочие Короткие Материалы для заготовки Injection материалы волокна Molding (литьё заливаются в разогретую бочку, под смешиваются и выливаются в давлением) пресс-форму, где они затвердевают согласно геометрии формы Длинные Волокна наматываются на Filament волокна вращающийся сердечник под Winding (намотка) определенным заданным углом.

Наилучшая технология для производства цилиндрических изделий Волокна пропитанные смолой Pultrusion (Пултрузия) протягиваются через матрицу.

Тип матрицы Тип Технология Краткое описание волокон Волокна проходят через разогретую матрицу и поэтому на выходе либо частично, либо полностью отвердевают В целом, при рассмотрении развития технологий производства ПКМ и изделий из них в гражданских отраслях промышленности за рубежом, можно выделить следующие основные тенденции:

Широкое применение информационных технологий на всех стадиях создания ПКМ и изделий из них. Так, за рубежом активно ведутся работы по усовершенствованию имеющихся и созданию нового программного обеспечения по моделированию технологических процессов изготовления ПКМ и изделий из них;

появляются новые разработки программного обеспечения для расчета изделий из ПКМ, прогнозирования работоспособности изделий и конструкций в условиях эксплуатации. Уже в настоящее время наблюдается увеличение использования современных программно-аппаратных комплексов для управления технологическим процессом (как отдельными операциями, так и технологическим циклом в целом). Ведутся работы по созданию высокоавтоматизированных, роботизированных линий, сочетающих различные типы технологического оборудования и различные технологии, в том числе для изготовления гибридных материалов.

Увеличение автоматизации производств, применение роботов с более широкими возможностями. В последнее время наблюдается увеличение автоматизации производства с целью снижения расходов, и повышения качества изделий за счет исключения «человеческого фактора». Постоянно расширяются возможности роботов применяемых для автоматизированной выкладки. Активно применяются роботы для изготовления плетеных преформ сложной геометрии, для изготовления сложных изделий методом намотки, при построении непрерывных производственных линий сочетающих различные технологии при изготовлении одного изделия.

Развитие технологий вторичной переработки и утилизации ПКМ и изделий из них. Значительный объем рынка ПКМ, и широкая сфера применения изделий стали причиной все более остро встающего вопроса о вторичной переработке и утилизации изделий из ПКМ. Особенно остро данная проблема стоит перед странами ЕС и США, из-за жесткого экологического законодательства и ресурсосберегающей технологической политики государства. Развитие технологий вторичной переработки ПКМ и изделий из них имеет значительные перспективы, поскольку позволяет не только решать проблему утилизации отходов производства, и вышедших из строя изделий, но и позволяет привлекать значительные объемы вторичного сырья в производство, что способно повысить экономическую эффективность производства целого ряда изделий. В настоящее время ведутся активные работы по созданию процессов регенерации армирующих наполнителей из ПКМ, и их вторичному использованию, как в виде коротковолокнистого армирующего наполнителя, так и в виде нетканых форм. Ведутся работы по разработке термореактивных связующих, подлежащих вторичной переработке, как на полиэфирной, так и на эпоксидной основе, а также работы по созданию экономически эффективных технологий вторичной переработки ПКМ и изделий из них на основе термореактивных и термопластичных матриц.

Значительное внимание уделяется вопросам использования продуктов вторичной переработки ПКМ в различных материалах и изделиях.

Повышение экологической безопасности производства и применение ресурсосберегающих технологий.

Значительное внимание в странах ЕС и США уделяется вопросам повышения экологической безопасности производства ПКМ и изделий из них.

Разработаны технологии расплавных связующих для изготовления препрегов, активно внедряются технологии использования связующих с низким содержанием вредных веществ (эпоксидные смолы с низким содержанием стирола и безстирольные, безкобальтовые катализаторы, полиимидные связующие не содержащие метилендианилин), а также оборудование и технологические процессы, позволяющие снижать количество энергии на единицу продукции и повышать коэффициент использования материала.

Относительно перспектив развития полимерных композиционных материалов применяемых в гражданских отраслях промышленности, можно выделить ряд общих тенденций, характерных в той или иной степени для рынков ПКМ в Азии, Европе и Америке.

Увеличение доли ПКМ на основе термопластичных матриц.

На протяжении последних десяти лет наблюдается тенденция увеличения доли термопластичным полимеров в общем объеме полимерных матриц для ПКМ. Это связано с необходимостью решения вопросов вторичной переработки и утилизации ПКМ и изделий из них, а также с развитием высокопроизводительных технологий массового производства изделий из ПКМ. Однако термореактивные смолы по прежнему имеют ряд преимуществ и производители продолжают исследования и разработку данных продуктов.

Использование материалов с интегрированными датчиками контроля напряженно-деформированного состояния и умных ПКМ.

В течение эксплуатационного периода строительные конструкции подвергаются воздействию рабочих нагрузок, а также нагрузок природного происхождения (землетрясение). Усиление конструкций позволяет продлить срок эксплуатации зданий сооружений (особенно памятников архитектуры), восстановить несущую способность.

В настоящее время в России преимущественно используется традиционная технология, включающая установку тяжелых стальных конструкций с механическими связями обоймы (хомуты) и химическими системами крепления. К сожалению, усиление металлом увеличивает нагрузку на конструкции, а в процессе эксплуатации эффективность данного вида усиления уменьшается, что ведет к ухудшению эксплуатационных и прочностных характеристик строительных конструкций.

