Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0046

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0046
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка нанокаталитической технологии получения функциональных полимер-наноуглеродных композиционных материалов из биоспиртов
Докладчик
Захаров Владимир Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели выполнения настоящих прикладных научных исследований (ПНИ ЭР):
1) Разработка методов переработки возобновляемого сырья - биоэтанола - с использованием наноструктурированных каталитических систем в высокотехнологичную продукцию – функциональные полимер-наноуглеродные композиционные материалы (ПНКМ) различного назначения.
2) Моделирование и макетирование основных технических решений по разрабатываемым продуктам и технологиям, проведение экспериментальных работ и исследовательских испытаний.
3) Расширение сырьевой базы производства полимер-наноуглеродных композиционных материалов.
Задачи по достижению поставленных целей решаются путем разработки методов получения ПНКМ различного назначения на базе полиэтилена (ПЭ), в т. ч. сверх-высокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ), производимых из биоэтилена. В результате выполнения ПНИ ЭР:
- разработаны высокопрочные ПНКМ на основе СВМПЭ, модифицированного МУНТ, с антиударными, антистатическими и радиопоглощающими свойствами;
- разработаны ПНКМ с контролируемыми электроизолирующими свойствами для кабельной промышленности на основе ПЭ, модифицированного введением МУНТ.
Актуальность и новизна исследования
Принципиальной новизной настоящего проекта является то, что впервые созданы наноструктурированные композиты, технология которых формируется на единой сырьевой базе возобновляемых ресурсов – биоспиртах. Сочетание новых, оригинальных подходов к приготовлению наноструктурированных композитов и нанокаталитических систем с совершенствованием известных технологий приведет к созданию целевых продуктов с новыми потребительскими свойствами.
Сопоставление с результатами аналогичных работ, имеющих мировой уровень. Научно-технический уровень результатов ПНИ соответствует мировому уровню и реализация проекта обеспечивает получение продуктов и технологий, которые по основным сопоставимым показателям превосходят существующие аналоги:

Параметры ----------------------------------------Существующие аналоги------------------------Разрабатываемый по проекту
Стойкость к солнечной радиации, лет-----------------------2÷3 ----------------------------------------- >10

Электрическое сопротивление, Ом•см---------------------10^16 ------------------------------------10^5÷10^10

Электрическая прочность, кВ/мм---------------------------2÷10-----------------------------------------20÷25

Массовая доля углерода, % -------------------------------15÷20----------------------------------------0,5÷2,0


Описание исследования

Достижение поставленных целей ПНИ ЭР базируется на разработке полимерных композитов и технологий их получения путем переработки биоспиртов в промежуточные продукты (этилен, полиэтилен, МУНТ) и далее получения с их использованием полимерных композитов ПЭ/МУНТ. Основной подход к их решению – применение наноструктурированных катализаторов для синтеза из биоспиртов комплекса указанных промежуточных продуктов необходимых для получения композитов. Этот подход предусматривает выполнение комплекса взаимосвязанных работ, в том числе:

(1) Получение биоэтилена из биоэтанола – продукта биотехнологической переработки возобновляемого растительного сырья.

Высокоактивные и селективные катализаторы переработки биоспирта в биоэтилен имеют оптимальное сочетание кислотных и основных центров, допускают длительный цикл межрегенерационного пробега. При этом дополнительно были разработаны методы очистки биоэтанола от примесей до чистоты, необходимой для его последующей переработки в углеродные нанотрубки и полимеры.

(2) Получение полиолефинов из биоспиртов.

Переход на биоэтилен потребовал выполнения исследований по влиянию его качества на процесс каталитической полимеризации, выбора методов очистки биоэтилена от микропримесей, дезактивирующих катализатор полимеризации и выбора катализатора, обеспечивающего высокий выход ПЭ.

 (3) Получение многослойных углеродных нанотрубок из биоэтилена.

Переход на биоэтилен потребовал проведения исследований по выявлению оптимальных условий получения углеродных наноматериалов с регулируемыми структурными характеристиками и химическим составом поверхности.

(4) Получение полимер-наноуглеродных композитных материалов.

Для создания таких композитных материалов были разработаны методы формирования эффективных катализаторов полимеризации биоэтилена на поверхности многослойных углеродных нанотрубок. Синтез композитов с контролируемым содержанием углерода и последующим введением этих продуктов в полиолефины позволило получить полимерные композиты с требуемыми свойствами. 

Результаты исследования

1.В результате математического моделирования технологических режимов процесса дегидратации этанола в этилен в трубчатом реакторе стенда ЛСБЭ найдены оптимальные условия процесса.  Проведено сравнение и достигнуто удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных значений температур в трубчатом реакторе, а также значений концентраций и селективностей продуктов на выходе из реактора. Разработанная математическая модель процесса дегидратации этанола в этилен может быть использована для оптимизации процесса в промышленном трубчатом реакторе.

