Создание промышленного производства углеродных нанотрубок и углеродных нановолокон (стр. 3 )

Решение этих задач будет осуществлено в процессе реализации представленного проекта.

4.Сущность предлагаемой разработки

Существует две основные группы методов получения УНТ и УНВ: путем возгонки-десублимации графита и путем каталитического пиролиза углеводородов.

К первой группе относятся электродуговая и лазерно-термическая возгонки, а также использование солнечных концентраторов или резистивного нагревания; это требует температур выше 2000оС.

Вторая группа более разнообразна по числу вариантов и не связана с высокими температурами. Используемые процессы могут проводиться в непрерывном режиме и легко масштабируются. В настоящее время она вышла на первое место по применению.

Еще в начале работ в РХТУ им. (1999 г.), когда наиболее перспективным методом получения УНТ считалась возгонка-десублимация графита в электрической дуге, был выбран пиролитический метод синтеза.

Каталитический пиролиз углеводородов при небольших изменениях процесса позволяет получать широкий набор разнообразных углеродных наноматериалов.  Наиболее просто получаются УНВ. Их синтез каталитическим пиролизом углеводородов протекает при температурах 500...600оС с высоким удельным выходом на единицу массы катализатора и не сопровождается загрязнением продукта аморфным или графитизированным углеродом.

Пиролитический синтез УНТ требует несколько более жестких условий проведения процесса и более сложных катализаторов. Технология позволяет при изменении состава катализаторов и условий проведения процесса получать как однослойные, так и многослойные нанотрубки, а также углеродные нановолокна. В последнее время основной акцент был сделан на синтезе тонких многослойных углеродных нанотрубок (т-МУНТ), которые при получении дисперсий и введении в композиты обладают преимуществами и перед однослойными, и перед многослойными углеродными нанотрубками.

Преимущества перед однослойными нанотрубками определяются:

а) бóльшим выходом т-МУНТ на единицу массы катализатора (до его полного отравления), бóльшей скоростью их образования при одинаковых условиях и, как следствие, – бóльшей производительностью реакторов и меньшей себестоимостью нанотрубок;

б) возможностью функциализации (прививки различных функциональных химических групп) без изменения электронного строения, ухудшения транспортных и механических характеристик нанотрубок и, как следствие, – упрощением диспергирования в растворителях и в полимерных матрицах; снижением себестоимости пленок и композитов;

в) меньшим содержанием примесей нетрубочных форм углерода и остатков катализаторов в первичном (неочищенном) продукте и, как следствие, – простотой очистки и меньшей себестоимостью нанотрубок;

г) меньшей склонностью к образованию прочных сростков (жгутов, канатов) и бóльшей простотой однородного диспергирования нанотрубок в растворах и полимерных матрицах.

Преимущества перед многослойными нанотрубками определяются:

а) меньшей массовой и объемной долей т-МУНТ, необходимой для достижения порога перколяции, повышения механических характеристик и достижения других (например, оптических) свойств композитов и пленок, что ведет к снижению себестоимости композитов и пленок;

б) бóльшей «растворимостью» т-МУНТ в воде и органических растворителях, что упрощает получение композитов и пленок.

Именно поэтому основным продуктом, предлагаемом на современном этапе компанией, являются тонкие многослойные углеродные нанотрубки. Существующие в Российской Федерации лабораторные установки производят либо однослойные (ОУНТ), либо многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) с числом слоев до 100.

Производство ОУНТ, получаемых электродуговым способом, малопроизводительно (несколько граммов в сутки) и, соответственно, высока цена получаемого продукта – сотни долларов за грамм.

Производительность установок синтеза МУНТ значительно выше (сотни граммов в сутки). Их цена может составлять несколько долларов за грамм и даже ниже.

Применение УНТ в качестве наполнителей композитов определяется их свойствами изменять физико-химические характеристики полимеров. Введением малого количества УНТ (в случае ОУНТ) можно не достичь желаемого результата, а ведение значительного количества ОУНТ нецелесообразно из-за высокой стоимости ОУНТ.

Для достижения тех же целей необходимо введение относительно большого количества МУНТ, что может сказаться на механических свойствах создаваемого композита – растрескивание и т. п.

Применяемая компанией технология позволяет производить углеродные нанотрубки с требуемым количеством слоев - от 2 до 7. Изменением технологических режимов достигается различная производительность по т-МУНТ –20г/ч и выше. Все это позволяет получать стабильный по качеству продукт, ненамного уступающий по характеристикам ОУНТ, но с более низкой себестоимостью, чем у ОУНТ.

Таким образом, т-МУНТ являются наиболее оптимальным продуктом для создания новых композиционных материалов.