Новая технология усиления строительных конструкций системами холодного отверждения, армированных углеродными наполнителями, становится все более распространенной при ремонте и восстановлении зданий и сооружений из железобетона, за счет низкой стоимости и высокой эффективности, что было показано в конце 90-ых во время землетрясений в Японии и на Тихоокеанском побережье США. Наличие высокого модуля упругости углеродных волокон позволяет уменьшить деформации и изгибающие моменты, возникающие в балках, плитах перекрытия и др.

конструкций зданий и сооружений из железобетона или камня.

В течение срока эксплуатации строительных объектов регулярно проводится контроль за состоянием конструкций. В настоящее время контроль за состоянием конструкций осуществляется с помощью визуальных методов: с применением сигнальных меток, с помощью тензорезисторных устройств.

Данный контроль проводится дискретно (не является непрерывным) и возможен только при обследовании конструкции, при этом контроль осуществляется в локальных областях.

Проведенные исследования элементов строительных конструкций, армированных углепластиком с введенными сенсорными элементами на основе ВБР, показали, что при оценке напряженно-деформированного состояния элементов строительных конструкций рекомендуется применять мониторинговую систему:

для регистрации проходящих через сечение дороги транспортных средств, а также определения параметров транспортных потоков;

для весового и скоростного контроля автотранспорта, контроля колее образования;

при армировании подземных пешеходных переходов, проходящих под автомобильными и железными дорогами, для мониторинга изменения напряженно-деформированного состояния элементов конструкций;

в составе строительных конструкций после строительства, реконструкции, модернизации или ремонта;

в мостовых сооружениях для определения деформаций материала (бетона, стали, клеев, швов), вызванных длительными процессами (релаксации, усадки и ползучести бетона). Также от воздействия временной нагрузки (проходящего транспорта, от фиксированной – специально установленной нагрузки), характеризующей жесткостные показатели конструкции. Для определения динамических характеристик конструкций (частоты, амплитуды, ускорения колебаний), вызванных воздействием проходящего транспорта по сооружению или специальной прилагаемой фиксированной нагрузки. Для контроля сохранения формы конструкции, перемещений (выгибов) элементов из вертикальной плоскости;

в составе конструкций для выявления деформаций, вертикальных перемещений материала в местах дефектов (трещин, концентрации напряжений и др.), влияющих на характер работы элементов конструкций, от постоянной нагрузки во времени и от воздействия временной нагрузки;

для контроля угловых перемещений высотных зданий, массивных вантовых сооружений в статических и динамических режимах.

На практике применение композитов с интегрированными волоконно оптическими датчиками на основе брэгговских решеток представляется несколькими путями:

использование отвержденных ламелей из композита и интегрированными волоконными датчиками.

- ручная укладка оптических датчиков между слоями композита.

Наиболее технологичным является способ использования заранее подготовленных ламелей, которые могут закрепляться различными способами на поверхностях различных конструкций.

При проведении укрепления строительных конструкций методом оклейки слоями композита подготовленные ламели с волоконными датчиками могут быть расположены между слоями укрепляющего композита.

Новые усиливающие полимерные материалы и система мониторинга также могут быть установлены как во время строительства, так и на уже возведенных конструкциях. Встроенные датчики деформации могут быть установлены внутрь железобетонной конструкции при её формовании или на внешней поверхности контролируемого элемента. Система мониторинга может использоваться для контроля жилых зданий, многофункциональных комплексов, высотных зданий, строительных сооружений различного назначения (мосты, туннели и другие), а также для наблюдений за динамикой раскрытия трещин.

Наноматериалы 1.2. В настоящее время технологии производства наноматериалов в России и мире разнообразны. Среди них можно выделить следующие способы получения материалов различных структур.

Одним из основных методов получения материалов с объемно пространственной структурой (3D структурой) является – формование прессом изделий из наноструктурированных порошков (ультрадисперстных порошков УДП).40 Совмещение процессов формования и спекания или проведение спекания под давлением позволяет достигать больших значений плотности, в том числе и близких к теоретическому значению при использовании меньших температур нагрева. Наиболее простой способ – спекание при одноосном приложении давления. Так, при проведении спекания нанопорошка железа под давлением прессования до 400 МПа температура спекания, при которой отсутствует пористость, снижается с 700 до 350 оС, а размер зерна изделий уменьшается с 1,2 мкм до 80 нм. Схема установки, разработанной в ИМЕТ РАН, для спекания нанопорошков под давлением приведена на рисунке 26.

В случае металлических нанопорошков для активации процесс проводят в вакууме или восстановительной атмосфере.

Соколов В.М., Технологии изготовления объемных наноматериалов, ТПУ, Томск, 1- вход инертного или реакционного газа, 2- формовка, 3- наковальня, 4 нагревательный элемент, 5- вывод газа, 6- рабочая камера, 7- термопара, 8 пуансон, 9- сильфон, 10- герметизирующая прокладка Рисунок 26 — Схема установки, разработанной в ИМЕТ РАН для спекания нанопорошков под давлением Для получения плоских планарных материалов (2D структур) широко применяется нанолитография. При этом принцип литографии остается неизменным. Технологическая схема включает в себя: источник излучения, оптическую систему, маску, фокусирующую систему и подложку с нанесенным фоторезистом. На рисунке 27 приведена принципиальная схема литографии с применением источника, маски и «позитивного» резиста.

Забелин С.Ф., Дорожков А.А., Совершенствование технологии получения металлических имплантатов биомедицинского назначения, Ученые записки ЗабГГПУ, Рисунок 27 — Принципиальная схема литографии Одним из перспективных методов литографии является безмасочная литография. Безмасочная литография не требует заранее подготовленного шаблона, структура подложки полностью определяется управляющей программой. Подразумевает последовательное прорисовывание каждого элемента направленными пучками заряженных частиц или типы АСМ (атомно силового микроскопа).

