автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.06, диссертация на тему:Исследование процессов получения и термохимических превращений полиакрилонитрильных нановолокон

Сидорина Александра Игоревна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ

И ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ НАНОВОЛОКОН

Специальность 05.17.06 Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005546905

■ иоочоэиэ 10АПР2314

МОСКВА - 201« год

005546905

Сидорина Александра Игоревна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ

И ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ НАНОВОЛОКОН

Специальность 05.17.06 Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА-2014 год

Работа выполнена на кафедре технологии химических волокон и наноматериалов федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Научный руководитель: доктор химических наук профессор

Дружинина Тамара Викторовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор,

заведующая кафедрой химической технологии Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина Устинова Татьяна Петровна

доктор технических наук профессор, профессор кафедры нанострукгурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна Буринский Станислав Васильевич

Ведущая организация: ЗАО «ФГП Энергоконтракт»

Защита состоится 2014 г. в^Зчасов на заседании диссер-

тационного совета Д 212.144.07 в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии» по адресу: 115093, г. Москва, ул. Садовническая, д. 33, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии»

Автореферат разослан «¿Г»014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к. х. н. Алексанян К. Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время среди прекурсоров углеродных волокон доминирующее положение занимают полиакрилонит-рильные (ПАН) волокна благодаря высокой способности к карбонизации, малодефектной структуре и уровню упруго-прочностных свойств, в комплексе облегчающих их переработку в углеродное волокно (УВ). Одним из перспективных направлений дальнейшего улучшения свойств и расширения ассортимента углеродных волокон является совершенствование структуры ПАН волокон и снижение их тонины, что стимулирует развитие исследований в области технологии получения ПАН прекурсоров УВ, среди которых особое место занимают полиакрилонитрильные на-новолокнистые материалы.

В связи с этим весьма актуальна разработка технологии электроформования (ЭФ) нановолокнистых ПАН материалов, условия которого обеспечивают существенное изменение процесса структурообразования полимера благодаря высокой степени растяжения формуемой струи полимера в электрическом поле, в частности применительно к новому техническому оснащению процесса, основанному на бескапиллярном способе формирования первичных струй раствора. Получение нановолокнистых ПАН материалов, в том числе с наполнителями, позволяет расширить спектр ПАН волокнистых прекурсоров УВ для получения высокоэффективных фильтрующих материалов для жидких сред и газов, носителей катализаторов, наполнителей для электропроводящих композиционных материалов и др.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с Государственным заданием Минобрнауки России (шифр проекта 3.1305.2011) по теме «Разработка принципов получения наноструктури-рованных функционально-активных полимерных материалов».

Целью работы являлась разработка технологических основ бескапиллярного электроформования полиакрилонитрильного нановолок-нистого материала и установление закономерностей его структурных и химических превращений в условиях высокотемпературной обработки.

Для достижения поставленной цели:

- изучено влияние типа растворителя, концентрации полимера и ионов серебра на структурно-реологические свойства и электропроводность растворов полиакрилонитрила и способность их к волокнообразо-ванию в условиях переработки в нановолокнистый материал методом бескапиллярного электроформования;

- оптимизированы условия бескапиллярной технологии электроформования волокнистого полиакрилонитрильного материала из растворов в различных апротонных растворителях;

- исследованы закономерности термохимических превращений на-новолокнистого материала из полиакрилонитрила при высокотемпературной обработке;

- исследована возможность получения углерод-углеродных композитов на основе нановолокнистого полиакрилонитрильного прекурсора и рассмотрены области применения получаемых материалов.

Методы исследования. При выполнении экспериментальной части диссертационной работы были использованы физико-химические и физические методы исследования (вискозиметрия, химико-аналитические, термогравиметрический анализ, дифференциально-сканирующая калориметрия, ИК-спектроскопия, электронная и атомно-силовая микроскопии, адсорбционная порометрия, кислородный индекс).

Научная новизна работы.

- Установлена взаимосвязь состава растворов полиакрилонитрила (концентрации полимера, растворителя, содержания наноразмерного наполнителя) с их реологическими свойствами и способностью растворов к волокнообразованию в электростатическом поле в условиях бескапиллярной технологии формования.