2.В результате математического моделирования процесса синтеза МУНТ в реакторе с псевдоожиженным слоем найдена оптимальная область значений «масса исходных МУНТ – масса катализатора» и рассчитаны конверсия углеродсодержащего газа, время достижения заданной конверсии этилена и производительность реактора. Показано, что наименьшие относительные отклонения расчетных и экспериментальных величин достигаются при дробном режиме ввода катализатора в реактор ЛСМУНТ. Установлено, что вычисляемые по математической модели параметры каталитического процесса синтеза МУНТ соответствуют измеряемым параметрам в пределах допустимых отклонений.

3.Наработаны экспериментальные образцы электроизолирующих ПНКМ на основе концентрата МУНТ/ПЭ для 2-х рецептур электроизолирующих ПНКМ. В ходе испытаний показано, что при требуемой стойкости к электрохимическому старению сохранился допустимый уровень диэлектрических и деформационных характеристик, что соответствует значениям ТЗ и требованиям национальной нормативной базы для изоляции кабелей среднего напряжения. По основным свойствам экспериментальные образцы ПНКМ не уступают импортным промышленным образцам триингостойких композиций. 

4.Наработаны экспериментальные образцы высокостойких ПНКМ на основе концентрата МУНТ/СВМПЭ с применением различных методик. Испытания экспериментальных образцов высокостойких ПНКМ с измерением всех характеристик, предусмотренных ТЗ, показали, что экспериментальные образцы ПНКМ обладают:

а) высокими антистатическими свойствами в диапазоне электрического сопротивления от 105 до 1010 Ом·см;

б) обеспечивают повышение устойчивости к солнечной радиации (ультрафиолетовому излучению) в 11-17 раз, по сравнению с обычным СВМПЭ;

в) обладают радиопоглощающими свойствами, в т.ч. электрической проводимостью порядка 10-7,  диэлектрической проницаемостью более 60 при тангенсе угла диэлектрических потерь 1,2 -1,3;

г) обладают антиударными и демпфирующими свойствами, обеспечивающими величину коэффициента поглощения механических колебаний в амплитудно-независимой области не менее 0,75.

5. За счет внебюджетных средств индустриального партнера проекта на опытно-технологической установке для производства опытных партий наноструктурированных композиционных материалов приготовлены образцы высокопрочных композитов, проведены маркетинговые исследования и найдены потенциальные рынки сбыта для высокостойких ПНКМ. 

Практическая значимость исследования
Исследования практической значимости высокопрочных композиционных материалов на основе МУНТ/СВМПЭ проведены по следующим направлениям:
- материалы в электростатическом исполнении, стойкие к низким температурам и ударным воздействиям; возможное применение – защитные экраны для средств СВЧ связи, расположенных в местах с повышенной влажностью и с низкими температурами;
- материалы с низкими потерями в СВЧ диапазоне, высокой диэлектрической проницаемостью, стойкие к баллистическим воздействиям; возможное применение – материалы для укрытий и защитных экранов СВЧ техники различного базирования, обладающие радиопрозрачностью в СВЧ диапазоне, высокой прочностью, высокой диэлектрической проницаемостью;
- материалы с высокой стойкостью к солнечной радиации, низкими потерями в СВЧ диапазоне, стойкие к баллистическим нагрузкам при высоких давлениях могут найти применение с целью создания радиопрозрачных экранов;
- материалы в антистатическом исполнении, с высоким модулем прочности Юнга, высокой стойкостью к истиранию – могут найти применение для использования в высокопроизводительном насосном оборудовании для нефтяной отрасли.
Исследование практической значимости электроизолирующих полимер-наноуглеродных композиционных материалов показало, что они могут найти следующее применение для электротехнической промышленности:
- изолирующие высокоомные оболочки кабелей среднего напряжения;
- электропроводящие экраны кабелей.
Прогноз влияния результатов проекта на развитие научно-технических и технологических направлений показал, что результаты ПНИ будут направлены на усовершенствование технологической базы производства высокоценных продуктов – полимер-наноуглеродных композитов, а также на расширение сырьевой базы их производства. Выполнение ПНИ по проекту будет способствовать:
- созданию нового поколения полимерных композитов на основе технологии комплексной переработки биоспиртов;
- снижению импорта в РФ полимерных композитов, обеспечению технологической независимости предприятий РФ от зарубежных компаний;
Перспективный прогноз объема общего производства продукции по проекту с 2020 г. составляет примерно 1500 т/год, на сумму 220-260 млн. руб./год.