Газофазный синтез – один из способов получения наноматериалов с одномерной структурой (1D структура). В основе этого метода лежит испарение металла, сплава или полупроводника при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи холодной поверхности или на ней. Схема установки лазерной абляции для получения углеродных нанотрубок приведена на рисунке 28.

Рисунок 28 — Схема установки лазерной абляции для получения углеродных нанотрубок Импульсное лазерное осаждение считается методом, который сможет прийти на смену газофазному осаждению. Суть метода импульсного лазерного осаждения состоит в том, что в течение импульса лазерный луч, проходя через кварцевое окно, попадает в вакуумную камеру и фокусируется на поверхности мишени, нагревая, а, затем, испаряя часть вещества, которое затем осаждается в виде слоя на подложке, как показано на рисунке 29.

Рисунок 29 — Принцип импульсного лазерного осаждения Для получения наноматериалов с нульмерной структурой (0D структуры) применяются следующие методы – механохимический, детонационный синтез и электровзрыв. В основе этих методов лежит механическая обработка твердых смесей, измельчение и пластическая деформация веществ с помощью мельниц.

Воздействие импульсное, только в момент соударения частиц (рисунок 30) 42.

а) барабанная, б) роликовая, в) кольцевая, г) бегуны, д) молотковая, е) пальцевой дезинтегратор, ж) барабанная, з) струйная Рисунок 30 — Схемы мельниц Лукашин А.В., Елисеев А.А., физические методы синтеза наноматериалов, МГУ, Москва, Как методы, способные заменить механохимические рассматриваются чисто химические методы синтеза. Одним из перспективных химических методов синтеза можно выделить метод – химического парофазного осаждения (CVD метод) – позволяет получать 2D-наноматериалы (графен и другие).

Данный метод основан на использовании химических реакций соединений металлов, находящихся в газовой фазе. При этом эти соединения в определенной зоне реакционной камеры термически разлагаются с образованием твердого осадка в виде нанопорошка и газообразных веществ или вступают в химические реакции также с образованием порошка и газообразных веществ. В качестве исходного сырья могут использоваться галогениды (главным образом хлориды) металлов, алкильные соединения, карбонилы, оксихлориды. Размер получаемых частиц может регулироваться температурой и скоростью осаждения. По такой технологии получены нанопорошки кремния, бора, оксидов титана, циркония, алюминия, нитриды, карбиды и карбонитриды кремния и диборид титана с размером частиц от до 600 нм.

Процесс CVD заключается в протекании химической реакции ионов плазмы в вакуумной камере с дальнейшим осаждением на подложку (рисунок 31).

Рисунок 31 — Схема процесса химического парофазного осаждения В настоящее время рынок наноматериалов представлен следующими материалами: углеродные нанотрубки (УНТ/ CNT), нанопорошки (чистые металлы, оксиды металлов, смеси, сложные оксиды), нановолокна и наноалмазы. Как правило, на производстве каждого из этих материалов специализируются разные компании.

Рассмотрим компании-производители УНТ.

Согласно данным компании Markets and Markets (США), объем мирового рынка углеродных нанотрубок (CNT), который ежегодно растет и развивается значительными темпами, уже достиг 252 млн. долл. США.

Среди производителей уже появились свои лидеры, это:

- Nanocyl S.A. – Бельгия;

- Nanoledge, CNRI, Arkema – Франция;

- Thomas Swan, Dynamics Lab. – Великобритания;

- Bayer – Германия;

- Carbon Nanotechnologies, Hyperion Catalysis, Ebay, NanoLab, CarboLex, MER, Tailored Materials Corp., SweNT – США;

- Shenzen Nanotech Port Co. – Китай;

- Mitsui, Showa Denko – Япония;

- Raymor Industries Inc. – Канада и другие компании.

В связи с большим количеством производственных участков по выпуску CNT, азиатский регион занимает лидирующие позиции в производстве данной продукции. На долю США и Европы приходится 26% и 10% соответственно, Азия – 60%, США – 26%, Европа – 10%, Россия и остальные страны – 4%. URL:www.abercade.ru/ Другим видом наноматериалов, получившим широкое распространение являются нановолокна. Ведущими компаниями-производителями нановолокон являются:

Showa Denko. Штаб-квартира компании Showa Denko расположена в Токио. Компания является основным мировым производителем углеродных нановолокон и предлагает их на рынке под маркой Fine Carbon.

Производственные мощности компании составляют порядка 100 т/год.

Applied Sciences Inc. Компания Applied Sciences Inc. (ASI) расположена в штате Огайо, США и специализируются на технологиях в сфере материалов с высокой проводимостью. Кроме углеродных нановолокон, компания также предлагает алмазные тонкие пленки и также специализируется на производстве композитов, основанных на этих технологиях. Углеродные нановолокна поставляются на рынок под маркой Pyrograf Products. Производственные мощности компании составляют порядка 30 т/год.

Grupo Antolin является одним из немногих производителей углеродных нановолокон в Европе. Компания использует технику плавающего катализатора для производства нановолокон.

Компания Electrovac AG специализируется на композитных материалах с высокой электропроводностью. Она также производит и композиты, основанные на нановолокнах. У компании Electrovac есть своя собственная технология производства нановолокон, однако она также имеет соглашение о сотрудничестве с Applied Sciences Inc. и действует как единственный дистрибьютор продуктов Pyrograf в Европе. Мировое производство нанопорошков распределено неравномерно.