- Обосновано использование диметилацетамида в качестве растворителя полиакрилонитрила при получении нановолокнистого прекурсора углеродных волокон, обеспечивающее повышение эффективности процесса карбонизации.

- Установлено влияние геометрических размеров волокон на термокинетику и энтальпию процесса циклизации полиакрилонитрила: смещение в область более низких температур температуры начала тепловыделения и уменьшение величины экзоэффекта для нановолокнистого материала, полученного методом электроформования, по сравнению с полиакрилонитрильным волокном микронного размера.

- Показано эффективное действие наночастиц серебра на процессы химических и структурных превращений полиакрилонитрила при термолизе в инертной среде, что обеспечивает в условиях карбонизации повышение выхода углеродного волокнистого материала на 20-40 %.

Практическая значимость результатов.

Разработаны технологические основы бескапиллярного электроформования нановолокнистого материала из растворов полиакрилонитрила в диметилацетамиде и растворов, содержащих ионы серебра.

Определены условия высокотемпературной обработки нановолокнистого полиакрилонитрильного материала, обеспечивающие получение углеволокнистых материалов с высокой электропроводностью.

Разработан процесс получения углеродных волокнистых материалов, содержащих наночастицы серебра, предназначенных для использования в качестве фильтров для обеззараживания воды.

Показана возможность получения на основе нановолокнистого полиакрилонитрильного прекурсора углерод-углеродных электропроводящих пористых композитов для создания газодиффузионных электродов топливных элементов.

Результаты диссертационной работы использованы в образовательной программе магистратуры по направлению 24.01.00 - Химическая технология в курсе «Инновационные технологии в производстве химических волокон».

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Студенты и молодые учёные КГТУ - производству», Кострома, 2011; Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2011), Москва, 2011; Третьей Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы», Москва, 2012; Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (ПРОГРЕСС-2012), Иваново, 2012; Четвёртой Международной конференции по химической технологии ХТ'12, Москва, 2012; Всероссийской молодёжной конференции, посвящённой 80-летию Московского государственного открытого университета имени В. С. Черномырдина, Москва, 2012.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 3 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК, 3 статьи в журналах, включённых в базу данных Web of Science, и 6 тезисов докладов.

Структура и объём работы. Работа содержит введение, литературный обзор, в котором проведён анализ работ в области электроформования и термохимических превращений ПАН прекурсоров углеродных волокон, методическую часть, экспериментальный раздел с обсуждением результатов исследований, выводы, список литературы (144 наименования). Диссертация изложена на 144 листах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 56 рисунков и приложение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 1 Состав и свойства формовочных растворов ПАН для процесса бескапиллярного электроформования нановолокон

Важнейшими параметрами, определяющими стабильность процесса электроформования, являются свойства формовочного раствора, такие как вязкость, электропроводность, поверхностное натяжение и др. Использование при ЭФ волокон менее вязких формовочных растворов, чем в классических процессах формования, потребовало при переходе на бескапиллярный способ получения новых ПАН прекурсоров УВ исследовать влияние концентрации полимера и типа растворителя (диме-тилформамида, диметилацетамида, диметилсульфоксида) на реологические свойства растворов. Показано, что растворы ПАН концентраций 7-12 % в апротонных растворителях при малых градиентах скоростей сдвига (при lgy<0,5) ведут себя как ньютоновские жидкости с постоянной вязкостью. Анализ возможных отклонений в свойствах рассматриваемых формовочных растворов проводили, используя значения наибольшей ньютоновской вязкости, которую находили экстраполяцией линейных

участков кривых зависимости 1дт| = f(y) к у=0. Для экстраполяционной оценки наибольшей ньютоновской вязкости использовали и эмпирическое уравнение r^1 = f(<r), где а - напряжение сдвига. Установлено, что в исследуемом диапазоне концентраций ПАН величина наибольшей ньютоновской вязкости (rio) формовочных растворов изменяется в пределах 0,8-6,3 Па с (табл. 1), а протяжённость области наибольшей ньютоновской вязкости зависит от содержания полимера в растворах. В области градиентов скоростей сдвига 0,5<lgy<1 исследуемые полимерные растворы проявляют свойства неньютоновских жидкостей. Система переходит в так называемую структурную область, в которой течение сопровождается изменением вязкости раствора за счёт разрушения межмолекулярных взаимодействий и распрямления гибких макромолекул в направлении потока. С ростом концентрации полимера наблюдается закономерный рост вязкости, особенно значительный для 12 %-ных растворов (рис. 1).

