Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нового способа получения теплораспределяющих материалов на основе природного графита для энергосберегающих систем радиантного отопления и кондиционирования помещений.

Номер контракта: 14.579.21.0028

Руководитель: Малахо Артем Петрович

Должность: заместитель генерального директора

Организация: Акционерное общество "Институт новых углеродных материалов и технологий"
Организация докладчика: Закрытое акционерное общество "Институт новых углеродных материалов и технологий"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
графит, теплопроводность, теплораспределение, терморасширение, термолиз, интеркалирование.

Цель проекта:
Важной задачей обеспечения энергосбережения является создание эффективных систем отопления и кондиционирования с использованием низкопотенциальных источников тепла и холода. Одним из таких решений являются радиантные потолочные панели, позволяющие реализовывать как нагрев, так и охлаждение с экономией энергии 10-30% по сравнению с традиционными системами. Одним из важнейших ограничений их использования в настоящее время является высокий вес и стоимость панелей из металлов, представленных на рынке. Целью настоящего проекта является создание научно-технических основ для принципиально новой технологии получения низкоплотных, листовых композиционных, теплораспределяющих материалов на основе природного графита, с уникальным сочетанием высоких значений прочности и теплопроводности, обеспечивающей снижение себестоимости графитовых теплораспределяющих материалов на 30-40% по сравнению с существующим мировым уровнем.

Основные планируемые результаты проекта:
В проекте разрабатывается новый, не имеющий аналогов в мире, технологический способ получения теплораспределяющих материалов на основе графита, позволяющий обеспечить более чем двукратное снижение издержек при производстве.

Решение указанной задачи позволит обеспечить более чем двукратное снижение издержек при производстве теплораспределяющих «углеродных» панелей, что позволит сделать продукцию конкурентоспособной с любыми зарубежными производствами аналогичных материалов, а также обеспечить существенные технико-экономические преимущества по сравнению с традиционными радиаторами и кондиционерами. Для достижения поставленной цели используется технология, позволяющая проводить непрерывную химическую обработку и вспенивание графита, что позволяет избежать образования жидких отходов, обработка которых требует больших затрат. Разработанный подход позволяет исключить стадию гидролиза, очистки стоков, утилизации выбросов.
В результате создаваемые материалы обладают уникальным сочетанием низкой плотности и высокой удельной теплопроводности, что обуславливает возможность их применения в потолочных панелях для кондиционирования и отопления.
Важной характеристикой, необходимой для успешной реализации проекта является низкая себестоимость создаваемых продуктов. Базовыми материалами для радиаторных систем являются нержавеющая сталь, медь и алюминий. Это обуславливает достаточно низкий конкурентный ценовой диапазон. Графитовые материалы обеспечивают более низкий вес, но кратное различие в цене может ограничить успешность реализации. В настоящее время, традиционные способы получения графитовых теплораспределяющих материалов не оптимальны для широкого применения в ЖКХ, поскольку затраты энергии, реагентов, воды, и трудозатраты достаточно велики, а цена исходного сырья не изменяется в течение длительного времени.
Создаваемая технология позволяет напрямую получить теплораспределяющий графитовый материал из природного графита, минуя несколько основных и вспомогательных технологических стадий. Это приведет к более чем двукратному снижению издержек что позволит сделать продукцию конкурентоспособной по сравнению с любыми зарубежными производствами аналогичных материалов, а
также обеспечить существенные технико-экономические преимущества разработанных материалов относительно аналогичных решений на основе алюминия, меди и стали.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основным конечным продуктом являются способы получения двух типов теплораспределяющих композиционных
материалов на основе природного графита:
- низкоплотный теплораспределяющий графитовый материал (обладающий плотностью не более 0.06 г/см3
и теплопроводностью не менее 6 Вт/мК). Толщина материала – от 10 до 30 мм. Материал предназначен
для передачи тепла от трубок (меандра) с теплоносителем в кондициционируемое помещение. Материал
должен обеспечивать возможность впрессовывания трубок с теплоносителем диаметром не менее 10 мм.
- листовой гибкий композиционный теплораспределяющий графитовый материал, обладающий
плотностью не менее 1.4 г/см3 и теплопроводностью не менее 240 Вт/мК. Толщина материала – от 0.1 до 2
мм. Материал предназначен для выравнивания теплового поля по поверхности теплораспределяющего
оборудования.
В отечественной и зарубежной литературе указанная задача решается с помощью создания композиций на
основе теплораспределяющего материала (например, графита), полимерного или неорганического
связующего (фенольной смолы, пека и т.д.) и вспенивающегося агента (порофора). Смесь компонентов
подвергают термолизу – разложению порофора с образование газообразных продуктов. В результате
образуется пена из частиц графита, скрепленных связующим. Традиционный подход имеет следующие
недостатки – хрупкость получаемого материала, низкая теплопроводность в результате
теплоизолирующего влияния связующего в точках контакта графитовых частиц. В проекте предлагается
использование в качестве теплопроводящей матрицы графита, вспененного без связующего и
подвергнутого механической обработке. В полученных материалах будет реализован прямой контакт
теплопроводящих частиц, что позволит получить материалы с повышенной по сравнению с
существующим уровнем, теплопроводностью.