Многие страны, такие как Бразилия, Южная Африка, Россия и Австралия, являются крупными производителями сырья, но не производят наночастицы в URL:www.abercade.ru значительных объемах. Сейчас только развитие в промышленном отношении страны стали производить наноматериалы в коммерческих количествах.

Большинство из стран-производителей наноматериалов сильно зависят от импорта сырья. Однако США, например, производит большинство из них в достаточном количестве для удовлетворения своих внутренних потребностей.

На США приходится более половины производителей нанопорошков (рисунок 32). На американских производителей приходится две трети мирового производства. Европейский Союз и Азия производят большую часть остального объема.

Рисунок 32 — Местонахождение производителей порошков Хотя рисунок 32 создает впечатление того, что США контролируют мировое производство нанопорошков, большинство американских производителей представляют собой небольшие специализированные новые компании или научно-исследовательские институты. Европейские производители не производят порошки в достаточном объеме для внутреннего потребления, а производство некоторых специальных порошков, приобретающих все большее значение, отсутствует или минимально. В результате этого европейские потребители импортируют большое количество порошков разнообразного ассортимента из Северной Америки. Азиатских производителей немного, но они крупные. Зачастую специализируясь на производстве всего нескольких порошков, азиатские производители могут поставлять их в соседние страны, тем самым ограничивая потребность в порошках североамериканского или европейского производства. В Китае и Японии находятся значительные залежи редкоземельных металлов, от которых зависит американское производство некоторых важных редкоземельных оксидов. Согласно данным последнего Геологического обследования США, Китай производит 74% мирового объема иттрия, я Япония – 22%. Растущий объем внутреннего производства в Китае угрожает мировым поставкам некоторых редкоземельных элементов45.


По данным исследований, проведенных компанией Abercade, оксиды металлов составляют около 80% объема рынка нанопорошков. Доля мелкой металлической пыли составляет порядка 15%. Сложные оксиды металлов и смесей, доступны на рынке в ограниченном количестве. Ожидается, однако, что их использование будет увеличиваться в долгосрочной перспективе.

Созданное в 1992 году в Минске (Республика Беларусь) опытно промышленное производство ультрадисперсных наноалмазов, обеспечивает возможность выпуска двух тонн наноалмазов и пяти тонн алмазосодержащей шихты в год, девятнадцати различных модификаций и является самым крупным в мире по номенклатуре продукции, которая используется в виде концентратов для использования в маслах и смазках, в гальванических процессах покрытия металлов, в суперфинишной обработке полупроводниковых и оптических кристаллов, в производстве резинотехнических и полимерных изделий, микроэлектронике и медицине.

URL:www.abercade.ru Наноалмазы являются источником импортозамещающих и экспорто ориентируемых материалов.

Объемы производства наноматериалов в России пока не может быть сравнимо с мощностями стран-лидеров.

Следует также отметить, что технологии производства наноматериалов представлены примерно в половине критических технологий, перечень которых утверждён Указом Президента Российской Федерации от 7 июля 2011 г. N 899, среди которых:

Базовые и критические военные и промышленные технологии для создания перспективных видов вооружения, военной и специальной техники (В настоящее время активно ведутся работы по созданию наноматериалов с радиотехническими свойствами, также снарядов с высокими поражающими свойствами с применением нанотехнологий, создание бронежилетов с использованием нанокерамики и другие) Биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии (в части создания биосенсорных систем) Биомедицинские и ветеринарные технологии (нанобинты и дргуие) Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии Технологии атомной энергетики, ядерного топливного цикла, безопасного обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом (развитие нанотехнологий пока инерционное, но наноматериалы применяют для высокоплотного ядерного топлива с нанодобавками, топливных композиций) Технологии диагностики наноматериалов и наноустройств Технологии наноустройств и микросистемной техники Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику (в части создания материалов, содержащих наноструктуру для хранения водорода) Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов (наноматериалы применяют в качестве конструкционных) Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов ( в части создания нанопокрытий) Технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств (в части создания светодиодов) Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе (прогнозируется создание наноматериалов для преобразования энергии).

Это послужило определенным толчком к стремительному развитию отрасли нанотехнологий в России, почти каждый месяц открывается новое предприятие, выпускающее продукцию с использованием нанотехнологий.

Ниже представлен перечень некоторых заводов, открывшихся в последнее время и специализирующихся на выпуске нанопродукции.

ЗАО «Новые инструментальные решения» — Производство монолитного твердосплавного металлорежущего инструмента с наноструктурированным покрытием.

ЗАО «Оптоган» — Твердотельная светотехника: производство экологически чистых и энергосберегающих систем освещения.

ООО «РМТ» — Расширение производства термоэлектрических охлаждающих микросистем с использованием наноразмерных порошков на основе теллурида висмута для опто-, микро- и наноэлектроники. Проект осуществлён в 2011 году.

ООО «НПЦ Пружина» — Производство сверхпрочных пружин с использованием технологий контролируемого формирования однородных наноразмерных субструктур в материале.

ООО «Вириал» — Серийное производство износостойких изделий из наноструктурированной керамики и металлокерамики.

ЗАО «Уралпластик-Н» — Производство гибких полимерных упаковочных материалов, модифицированных нанокомпозитами.

ООО «ДАНАФЛЕКС-НАНО» — Производство высокобарьерных полимерных пленок для выпуска гибкой упаковки нового поколения.

ООО «Лиотех» — Первое в России масштабное производство литий ионных батарей нового поколения для электротранспорта и энергетики.

ООО «НТИЦ „Нанотех-ДУБНА“» — Производство коллоидных квантовых точек.