1,0*7 Ignjna c]

0.8-

0.6-

0.4

0.2-

0.5

1.0

2.5

19Т.[с ]

Рис. 1 - Реологические кривые растворов ПАН в различных растворителях -ДМСО (1, 5), ДМАА (4, 7), ДМФА (6, 8) при концентрациях 10 % (5, 7, 8) и 12 % (1,4, 6)

Реологические кривые 10 %-ных растворов ПАН в ДМАА, содержащих АдМОз, %: 1 (2); 0,5 (3)

Согласно значениям показателя п - тангенса угла наклона графической зависимости 1до = ^1ду), определённого в соответствии со степенным уравнением а = куп, где у - градиент скорости сдвига, исследуемые растворы ПАН в области градиентов скоростей 0,5<1ду<1 характеризуются относительно небольшой степенью аномалии вязкости («=0,94-0,97), которая возрастает с повышением содержания полимера в растворе.

Показано, что на вязкость формовочных растворов ПАН оказывает влияние и химическое строение апротонных растворителей. Рассчитанные относительные вязкости растворов в различных апротонных растворителях с учётом реологических свойств последних свидетельствуют, что уровень структурирования эквиконцентрированных растворов повышается в ряду диметилформамид-диметилацетамид-диметилсульфоксид в среднем в 1,3-1,5 раза. В этом же ряду имеет место и рост наибольшей ньютоновской вязкости исследуемых растворов (в 1,9-2,2 раза) (табл. 1).

растворителях

Растворитель Вязкость растворителя (%) Ю , Па с Вязкость раствора (Чо), Па с при концентрации ПАН, % Относительная вязкость т|о/г|р при концентрации ПАН, %

10 12 10 12

Диметилформамид 0,802 1,62 3,27 2020 4077

Диметилацетамид 0,920 1,88 3,92 2043 4261

Диметилсульфоксид 1,193 3,56 6,27 2984 5256

Поскольку задачами данной работы предусмотрено исследование возможности получения углеволокнистых материалов с бактерицидными свойствами, было признано целесообразным введение ионов серебра в формовочный раствор, а восстановление его до металлического совместить с процессом термоокисления.

Установлено существенное влияние наноразмерных частиц нитрата серебра на структурирование растворов ПАН в апротонных растворителях и снижение стабильности растворов при введении AgN03 в количестве более 0,5 % к массе полимера. Так, при введении в раствор ПАН в ДМАА нитрата серебра в количестве 1-2 % отмечается 6-8-ми кратное увеличение г|0, что может быть связано с конформационными ограничениями макромолекул полимера вследствие формирования структурной сетки с участием ионов серебра (рис. 1).

Что касается электродинамических свойств раствора ПАН, определяющих в условиях ЭФ способность к волокнообразованию и процессу ветвления, показано, что электропроводность растворов ПАН в апротонных растворителях примерно на два порядка выше, чем X чистых растворителей. Введение в раствор ПАН небольшого количества ионов серебра (0,5-1,5 %) не изменяет X раствора, в то время как введение AgN03 в чистый растворитель резко (с 1,8 до 232,6 мкСм/см) повышает его электропроводность (табл. 2).

Концентрация раствора, % Содержание AgN03, % к мкСм/см

Чистый ДМАА 0 1,8

0,5 232,6

10 0 233,1

0,5 216,0

0,75 228,2

1,0 212,5

Следует отметить, что растворы ПАН с электропроводностью порядка 215-230 мкСм/см пригодны для переработки их в волокно методом ЭФ.