В литературе известны несколько способов получения листовых материалов, в частности, известны
способы получения листовых композиционных материалов на основе высокомодульного пекового
углеродного волокна, обладающих высокой прочностью и теплопроводностью (до 600 Вт/м.К), но
указанный материал дороже разрабатываемых графитовых материалов более чем на два порядка.
Предлагаемый способ получения листовых материалов предполагает использование многослойного
композита на основе недорогих металлов (сталь, алюминий) и терморасширенного графита. Фольги
металлов позволят обеспечить материалу высокую прочность, в то время как графит позволит обеспечить
высокую теплопроводность.

Сущность основного результата работ по проекту заключается в получении научно-технологического
задела и создании технологического способа получения теплораспределяющих графитовых материалов
путем прямого термолиза с минимальным образованием отходов и газовоздушных выбросов,
обеспечивающего минимальную себестоимость производства, за счет снижения затрат:
- на энергоресурсы – не менее чем в 1.5 раза;
- водных ресурсов - в 5 раз;
- объем отходов и сточных вод- в 5 раз
по сравнению с существующими в настоящее время в мире технологиями, в сочетании с достижением
значений физико-механических характеристик и значений теплопроводности получаемых материалов,
превышающих мировой уровень.
Новизна подхода к проведению научных исследований в рамках проекта предполагает, в частности,
использование принципиально нового способа термолиза, уникальной рецептуры, анализа структуры и
состава материалов с использованием современных методов исследования. Отечественные и зарубежные
аналоги данных результатов отсутствуют

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основными областями применения результатов работ является создание производства теплораспределяющих материалов в Российской Федерации. В краткосрочной перспективе теплораспределяющие материалы в первую очередь предназначены для изготовления нового (второго) поколения потолочных теплораспределящих радиантных панелей для систем типа «холодный потолок».
Объем потребления графитового материала может быть оценен следующим образом. При существующем уровне эффективности теплоотдачи для кондиционирования 4 м2 офисного помещения требуется 1 м2 радиантных панелей. Для строительства одного офисного центра площадью 40000 м2 требуется не менее 25 тонн графитового материала. Ежегодно только в Финляндии вводится более 120000 м2 офисных центров такого типа с использованием потолочных панелей второго поколения. В долгосрочной перспективе успешной технологической реализации стоимость теплораспределяющего графитового материала может быть снижена до уровня 150-200 рублей за кг. С учетом стоимости технологической переработки, это делает стоимость графитовых панелей второго поколения сопоставимой со стоимостью комнатных радиаторов и потолочных панелей первого поколения, изготовленных из алюминия и стали. При этом графитовые теплораспределяющие панели имеют значительно меньший вес и намного проще в изготовлении. В этом случае, рынок теплораспределящих графитовых материалов может превысить 1000 тонн в год.
Важным направлением применения указанных материалов может быть создание систем кондиционирования больниц и детских учреждений (школ, детских садов, поликлиник). Указанные классы помещений из соображений гигиены не могут кондиционироваться с использованием циркуляционных потоков (кондиционеры и чиллеры). Потолочные панели могут обеспечить сочетание комфортных условий и соблюдение гигиены.
Разработанные технологические приемы могут лицензироваться для организации производства за рубежом, в частности существуют контакты с организациями Финляндии. Внедрение новых технологий в повседневную жизнь людей позволит повысить популяризацию разработок в обществе. На выставках – Фестиваль науки, Открытые инновации данные решения неизменно привлекали интерес участников, как профессионалов, так и обычных посетителей.