ЗАО «Метаклэй» — Производство модифицированных слоистых наносиликатов, мастербатчей и полимерных нанокомпозиционных материалов нового поколения. «СИТРОНИКС-Нано» — Серийное производство интегральных схем по технологии 90 нм.

ООО «МСЛР» — Производство плат с высокой теплопроводностью для монтажа светодиодов высокой яркости на основе технологии получения нанопористого слоя Al2O3 на алюминиевой пластине методом анодирования.

ООО «Научно-производственное предприятие „НАНОЭЛЕКТРО“» — Производство наноструктурных электротехнических проводов со сверхвысокой прочностью и электропроводностью. URL: www.wikipedia Материалы, полученные из биологического сырья 1.2. Наиболее перспективными технологиями производства биотехнологических материалов являются биохимические методы с использованием глюкозы как питательного субстрата и лактобактерий.

Исходным сырьем для биохимического процесса служит крахмал или меласса, а также другие растительные продукты, содержащие гексозаны.

Технология получения исходного сырья - гексоз - основана на биохимическом процессе гидролиза полисахаридов, широко применяемом при получении глюкозы (обычно крахмалосодержащих отходов пищевой промышленности). Исходным сырьем для биохимического процесса служит крахмал (маисовый, кукурузный, картофельный) или меласса, получаемая при производстве сахара из сахарной свеклы или сахарного тростника, а также некоторые другие растительные продуты, содержащие гексозаны.

Разрабатываются и применяются другие аналогичные технологии:

получение бутандиола с помощью бактерий Escherichia Coli, а также использование ряда микроорганизмов для синтеза алифатических полиэфиров и полисахаридов.

В настоящее время с использованием вышеперечисленных методов синтезируются полигидроксиалканоаты, наиболее распространенный из которых полиоксибутират (Cargill, Zeneca-Biopol, Metabolix)47. Технологии синтеза биомономеров48 развиваются по двум основным направлениям – переработка сахаро-целлюлозных биомасс (получение янтарной кислоты, 3 гидроксипропионовой кислоты, сорбитола и бутандиола) и растительных масел Тасекеев М.С., Еремеева Л.М. Производство биополимеров как один из путей решения проблем экологии и АПК. – Алматы, 2009. – 200 с.

Гусева Л. Бенчмаркинг биополимеров: кому это выгодно // Пластикс. – 2011.- №4. – С. 20-24.

(получение глицерина, себациновой кислоты, акриловой кислоты, изосорбида, длинных диолов, диаминов)49.

Технологии получения биокомпозитов аналогичны традиционным технологиям получения композитов: формование, экструзия, гель-прядение, инжекционное формование и другие.

Технологии получения волокон из натурального сырья - биохимический гидролиз крахмала до глюкозы, ее трансформация в молочную кислоту, дилактид и получение полилактида. Наиболее перспективными являются процессы синтеза мономеров для алифатических полиэфиров - полилактида и полигидроксиалканоатов50. Перспективными процессами получения волокон из растительного сырья являются биохимические технологии. Биохимические процессы получения волокнообразующих мономеров и полимеров наименее энергоемки, экологически менее опасны по сравнению с традиционными химическими технологиями и позволяют получать заданные продукты.

Таким образом, для получения биотехнологических материалов используются известные и хорошо описанные технологические методы и процессы51.

Если сравнивать уровень развития технологий производства биотехнологических материалов, то лидерами по внедрению и коммерческому использованию являются США, Япония, Индия, Китай, Южная Корея, страны Европы: Германия, Италия, Великобритания. В России также разрабатываются и используются подобные технологии, но в гораздо меньшем объеме.

Перспективными технологиями в сфере биотехнологических материалов являются технологии создания замкнутой экологической системы;

Балов А., Ашипина О. Мировой рынок биополимеров // The Chemical Journal. – 2012. - #3. – c. 48-53.

Перепелкин К.Е. Синтетические волокна: новые технологии (часть II). [Электронный ресурс] Режим доступа: (http://www.polymery.ru). Дата обращения 9.08. Власова Г., Макаревич А. Биоразлагаемые пластики в индустрии упаковки. [Электронный ресурс].

Режим доступа: (http://www.polymery.ru/letter.php?n_id=359&sword=экструзия). Дата обращения 21.08.2013.

выращивания органов;

искусственного фотосинтеза;

синтетической биологии и синтетической геномики;

регенеративная медицина и тканевая инженерия и другие.


В 16 из 35 технологий, признанных критическими в Российской Федерации на данный момент, ключевым элементом является биотехнология. В перечень критических технологий входят:

биоинформационные технологии;

биокаталитические, биосинтетические и биосенсорные технологии;

биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных;

геномные и постгеномные технологии создания лекарственных средств;

клеточные технологии;

технологии биоинженерии;

технологии новых и возобновляемых источников энергии;

технологии обеспечения защиты и жизнедеятельности населения и опасных объектов при угрозах террористических проявлений;

технологии оценки ресурсов и прогнозирования состояния литосферы и биосферы;

технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов;

технологии производства топлив и энергии из органического сырья;

технологии создания биосовместимых материалов;

технологии создания и обработки полимеров и эластомеров;

технологии создания мембран и каталитических систем;

технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания;

технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых.

Производители биотехнологических материалов в России и мире США Крупнейшим биотехнологическим производителем в мире являются США, где создается половина мирового объема биотехнологической продукции. Вторым по размерам является Азиатско-Тихоокеанский регион, где наиболее динамично развивают биотехнологии Австралия, Китай, Индия и Япония. Замыкает тройку лидеров Европа.