Устойчивость процесса формования определяется и коэффициентом поверхностного натяжения (а), величина которого не должна превышать 0,05 Н/м. Поскольку для исследуемых растворов ПАН коэффициент поверхностного натяжения мало отличается от такового для чистого растворителя, то учитывая значения а для ДМФА (0,036 Н/м), ДМСО (0,043 Н/м) и ДМАА (0,052 Н/м), можно считать, что растворы ПАН в ДМФА, ДМСО и ДМАА соответствуют этому требованию.

На основании исследования свойств растворов ПАН, предназначенных для получения нановолокнистого ПАН прекурсора УВ методом бескапиллярного ЭФ, показано, что менее приемлемым является ДМСО вследствие существенного повышения вязкости раствора.

2 Особенности получения нановолокнистого ПАН материала методом бескапиллярного электроформования

Поскольку основные закономерности процесса электроформования нановолокон изучены для капиллярного способа, новые конструкторские решения ЭФ, в частности переход на высокопроизводительную бескапиллярную технологию, предопределяет необходимость отработки режимов формования, в нашем случае ПАН нановолокнистого материала - перспективного прекурсора для получения углеволокнистых материалов различного назначения.

Формование проводили на установке «Nanospider™» NS LAB 200S. Для разработки технологических условий бескапиллярного ЭФ нановолокнистого ПАН материала исследовали влияние концентрации полимера и вязкости раствора, строения апротонного растворителя и напряжения электростатического поля на волокнообразующую способность растворов в процессе формования и качество получаемого волокнистого материала. Что касается электропроводности растворов, то независимо от состава растворов, она находилась на уровне 230 мкСм/см.

Показано, что в условиях установки «Nanospider™», где реализован бесфильерный способ элекгроформования снизу вверх, с ростом вязкости растворов ПАН до 6,3 Па с процесс волокнообразования затрудняется. Повышение вязкости растворов до 5-6 Па с потребовало увеличения приложенного напряжения для генерирования конусов Тэй-лора на поверхности растворов. В тоже время, увеличение напряжения свыше критического значения (35-40 кВ) привело не к стабилизации волокнообразования, а к возрастанию изгибной (динамической) неустойчивости струи формовочного раствора, осаждению на подложку большого числа невысохших волокон, и вследствие ухудшения растяжения струй некоторые волокна не достигали подложки.

При исследовании влияния концентрации формовочных растворов ПАН и их реологических свойств на волокнообразующую способность показано, что 10-12 %-ные растворы полиакрилонитрила в ДМФА и ДМАА с вязкостью от 1,6 до 4,0 Па с обеспечивают стабильность бес-фильерного процесса ЭФ с формированием малодефектного волокнистого материала. ЭФ из 7 %-ного раствора ПАН с ^ 0,8 Па с осложнено получением волокнистого материала с дефектной структурой, который не отделяется от подложки без потери целостности.

Следует отметить, что в условиях «Nanospider™» в зависимости от химического строения растворителя и вязкости формовочного раствора нановолокнистый ПАН материал со стадии формования может содер-

жать от 10 до 17 % растворителя вследствие высокой температуры кипения используемых апротонных растворителей.

Таким образом, показано, что стабильность режимов бескапиллярного ЭФ для растворов ПАН при установленных рабочих напряжениях (35-40 кВ) и электропроводности полимерной системы определяется преимущественно вязкостью раствора, которая не должна превышать 4 Па с. Уже при вязкости около 6 Па с отмечаются нарушения при формовании, независимо от того, за счёт чего произошло это повышение -увеличения концентрации полимера, химического строения органического растворителя или введения АдМ03.

На основании анализа технологических параметров переработки растворов полиакрилонитрила в ДМФА, ДМАА и в ДМСО с концентрацией 7-12 % методом ЭФ установлено, что технологически приемлемыми для переработки на установке «Мапоэр!с1ег™» являются растворы полиакрилонитрила в ДМФА и ДМАА с концентрацией 10-12 %. Из них с технико-экономической точки зрения наиболее целесообразно использование растворов с концентрацией 12 %. Оптимизированные параметры процесса бесфильерного ЭФ ПАН волокон из растворов в ДМФА и ДМАА, обеспечивающие стабильность переработки растворов и формирования прочного малодефектного волокнистого материала, приведены в табл. 3.