5.Мероприятия по охране прав на интеллектуальную собственность

По состоянию на вторую половину 2007 года в России отсутствуют реальные конкуренты компании. Однако, появляющиеся заявления о намерениях производить углеродные нанотрубки, показывают, что такое положение дел не будет продолжаться долго. Имеющееся время необходимо потратить на создание достаточного отрыва от потенциальных конкурентов путем выбора верного направления и оптимальной стратегии развития предприятия.

Для занятия лидирующего положения в России на рынке производства углеродных наноматериалов у компании имеются следующие предпосылки:

·  Разработана оригинальная технология получения катализатора для синтеза углеродных нанотрубок и нановолокон – получен патент РФ № 000 на “Способ получения оксидов металлов”.

·  Разработана оригинальная технология синтеза углеродных нанотрубок –подана заявка на получение патента РФ на изобретение – г. “Способ получения углеродных нанотрубок”.

·  Подана заявка на получение патента РФ на изобретение “ Устройство для получения порошков оксидов металлов” –

·  В стадии оформления находится заявка на получение патента РФ на изобретение “ Устройство для получения углеродных наноматериалов”.

6.Конкурентные преимущества

За последние годы в мире создано свыше 1600 нанотехнологических компаний и научных центров, и число их удваивается каждые 1,5-2 года.

Производством УНТ и УНВ за рубежом занимаются более сотни различных фирм, наиболее крупные производители находятся в таких странах, как Бельгия (Nanocyl S. A.), Франция (Nanoledge, CNRI, Arkema), Англия (Thomas Swan, Dynamics Lab.), Германия (Bayer), США (Carbon Nanotechnologies, Hyperion Catalysis, Ebay, NanoLab, CarboLex, MER, Tailored Materials Corp., SWeNT, готовятся к производству Nano-C, MIT), Китай (Shenzhen Nanotech Port Co, GZEnergy, Sunnano), Япония (Showa Denko, Toray Industries, NEC Corp., CNRI-Mitsui), Корея (ILJIN Nanotech, RIST), Канада (Raymor Industries Inc.), Кипр (Rossetter Holdings Ltd.), Норвегия (n-TEC), Греция (Nanothinx).

В качестве сравнения приведены доступные сведения о характеристиках продукции и мощности по ее производству следующих компаний:

Американская CarbonNanotechnologies в 2004 г. имела установку с производительностью по УНТ 4,5 кг/сут. и планировала довести производительность к концу 2005 г. до 450 кг/сут., или 100...150 т/год. В марте 2007 г. компании Unidym и Carbon Nanotechnologies, специализирующиеся на углеродных нанотрубках, заключили соглашение о слиянии. Ожидается, что после слияния Unidym и Carbon Nanotechnologies объединенная компания будет обладать одним из самых больших в отрасли патентных пакетов на методики и технологии, связанные с углеродными нанотрубками. Высокая стоимость чистых однослойных и двухслойных трубок - 300-2000 $/г – обусловлена сложностью технологии производства. Основными недостатками производства являются – использование ядовитого, пожаро-, взрывоопасного угарного газа в качестве источника углерода; высокое давление в реакторе – 10 атм; применение нестабильного при высоких температурах катализатора для синтеза УНТ.

Основными потребителями дорогих однослойных и двухслойных трубок являются космическая, оборонная отрасли и медицина.

В своем большинстве остальные зарубежные компании используют при производстве углеродных наноматериалов метод каталитического пиролиза углеводородов – газов и жидкостей.

На http://www. /competitorspage. htm представлены сложившиеся цены на углеродные нанотрубки. Стоимость многослойных углеродных нанотрубок диаметром менее 8нм составляет 2-35 $/г в зависимости от чистоты и массы покупки.

Китайские компании-производители предлагают продукт с примерными физическими характеристиками по цене от 20 до 0,5 $/г. Однако, следует отметить, что чистота их углеродных наноматериалов даже по электронным микрофотографиям невысока.

 В России (по информации из Интернета) существует несколько компаний, желающих развернуть промышленное производство углеродных нанотрубок.

ЗАО “НаноМатериалИнвест” заявлял об инвестициях в технологию получения углеродных наноматериалов (нанотрубок и нановолокон) методом каталитического пиролиза метана. Дата начала производства и объемы углеродных материалов в сообщении не указаны.

В 2006 г сообщалось о начале производства тонкослойных углеродных нанотрубок компанией ООО”Титсм” с производительностью 100-150кг/месяц. Выйти на связь с указанной компанией не удалось и в настоящее время заявленный продукт на рынке отсутствует.

Продукцию, получаемую Тамбовским инновационно-технологическим центром, на сегодняшний момент нельзя признать углеродными нанотрубками. Из анализа электронных микрофотографий видно, что продукт представляет собой, скорее всего, углеродные нановолокна.

Есть краткая информация о производстве и использовании углеродных нанотрубок на предприятиях “Волна” (г. Москва) и ФГУП ОНПП “Технология” (г. Обнинск).