Текущие результаты проекта:
Проведены экспериментальные исследования процессов получения образцов композиционных теплораспределяющих материалов ЛГМ и низкоплотных теплопроводящих материалов НГП, определены оптимальные параметры проведения процесса с использованием имеющегося у исполнителя оборудования. Разработан комплект эскизной конструкторской документации лабораторных технологических комплексов ЛТК ЛГМ и ЛТК НГП.
Подобран состав интеркалирующей смеси на основе азотной кислоты и карбамида, позволяющей "сухим способом" получать интеркалированый графит со степенью термического расширения не менее 350 мл/г и сыпучестью, обеспечивающей непрерывное и равномерное во времени дозирование. Определены физико-химические параметры процесса интеркалирования графита: теплоты реакций, состав интеркалированного графита, состав выделяющихся газов. Установлена взаимосвязь состава газовой фазы, выделяющейся при термолизе интеркалированного графита, и составом интеркалирующей смеси. Показано, что добавление карбамида приводит к снижению содержания оксидов азота в составе газовоздушных продуктов реакции, а использование каталитической системы позволяет довести объем вредных выбросов ниже уровня имеющего место в традиционной технологии, что позволит использовать существующие технологические площади и оборудование для реализации новой технологии. Разработан способ нейтрализации газовоздушных выбросов, состоящий в оптимальном сочетании состава интеркалирующей смеси, температурного режима термолиза и каталитического восстановления выделяющейся газовой фазы.
Значения теплопроводности, теплоемкости и других параметров экспериментальных образцов ЛГМ и НГП соответствуют требованиям ТЗ, что создает предпосылки для успешной реализации предложенных технологий на опытных установках.

Предложенным способом были получены образцы низкоплотного теплопроводящего материала НГП с плотностью 0,1 г/см3, теплопроводностью в продольном направлении 12-15 Вт/(м*К), удельной теплопроводностью 0,012-0,015 Вт*м2/(кг*К), теплоемкостью 800 Дж/(кг*К), электросопротивлением (0,6-4,2)*10-5 Ом*м и прочностью 0,2-0,3 МПа. Упрочнение низкоплотных теплораспределяющих материалов НГП осуществляли путем пропитки полимерным связующим с последующей стадией отверждения и путем пиролиза углеводородов методом химической инфильтрации. Показано, что пропитка материала раствором связующего приводит к ухудшению его внешнего вида и механических свойств, при этом не отражаясь на теплопроводности. Насыщение низкоплотных материалов пиролитическим углеродом позволяет повысить модуль упругости c 2,9 МПа до 6,0 МПа, при этом практически не изменяя температуро- и теплопроводность НГП.

Результаты экспериментальных исследований легли в основу создания комплекта эскизной конструкторской документации ЛТК НГП, уникальность которого состоит в возможности прямого термолиза интеркалированного графита и нейтрализации газовоздушных выбросов, что делает производство материалов более технологичным, менее затратным ввиду отсутствия необходимости утилизации жидких отходов и экологически безопасным.

На основе анализа литературы, выбран ряд полимерных и неорганических клеев для обеспечения адгезии между тонкой фольги из нержавеющей стали и продуктами прокатки терморасширенного графита. Для снижения содержания клея в ЛГМ была оценена возможность использования перфорированной стали. Критерием качества адгезионного взаимодействия между стальным и графитовым компонентом является был выбран характер области разрушения при испытаниях на отрыв. Связующие, обеспечивающие когезионный характер разрушения, являются подходящими для получения ЛГМ и представлены акриловым клеем и эпоксидной смолой. Эпоксидная смола обеспечивает прочность к отрыву 0,12-0,14 МПа как к гладкой, так и к перфорированной стали, при содержании в ЛГМ 4,2-4,5 масс.%.Прочность к отрыву для образцов ЛГМ с акриловым связующим с использованием гладкой стали в 2 раза ниже, чем с перфорированой. Показано, что при использовании листов из терморасширенного графита толщиной менее 0,5 мм возможно получение композиционных теплораспределяющих материалов ЛГМ без добавления связующего.

Получены образцы композиционных теплораспределяющих материалов ЛГМ плотностью 1,4-1,6 г/см3, теплопроводностью вдоль листа 400-440 Вт/(м*К), удельной теплопроводностью 0,24 Вт*м/(кг*К), теплоемкостью 1300 Дж/(кг*К), прочностью на разрыв 21-27 МПа, электросопротивлением (6,2-6,6)*10-6 Ом*м. Показано, что теплопроводность материала ЛГМ определяется максимальным значением теплопроводности компонента, в данном случае прокатанного терморасширенного графита. Проведено исследования роли покрытий на свойства материалов ЛГМ на примере фосфата цинка и медной пленки. Показано, что добавление фосфата цинка повышает термическую устойчивость материалов на 150-200 оС, что позволяет рассматривать возможность высокотемпературного применения материалов ЛГМ. Модифицирование поверхности ЛГМ медной пленкой повышает теплопроводность материала на 5-10%.