Табл. 3 - Оптимальные параметры процесса бесфильерного электроформования

Параметры формовочного раствора Напряжение, кВ Общая характеристика процесса электроформования

Растворитель СпАН. % По, Пас У, мкСм/см Начальное Рабочее

ДМФА 12 3,27 225 20-25 33-35 Формование проходит стабильно. Формируется прочный слой волокнистого материала без склеек и с незначительным содержанием дефектов

ДМАА 12 3,92 230 22-25 34-37

Что касается растворов ПАН в ДМСО, то высокая температура кипения растворителя при данном техническом оформлении процесса не обеспечивает возможности должного удаления растворителя, а высокая вязкость затрудняет переработку растворов методом бескапиллярного ЭФ.

Существенное структурирование растворов ПАН в ДМАА при содержании нитрата серебра свыше 1 % также делает их переработку в нановолокнистый материал невозможной. Способность к переработке методом бескапиллярного ЭФ проявляют только растворы с содержанием нитрата серебра в количестве не более 0,5 %, но и в этом случае процесс формования может осложняться образованием отдельных толстых струй раствора и формированием неравномерного материала.

3 Закономерности термохимических превращений нановопокнистого ПАН материала, полученного методом электроформования

С целью выявления особенностей термохимических характеристик полученных наноразмерных волокон в сравнимых условиях аналогичные исследования были проведены для стандартного ПАН волокна микронного размера.

Одной из основных реакций, протекающих в полиакрилонитриле на начальной стадии термообработки в процессе получения УВ, является циклизация с участием нитрильных групп, приводящая к формированию лестничной структуры полимера, которая во многом определяет последующий процесс карбонизации, выход и свойства УВ. Поскольку при циклизации формируются устойчивые шестизвенные циклы, реакция сопровождается уменьшением свободной энергии и является термодинамически выгодным процессом. Экзотермичность процесса циклизации позволила нам исследовать его в условиях моделирования в температурной области 100-300°С с помощью дифференциально-сканирующей калориметрии (ДСК) (табл. 4).

Табл. 4. Данные ДСК ПАН нановолоконистого материала, полученного

Условия получения волокна Характеристика экзообласти

Растворитель СпАН, % Т„, °С Тк, °с Тппах. С ДН, Дж/г

ДМФА 10 206 309 292 342

ДМАА 205 320 290 255

ДМСО 209 309 294 374

ДМАА 12 213 320 290 352

ДМСО 200 311 291 409

Стандартное ПАН волокно 225 313 293 432

Кривые ДСК, снятые в атмосфере азота, показывают, что процессы циклизации для стандартного волокна и ПАН нановолокон проходят в широкой температурной области 200-320°С с чётким максимумом при температуре 290-294°С с различной энтальпией процессов. В большинстве случаев для нановолокон процессы циклизации начинаются при более низкой температуре, чем в случае обычного ПАН волокна. Установлено, что на ширину температурного интервала тепловыделения, регистрируемую на кривых ДСК ПАН нановолокон, условия получения волокон: концентрация формовочного раствора и природа растворителя не оказывают влияния. В тоже время величина экзоэффекга имеет тенденцию к небольшому повышению с увеличением концентрации полимера от 10 до 12 %, по-видимому, в результате изменения структуры волокон.

Несмотря на общность вида кривых ДСК и идентичность положения максимума экзопика для ПАН волокон, полученных бескапиллярным ЭФ и стандартным коагуляционным способом (рис. 2), в случае ультратонких ПАН волокон происходит смещение температуры начала тепловыделения в область более низких температур на 10-15°С, небольшое

10

снижение высоты экзопика и уменьшение экзоэффекта в среднем на 6070 Дж/г (табл. 4). Расширение области температур, в которых реализуется процесс тепловыделения, показывает, что реакция циклизации в ультратонких волокнах начинается раньше, а уменьшение энтальпии позволяет проводить её с большей скоростью.