Биотехнологический сектор США насчитывает сегодня 1 500 компаний, в том числе 386 публичных компаний с капитализацией около 360 млрд. долл.

США. Исторически важная роль в финансировании биотехнологии в США принадлежала государству. Государственный фонд National Institutes of Health (NIH) - крупнейший из отдельно взятых субъектов, осуществляющих финансирование биотехнологических исследований в США.

Европейский регион Число биотехнологических предприятий в Европейских странах составляет более 1 700, из них 180 - публичные компании, чьи доходы в году составили 15 млрд. долл. США. Объемы финансирования биотехнологической отрасли в Европе также существенно отстают от показателей США - 7.5 млрд. долл. США в 2007 году.

Доля венчурного финансирования сопоставима с соответствующим показателем в США. Основные центры развития биотехнологии в Европе – Великобритания, Германия, Италия. Великобритания является лидером по объему привлекаемого в отрасль финансирования - примерно треть объема, инвестируемого всей Европой. Германия опережает соседей по вложениям венчурного капитала в биотехнологическую отрасль - этот показатель в 2 раза выше среднего уровня в регионе. Кроме того, Германия опережает другие страны по количеству институтов, исследовательских учреждений и ВУЗов, специализирующихся в биотехнологии.

Китай Биотехнологическая отрасль Китая включает в настоящее время около 900 предприятий и 40 биотехнопарков, расположенных в Пекине, Шанхае, Гуанчжоу. Объем продаж биотехнологической продукции, произведенной в Китае, оценивается в 10 млрд. долл. США. Развитию отрасли в немалой степени способствовала стимулирующая политика властей в налоговом, финансовом и трудовом регулировании.

Основной сектор китайской биотехнологической отрасли биофармацевтика. В секторе работает 580 компаний. Продукция китайских производителей занимает не менее 7% мирового рынка лекарственных биопрепаратов. Основной объем финансирования китайской биофармацевтики осуществляется в рамках государственных программ: Национальной Программы Фундаментальных Исследований и Национальной Программы Исследований и Разработок в области Высоких Технологий. Первая ориентирована на финансирование исследований на ранних стадиях НИОКР, вторая - на этапе прикладных разработок и коммерциализации продуктов.

Рост инвестиций Китая в биотехнологическую отрасль отличался высокими темпами в начале нового столетия - с 2001 по 2005 год объем государственного финансирования биотехнологии в Китае увеличился более чем в 10 раз - с 0.1 до 1.2 млрд. долл. США. Согласно национальной программе развития науки и технологии на 2006-2020 годы государство инвестирует млрд. долл. США в НИОКР, при этом биотехнология имеет высший приоритет над прочими направлениями - инвестиции в отрасль могут составить до 9 млрд.

долл. США уже в 2010 году.

Индия Индия входит в первую тройку стран по развитию биотехнологии в Тихоокеанском регионе - после Австралии и Китая. Основные характеристики биотехнологической отрасли Индии:

ежегодный темп роста в 2008-2011 годах - 15-20%;

объем продаж в 2011 году – 3,5 млрд. долл. США;

количество биотехнологических предприятий - 335;

инвестиции в сектор в 2011 году - около 800 млн. долл. США.

Наиболее развиты в Индии биотехнологии, связанные с обеспечением здоровья человека, в том числе услуги исследовательского аутсорсинга. Индия лидирует в мире по количеству фармацевтических производственных площадок и становится центром проведения клинических испытаний многих международных фармацевтических корпораций (Merck, Pfizer, AstraZeneca).

Индийский рынок контрактных исследований в биофармацевтике оценивается в 250 млн. долл. США и растет на 30-40% ежегодно.

Россия В России на текущий момент фактически отсутствуют промышленные образцы примеров использования биотехнологии в химической промышленности, но при этом российская научная база по некоторым перспективным направлениям химии (например, получение биодеградируемых полимеров) позволяет при наличии соответствующих объемов финансирования наладить крупнотоннажные производства необходимых материалов.

Наиболее известными компаниями, работающими в сфере биотехнологических материалов, являются:

немецкая BASF компания – производство биотехнологических материалов под торговой маркой Ecoflex;

американская NatureWorks компания – производство биотехнологического материала под маркой Ingeo;

американская компания Cereplast54 – производство биотехнологических материалов под торговыми марками Cereplast, Hybrid и другие.

Что касается российских производителей, то в настоящее время формируется биотехнологический кластер на основе Пущинского научного центра РАН55.

Кроме Пущино, центрами развития биологической науки и биотехнологий были и являются Москва и Московская область, Петербург, Новосибирск, отчасти Алтайский край, Владимирская область. Так, в Москве и Московской области на базе МФТИ декларировано создание биофармацевтического кластера «СЕВЕРНЫЙ», представляющее собой добровольное объединение МФТИ с малыми инновационными компаниями, научно-исследовательскими организациям, производственными компаниями (ГК «Протек», ЗАО «Акрихин», ЦВТ «ХимРар», «Фармзащита»).

Центр высоких технологий «ХИМРАР»56 позиционирует себя в качестве центра разработки инновационных и импортозамещающих лекарственных препаратов «ХИМРАР», который представляет собой бизнес-инкубатор для инновационных компаний, занимающихся разработкой и выведением на рынок инновационных лекарств для лечения сердечно-сосудистых, онкологических, Сайт компании BASF [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.basf.de. Дата обращения: 13.08. Сайт компании NatureWorks. [Электронный ресуср]. Режим доступа: www.natureworksllc.com. Дата обращения: 13.08.2013.

Сайт компании Cereplast [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.cereplast.com Дата обращения:

13.08.2013.

