Нов метод за получаване на въглеродни влакна от отпадъци от рафинерии

Олекотените материали, изработени от въглеродни влакна, комбинират изключителна якост и ниско тегло, но производството им е по-скъпо в сравнение с аналогични структурни елементи, изпълнени от стомана или алуминий. Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) предлагат нов метод за получаването на тези олекотени влакна от много евтина суровина – тежкия отпадъчен материал, отделящ се от рафинирането на нефт, който понастоящем се използва в производството на асфалт или просто се третира като отпадък.

Проучването започва преди около четири години в отговор на запитване от страна на Министерството на енергетиката на САЩ, което търси начини за подобряване на ефективността на автомобилите и редуциране на консумацията на гориво чрез намаляване на теглото им. Един по-тежък автомобил изисква по-голям двигател, по-силни спирачки и т.н., така че редуцирането на теглото на шасито или други компоненти предизвиква ефект на доминото, който води до допълнителни възможности за намаляване на теглото. Щатското Министерство на енергетиката апелира за разработването на олекотени материали, които предоставят същото ниво на безопасност като използваните днес конвенционални стоманени панели, но също така могат да бъдат произведени достатъчно евтино, че евентуално да заменят изцяло стоманата в стандартните превозни средства.

Композитите, направени от въглеродни влакна, не са новост, но досега се използват в автомобилостроенето само за няколко много скъпи модела. Новото проучване цели да промени това чрез осигуряване на евтина суровина и относително прости производствени методи.

Въглеродните влакна с качеството, необходимо за автомобилостроенето, струват поне 10 – 12 щатски долара за фунт, като цената им може да достигне и стотици долари за фунт за специализирани приложения, например компоненти за космически летателни апарати. За сравнение цената на стоманата е около 75 цента за фунт, а на алуминия – 2 щатски долара за фунт. При тези цени производството на един пикап от въглеродни влакна вместо от стомана би струвало два пъти повече.

Влакната обикновено се произвеждат от полимери (като полиакрилонитрил), получени от нефт, но процесът включва скъпоструващата междинна полимеризация на въглеродните съединения. Цената на полимера може да представлява над 60% от общата цена на крайния продукт. Вместо да използва рафиниран и преработен нефтопродукт, екипът от MIT предприема подход за оползотворяване на отпадък от процеса на рафиниране – катран.

Работейки съвместно с изследователи от Националната лаборатория Оук Ридж, учените от MIT, започват да търсят начини за прогнозиране на свойствата на въглеродните влакна с цел определяне на условията за производството им. Катранът е съставен от хетерогенни молекули, което означава, че промяната на формата или размера им би трябвало да доведе до драстични изменения на свойствата. Чрез внимателно моделиране на начините на формиране на връзките и на омрежване на молекулите изследователите разработват начин за прогнозиране на това как даден набор от технологични условия ще повлияе на свойствата на влакната. Учените възпроизвеждат резултатите с такава точност, че според тях производителите могат директно да използват графиките, за да предскажат характеристики като плътност и коефициент на еластичност.

Резултатите от разработката показват, че чрез регулиране на стартовите условия могат да се получат въглеродни влакна, които се отличават с висока якост не само на опън, но и на натиск, което ги прави потенциално подходящи за приложения с пренасяне на товари.

Поканата за проекти на Министерството на енергетиката на САЩ е за сваляне на цената на олекотените материали под 5 долара за фунт, но учените от MIT смятат, че чрез техния метод цената може да падне до около 3 долара за фунт, въпреки че все още не са извършили подробен икономически анализ.