Рис. 2 - Кривые ДСК нановолокнистого ПАН материала (1) и стандартного волокна (2)

Одной из возможных причин выявленных различий в протекании процессов циклизации ПАН, по-видимому, является снижение макрогетерогенности структуры ультратонких волокон в поперечном сечении, полученных электроформованием, что создаёт более благоприятные условия для реализации химических и структурных превращений с участием нитрильных групп полимера. При этом известно, что к основным морфологическим особенностям стандартного ПАН волокна относится высокая макрогетерогенность в сечении, тогда как специфика процесса формования ультратонких и наноразмерных волокон в электрическом поле предполагает формирование более однородной структуры, т. к. в случае ЭФ к моменту образования твёрдой фазы волокна уже завершаются процессы деформации волокон в жидкой фазе и релаксация напряжений.

При нагреве термоокисленных ПАН нановолокон на кривых ДСК появляется экзопик в области 338°С, что может свидетельствовать о переходе процесса термопревращений на новую стадию, сопровождающуюся протеканием других типов реакций в полимерной системе. Наблюдаемое на кривых ДСК повышение температуры максимума экзопика для термоокисленного нановолокна на 15°С и на 0,5 Вт/г увеличение теплового потока по сравнению со стандартным волокном позволяет сделать вывод о более высокой скорости термохимических превращений в наноматериале (рис. 3).

При исследовании термических свойств методом термогравиметрии показано, что в среднем скорости разложения для всех ПАН материалов невысокие и составляют 6-9 %/мин. Однако температуры максимальной скорости разложения для нановолокнистых материалов более низкие (550-600°С), чем для стандартного ПАН волокна (630°С). Кроме того, данные указывают на более низкую область температур (примерно на 50°С) начала разложения ПАН материалов, полученных ЭФ. Основные процессы разложения в окислительной среде для нановолокнистого ПАН протекают в более узкой области температур по сравнению со стандартным волокном (250-550°С и 300-650°С соответственно), о чём свидетельствуют значения коксового остатка.

11

Температура, °С

200 250 300 Температура, "С

(45-50 %) (рис. 4).

100

90

80 -|

«70 о <¿60 г

50 -40 ■ 30

350

300 400 500 600 700 800 Температура, "С

900

Рис. 3 - Кривые ДСК (инертная среда): нановолокнистого ПАН материала до (1) и после термоокисления (2) и термоокисленного стандартного волокна (3) При термообработке исследуемых ПАН волокон в инертной среде уже, начиная с 450-500°С, конденсационные процессы, приводящие к структурированию полимера, превалируют над термодеструкцией, результатом чего является более высокий уровень сохранения твёрдого коксового остатка до температуры 800°С, особенно для образца, полученного из растворов ПАН в ДМАА

Рис. 4 - Кривые ТГ для нановолокнистых материалов из ПАН (1-3) и стандартного волокна (4) (инертная среда) Состав формовочного раствора для ЭФ: концентрация - 12 (1, 2), 10 (3) %, растворители - ДМФА (1), ДМАА (2), ДМСО (3)

Наряду с этим происходит смещение максимальной скорости разложения нановолокнистых ПАН материалов в область высоких температур примерно на 50°С. Однако, несмотря на это, в конечном итоге нановолокнистый материал в инертной среде также менее ус-

тойчив к высокотемпературной обработке. Более низкая термическая устойчивость нановолокнистого ПАН возможно является следствием усиления процессов деструкции полимера, что обусловлено меньшими геометрическими размерами волокон.

4 Исследование процесса получения углеродных волокон на основе нановолокнистого полиакрилонитрильного материала Изучено влияние условий термоокисления и карбонизации нановолокнистого ПАН прекурсора УВ на процессы термохимических превращений и коксобразования.

Критерием при выборе оптимальных условий термоокисления -одной из важнейших стадий технологии получения углеродных волокон из ПАН прекурсора - служили значения коксового остатка, полученные на основе интегральных кривых потери массы в среде азота, и значения кислородного индекса образцов окисленных ПАН волокон. В процессе исследования установлено, что наиболее высокие выходы карбонизо-

ванного продукта и повышение кислородного индекса до 30 % достигнуты при термоокислении в режиме 280°С в течение 20 минут для образца ПАН нановолокнистого материала, полученного из растворов в ДМАА. Это свидетельствует о формировании в принятых условиях термоокисления предструктуры полимера, благоприятной для протекания процессов карбонизации ПАН.