Труфанов В., Биотехнологические кластеры сегодня. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

(http://www.ruskorinfo.ru/interview/business/1470/) Дата обращения: 21.08. Аналитические материалы компании «Химрар». [Электронный ресурс]. Режим доступа:

(http://www.chemrar.ru/). Дата обращения 21.08. инфекционных заболеваний, а также заболеваний эндокринной и центральной нервной системы. Заявленный объем инвестиций около 138-140 млн. долл.

США (осуществлено не более 15 млн. долл. США). Ожидаемый собственниками эффект – выпуск 5-10 отечественных инновационных препаратов, разработка 20 импортозамещающих дженериков и создание их опытно-промышленного производства.

В Московской области также работает ЗАО «Биокад»57 – научно производственная компания, занимающаяся разработкой оригинальных и дженериковых биопрепаратов.

Во Владимирской области ЗАО «Генериум»58 осуществляет проект строительства биотехнологического научно-производственного комплекса по производству препаратов для лечения заболеваний крови. Объем инвестиций – ок. 65-70 млн. долл. США. После выхода на проектную мощность планируется разрабатывать и выводить на рынок до 10 новых биотехнологических препаратов ежегодно. Ожидаемый объем производства – от 250 до 300 млн.

долл. США.

В Новосибирске на базе структур Сибирского отделения РАН также формируется биотехнологический, фармацевтический и IT территориальный кластер59.

Перечисленные российские производители разрабатывают и доводят до коммерческого использования лекарственные препараты, производители биотехнологических материалов практически отсутствуют на российском рынке.

Аналитические материалы компании «Биокад» [Электронный ресурс]. Режим доступа: (www.biocad.ru). Дата обращения 21.08.2013.

Материалы компании «Генериум». [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://generiumzao.ru/). Дата обращения: 21.08.2013.

Труфанов В., Биотехнологические кластеры сегодня. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

(http://www.ruskorinfo.ru/interview/business/1470/) Дата обращения: 21.08. В целом текущее состояние производства биотехнологических материалов в Российской Федерации характеризуется, с одной стороны, отставанием объемов производства от уровня и темпов роста стран, являющихся технологическими лидерами в этой области, а с другой – возрастающим спросом на биотехнологическую продукцию со стороны потребителей. Результатом является высокая импортозависимость по важнейшим традиционным биотехнологическим продуктам – лекарственным препаратам и кормовым добавкам, и отсутствие на российском рынке собственных инновационных биотехнологических продуктов.

И если с научным потенциалом в области наук о живом все обстоит вполне неплохо, то с применением достижений фундаментальной науки в массовом серийном производстве, в экономике в целом ситуация крайне неудовлетворительная.

Новые синтетические материалы 1.2. Перспективные полимерные материалы Технология получения полимерно-битумных материалов Способ60 получения битумно-полимерных материалов включает растворение каучука в нефтяном сырье и дальнейшее окисление полученной композиции, в котором нефтяное сырье предварительно подогревают до температуры 50-150°С. В качестве нефтяного сырья используют мазут, гудрон или нефтяной остаток перегонки нефти, являющийся сырьем для производства вязких дорожных битумов, растворение каучука в нефтяном сырье осуществляют в количестве свыше 2 и до 6% от массы нефтяного сырья до полного растворения и получения однородной композиции, а окисление полученной композиции осуществляют при температуре свыше 190°С и до 250°С. Полученные битумные материалы с широким диапазоном показателей, в зависимости от необходимого назначения, используют в различных областях промышленности, прежде всего при строительстве дорог в различных климатических условиях.

Схема приготовления полимерно-битумных вяжущих на асфальто бетонном заводе приведена на рисунке 33, где 1, 3, 5, 7, 12 - насосы;

2, 6 битумные котлы;

4 - установка для разогрева и обезвоживания битума;

8 емкость вместимостью 20 м3 для приготовления раствора дивинил-стирольные термоэластопласты (ДСТ);

9 - бензонасос;

10 - емкость вместимостью 60 м3 для растворителя;

11 - склад для хранения ДСТ;

13 - емкость вместимостью 60 м для ПАВ (поверхностно-активное вещество) с подогревом.

Материалы сайта. [Электронный ресурс] (http://www.freepatent.ru/patents/2265033) Дата обращения 10.08. 1, 3, 5, 7, 12 - насосы;

2, 6 - битумные котлы;

4 - установка для разогрева и обезвоживания битума;

8 - емкость вместимостью 20 м3 для приготовления раствора дивинил-стирольные термоэластопласты (ДСТ);

9 - бензонасос;

10 - емкость вместимостью 60 м3 для растворителя;

11 - склад для хранения ДСТ;

13 - емкость вместимостью 60 м3 для ПАВ (поверхностно-активное вещество) с подогревом Рисунок 33 — Схема приготовления полимерно-битумных вяжущих (ПБВ) Технология получения полимерных теплоизоляционных материалов производства Для полимерных теплоизоляционных материалов применяют технологии химической или физической поризации.

При химическом способе поризации газообразователь, введенный в полимер, либо разлагается при нагревании, либо взаимодействует с компонентами композиции с выделением газообразных продуктов, вспенивающих полимер.

Материалы сайта. [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://arxipedia.ru/teploizolyacionnye-i-ogneupornye materialy/polimernye-teploizolyacionnye-materialy.html) Дата обращения 10.08. Физический способ основан на механическом диспергировании воздуха в среде полимера с одновременным или последующим отверждением последнего. К этому способу относят также метод вспенивания, основанный на повышенной растворимости некоторых жидкостей или газов в полимере при повышенных температуре и давлении. При снижении этих параметров растворенные жидкость или газ начинают интенсивно выделяться, вспенивая полимер. Сотопласты получают формованием исходного материала без вспенивания, поры создают специальными пустотообразователями.

