Ученые разрабатывают методику получения конструкционных материалов из остатков нефтепереработки

Развитые страны в последнее время борются за повышение эффективности транспорта, снижение выбросов парниковых газов и занимаются поиском лёгких и прочных материалов которые можно использовать при производстве транспортных средств. Существуют передовые материалы из углеродного волокна. Из них, к примеру, выпускают рамы велосипедов, спортивный инвентарь и т. п. Но и производство дороже, чем аналогичных деталей из стали и алюминия.

Новое углеволокно не только обходится дешевле в производстве, но также имеет ряд преимуществ по сравнению с углеволокном, полученным по традиционным технологиям. В частности, оно имеет более высокую прочность на сжатие. Это значит, что его можно будет использовать для несущих конструкций. В исследовании приняли участие Асмит Ян, Никола Ферралис, Джеффри Гроссмани ещё 5 человек из Массачусетского технологического института, Западного исследовательского института в Вайоминге и Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.

Исследовательские работы они начали около 4 лет назад. Это был ответ на запрос Министерства энергетики, которое искало методы сделать автомобили более эффективными и понизить расход топлива за счёт снижения веса транспортного средства. Как говорят исследователи, если посмотреть на модель автомобиля и её предшественника 30 лет назад, то современный вариант значительно тяжелее. За это время автомобили увеличились по массе на 15%.

Если автомобиль имеет большую массу, то это требует более мощного двигателя, более сильных тормозных механизмов и т. п. Уменьшение веса кузова и прочих компонентов имеет волновой эффект, который приводит к дополнительной экономии веса по всей конструкции. Поэтому Министерство энергетики США нацелено на разработку лёгких конструкционных материалов, которые не уступали бы по безопасности обычным стальным панелям. При этом они должны быть недорогими в производстве и со временем должны полностью заменить сталь в обычных автомобилях. Композиционные материалы из углеродных волокон уже давно не являются новой идеей. Но пока они использовались лишь в ограниченном круге дорогих транспортных средств. Это исследование направлено на то, чтобы изменить данную ситуацию. Для этого планируется разработать недорогой исходный материал и простые технологии производства.

Углеродные волокна качества, которое необходимо для использования в транспортных средствах, сейчас стоит примерно 20-22$ за 1 кг. Бывают и значительно более дорогие углеродные волокна, предназначенные для специализированного применения (авиация, космонавтика). Сталь обходится примерно 1,7$, а алюминий 4$ за 1 кг. То есть, использование кузова из углеволокна обойдётся значительно дороже. Современное углеволокно производится из полимеров (полиакрилонитрил), получаемых из нефти. В технологии производства используются дорогостоящие промежуточные стадия полимеризации углеродных соединений.

Как говорит Ферралис, стадия полимеризации вносит около 60% от всей стоимости конечного продукта. Исследователи предлагают использовать для производства очищенные и переработанные нефтепродукты. По сути это отходы, образующиеся после процесса очистки. Их ещё часто называют нефтяной пек.

Исследователи говорят, что эта смесь тяжелых углеводородов вполне подходит в качестве исходного сырья для выпуска углеволокна. Сжигать это топливо бесполезно, хотя оно может гореть. Но в связи с повсеместным ужесточением экологических норм, это будет убыточным. В то же время, этих отходов много, а их внутренняя ценность низкая. Поэтому часто они не используются. В качестве альтернативного источника нефтяного пека команда исследователей продемонстрировала каменноугольный пек. Он является побочным продуктом коксующегося угля, который используется для производства стали. В процессе получения стали его образуется довольно много и он также является отходом.

Работая при сотрудничестве с сотрудниками Окриджской национальной лаборатории, имеющих опыт производства углеродных волокон в различных условиях (от лаборатории до пилотных предприятий), команда учёных приступила к поиску способов прогнозирования производительности. Это необходимо для того чтобы выбирать условия для своих экспериментов по изготовлению углеволокна.

Как говорит Ферралис, технологический процесс для изготовления углеродного волокна из пека требует минимальных переделов и немного энергетических затрат. Он отметил, что в исходном материале содержится разнородной набор молекул. Свойства этого материала резко меняются, если изменить его размеры и форму. Поэтому основная задача состояла в том, чтобы обеспечить стабильные свойства для получаемого углеволокна.

Учёные тщательно смоделировали способы образования связей и перекрестных связей между составляющими молекулами. Асмит Ян разработала способ прогнозирования того, как заданный набор условий обработки сказывается на свойствах получаемого углеродного волокна. Она отметила, что результаты удалось воспроизвести с высокой точностью. Они смогли взять условия и предсказать такие характеристики, как модуль упругости и плотность волокон.

Исследователи считают, что проведённая работа дала ценные результаты. При регулировании начальных условий можно создавать углеродные волокна, которые будут прочными на растяжение и сжатие. Поэтому их можно будет использовать в несущих конструкциях. Это открывает новые возможности для использования данных материалов.

Министерство энергетики США призывает к разработке проектов по снижению стоимости конструкционных материалов для транспортных средств ниже 10 долларов за кг. Исследователи из Массачусетского технологического института считают, что по их методике можно получать углеродное волокно по цене 6$ за килограмм. Однако пока они ещё не проводили подробного экономического анализа. Учёные говорят, что ценность новой методики не только в уменьшении затрат на производство углеродного волокна. Их технология поможет открыть новые направления использования этого материала. Это не обязательно могут быть только транспортные средства. Результаты проведённой работы можно посмотреть здесь.

К тому же, волокна в будущем могут выпускаться в виде ткани и укладываться в виде точных детализированных узоров. Материал, конечно, имеет определенные проблемы и недостатки. Но их преодоление вполне реальная инженерная задача, считают исследователи. В исследовательскую группу вошли Тайшань Чжу и Яньмин Ван из Массачусетского технологического института, Джерами Адамс из Западного резервного университета, а также Логан Кирни и Амит Наскар из Окриджской национальной лаборатории. Работа была поддержана Министерством энергетики США.