Выявленные отличия в термических свойствах нановолокон от стандартного ПАН волокна в условиях высокотемпературной обработки общи для всех ПАН волокон, полученных ЭФ из растворов полимера в разных растворителях (ДМФА, ДМАА, ДМСО). В тоже время внутри этой группы по ряду показателей выделяются нановолокна, полученные из формовочных растворов в ДМАА. В основном это проявляется в более высокой термической устойчивости волокон в воздушной и инертной средах, в результате усиления процессов химических и структурных превращений полимера. Показано, что коксовый остаток в воздушной среде этого волокна, например, при 600°С в 2-2,5 раза выше, чем для волокон, полученных из растворов в ДМФА и ДМСО. При моделировании процесса карбонизации (инертная среда) выход УВ составляет 73 % (600°С) и 54 % (800°С) вместо 68-69 % (600°С) и 45-50 % (800°С) для нановолокон, полученных с использованием других растворителей, что может быть следствием изменения структуры волокна в процессе электроформования.

В реальных условиях проведения процессов карбонизации (900°С) и графитации (2000°С) показано, что термоокисленный нановолокни-стый ПАН материал обладает высокой способностью к карбонизации. Согласно кривой зависимости коксового остатка от температуры (рис. 6) выход углеродного волокна при 800°С составляет около 60 %, а при 2000°С - 50 %. При этом наиболее значительная потеря массы происходит при термообработке до 800°С с последующим небольшим уменьшением выхода углеродного остатка вплоть до температуры 2000°С.

Рис. 6 - Зависимость выхода УВ от температуры термообработки в процессах карбонизации и графитации нановолокнистого материала

В процессе высокотемпературной обработки происходит усадка нановолокнистого материала, основная в области 600-800°С (табл. 5). Последующий нагрев вплоть до 2000°С свидетельствует о стабильности формы материала. Наряду с этим изменяется и поверхностная плотность наноматериала, особенно значительно при температурах 1000-2000°С, что обусловлено потерей массы волокнистым материалом, уменьшени-

0 1000 2000 Температура, °С

ем площади поверхности полотна за счёт усадки и увеличением объёмной плотности элементарных волокон.

Табл. 5. Зависимость усадки нановолокнистого материала от температуры термообработки

ПАН волокна, содержащие частицы серебра, получали путём введения нитрата серебра в формовочный раствор, переработки его методом ЭФ с последующим восстановлением ионов серебра до металлического при термообработке материала в условиях проведения термоокисления ПАН. Согласно данным дифференциальных и интегральных кривых разложения термоокисленных образцов на-новолокнистых материалов, содержащих серебро, в инертной среде выявлено существенное снижение температуры максимальной скорости разложения (в среднем на 300°С) и более высокие выходы УВ 62 и 54 % при температурах карбонизации 750 и 900°С соответственно (рис. 7).

■1,5 Рис. 7 - Кривые ТГ (1, 1') и ДТГ

| (2, 2') для термоокисленных

■ 1 Л ПАН нановолокнистых мате-£ риалов (инертная среда),

■ 0,5 8.1 содержащего серебро (1, 2), 2 2 и исходного (1', 2') О о

■ о 5 «

а.

-I -0,5 1000 Температура, °С

5 Свойства нановолокнистых материалов из полиакрилонитрила

Исследование поверхностных свойств нановолокнистого ПАН материала (определение удельной поверхности, пористости, объёма пор, распределения пор по размерам) было проведено с использованием метода капиллярной конденсации азота (на приборе «Sorptomatic 1990» фирмы «Thermo Scientific» (США)).

Удельную площадь поверхности волокнистых материалов рассчитывали по уравнениям модели Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ), используя данные сорбции азота образцами ПАН материалов. Расчёт общего объёма и распределения пор по размерам проведён с использованием метода Баррета-Джойнера-Халенды (БДХ). Кроме того, общий объём пор был рассчитан по методу Гурвича. Полученные результаты представлены на рис. 8 и в табл. 6.