Технология получения геосинтетических материалов материалов Для производства геосинтетических используют иглопробивную, вязально-прошивную и термическую технологии.

При данной технологии геосинтетический материал формируется из непрерывных нитей (филаментов), полученных из расплава полимера. Нити формуются из полимера посредством фильерно-раздувного способа и практически одновременно укладываются в холст. Впоследствии уложенный материал проходит процедуру скрепления механическим способом путем пробивки полотна иглами с двух сторон, целью которой является уплотнение уложенных филаментов и спутывание их между собой. На данном этапе технологического процесса полотно приобретает свои прочностные свойства, которые могут варьироваться в зависимости от характера, количества и рисунка набивки игл в иглопробивных досках. При необходимости пробитый материал проходит процедуру термоскрепления63.

Полученный по такому способу производства геосинтетический материал имеет уникальные свойства, практичность и низкую себестоимость.

Материалы сайта. [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://www.apgeom.ru/). Дата обращения 10.08. Материалы сайта. [Электронный ресурс] Режим доступа: (http://www.technoprok.ru/stati_geotekstil/cena geotekstilja.html) Дата обращения 10.08. Термический64 способ основан на скреплении волокон в волокнистом холсте термопластичными связующими, в качестве которого используются термопластичные волокна или порошки. Скрепление холста достигается путем размягчения термопластичных волокон и их сплавление между собой или с другими термопластичными волокнами. В этом процессе можно применить термопластичные волокна, обладающие достаточной термостойкостью, т.е. не разрушающиеся при температуре размягчения (плавления), например полипропиленовые, полиэтиленовые.

Технология получения новых упаковочных материалов К новым упаковочным материалам относятся полимеры, полученные из традиционного сырья, но за счет использования окси- и гидро- добавок, с биодеградируемыми свойствами. При добавлении окси- или гидро компонентов срок разложения полиэтилена (основной материал для упаковки) существенно сокращается (от нескольких месяцев до 1,5-5 лет). Действие модифицирующих добавок основано на процессе окисления полимерного материала под воздействием окружающей среды.

Технологии получения новых синтетических волокон Основным способом получения волокон является традиционные технологии прядения: мокрое прядение, сухое прядение, прядение из расплава, гелепрядение. С помощью таких технологий можно производить полимерные волокна с диаметрами до значений микрометрового диапазона65.

Перспективным способом является технология электропрядения, в результате которого образуется нетканый войлок. Данную технологию при Материалы сайта. [Электронный ресурс]. Режим доступа: (http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n_id=4640) Дата обращения 10.08. Материалы сайта. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

(http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id=8037&cat_id=&sword=синтетические волокна). Дата обращения 11.08. производстве волокон используют компании Donaldson, DuPont, Finetex, eSpin и другие.

Технологии гель-прядения используются при производстве высокомодульных полиэтиленовых волокон такими компаниями как DSM (Нидерланды), (Япония), (США). Технология Toybo/DSM Honeywell заключается в растворении волокна в растворителе (например, декалине или парафиновом масле). Если разбавленный раствор (концентрация 5%) выдавливать через тонкие отверстия в воду, то он превращается в гель, который затем подвергается 30-кратному вытягиванию в печи (при температуре 100°С и более). При этом из волокна удаляется растворитель. Скорость экструзии волокна достигает 100 м/мин. Получается высокомодульное сверхпрочное волокно, удельная прочность которого превышает соответствующий показатель арамидного волокна.

Эластичные волокна, такие как спандекс или лайкра, это сегментированные полиуретановые волокна, которые производятся с использованием технологии сухого прядения.

Технологии получения полимерных связующих При производстве полимерных связующих используют традиционные нефтехимические технологии, в основе которых лежат процессы полимеризации и поликонденсации. В зависимости от назначения и температуры эксплуатации, термопласты66 общетехнического назначения (крупнотоннажные) производят на основе акрило-бутадиенстирола (АБС), сополимеров стирола (СС), полипропилена (ПП), полиэтилена (ПВД, ПНД);

инженерные термопласты – на основе поликарбоната (ПК), полифениленоксида (ПФО), полиэтилентерефталата (ПЭТ);

супекконструкционные термопласты Материалы сайта. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

(http://www.newchemistry.ru/material.php?id=1) Дата обращения 12.08.2013.

(малотоннажные) – на основе полиэфиримида (ПЭИ), полисульфона (ПСФ), жидкокристалических полимеров (ЖКП).

Термореактопласты67 получают из фенолформальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Для регулирования технологических свойств реактопластов наиболее широко используют разбавители, загустители и смазки, а для модификации свойств в отвержденном состоянии – пластификаторы и эластифицирующие добавки.

Изделия из термопластов изготовляют литьем под давлением, экструзией (непрерывным выдавливанием), пневмоформованием, каландрированием, сваркой и др., а изделия из реактопластов – горячим прессованием, контактным формованием, пропиткой.

Производители новых синтетических материалов в России и мире В настоящее время меняется конфигурация рынка мировых производителей синтетических материалов: увеличивается доля перерабатывающих мощностей в странах Ближнего Востока и Северо Восточной Азии (до 41% от мировых мощностей);

страны Ближнего Востока – прежде всего Саудовская Аравия (Sabic) - становится лидирующим производителем крупнотоннажной нефтегазохимии и соответствующих синтетических материалов;



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.