Вогнутый относительно оси Р/Р0 вид изотермы сорбции и отсутствие точки перегиба свидетельствует о повышенном взаимодействии ад-сорбат-адсорбат по сравнению с адсорбат-адсорбент для исследуемых материалов (рис. 8 а). Общий вид полученных изотерм сорбции харак-

14

t, °с Усадка, % t, °С Усадка, %

200 1 600 8

300 2 700 14

400 3 800 17

500 4 900 19

теризует исследуемые материалы как малопористые, что позволило для расчёта удельной поверхности использовать метод БЭТ.

По данным исследования сорбции азота ПАН наноматериал характеризуется более высокой удельной поверхностью по сравнению со стандартным волокном. Наряду с этим он примерно на 30-35 % имеет и больший объём пор, чем стандартное волокно, что подтверждается двумя методами расчётов - по Гурвичу и по БДХ. Суммарная площадь пор ПАН наноматериала также превышает таковую стандартного волокна примерно на 25 % (табл. 6).

Рис. 8 - Изотермы адсорбции (1, 1') и десорбции (2, 2') азота термоокисленными ПАН нановолокнистым материалом (1, 2) и стандартным волокном (1', 2') (а); б - интегральная (1) и дифференциальная (2) кривые распределения пор по размерам, определённые по методу БДХ

Табл. 6. Характеристика поверхности термоокисленных ПАН материалов

Образец Удельная площадь поверхности, м2/г Общий объём пор, см3/г Радиус поры, нм Общая площадь пор, м2/г

по Гурвичу (при р/ро=0,95) по БДХ минимальный средний

нановолокнистый материал 9,9 0,018 0,021 1,39 3,52 13,1

стандартное волокно 6,6 0,013 0,015 1,58 2,96 10,6

Условия термоокисления: температура 280°С, время 20 минут

На рис. 8 б представлены кривые интегрального и дифференциального распределения объёма пор по радиусам по методу БДХ. Как видно, на поверхности исследуемых материалов преобладают микро-(<2 нм) и мезопоры (2-50 нм) и отсутствуют макропоры (>50 нм). Зависимость объёма пор от радиуса для нановолокнистого материала имеет два локальных максимума - при радиусе пор ~2 нм и ~6 нм. При этом

наибольший объём приходится на поры с радиусом г=2 нм. Для стандартного ПАН волокна зависимость объёма пор от радиуса имеет три максимума (~1,7 нм, ~2,5 нм и ~4,8 нм), из которых в волокне превалируют поры с радиусом г=1,7 нм.

О формировании более развитой макроструктуры нановолокнисто-го материала указывают и данные по сорбции паров воды (3,7 % вместо 0,5 % для стандартного волокна) и йода (рис. 9).

Рис. 9 - Кинетика сорбции йода термоокисленными ПАН нановолокни-стым материалом (1) и стандартным волокном (2)

Для визуализации структуры волокнистого материала, полученного электроформованием, и определения диаметра ПАН волокон был использован метод сканирующей электронной микроскопии и АСМ (рис. 10). Анализ полученных снимков показывает, что формируемый волокнистый материал характеризуется дисперсией по размерам волокон, которые при этом слабо скреплены между собой.

5 10 15 20 25 30 35 40 60 Продолжительность, мин.

' • V-

% Jf.V* ? •

щ

Рис. 10 - Электронные снимки (а) (увеличение 2000 раз) и микрофотография поверхности, полученная на АСМ (б), ПАН нановолокнистого материала

Согласно диаграмме, представленной на рис. 11, подавляющее большинство волокон имеет диаметр 300-450 нм при диаметре стандартного волокна 10,4 мкм. Причиной неоднородности волокнистого материала в плане наличия спектра диаметров генерируемых волокон могут быть случайного характера перераспределения электрических зарядов вдоль образующихся дочерних струй, что вызывает их неполное

расщепление, а также образование петлей. Кроме того, возможно слипание волокон при осаждении, которое связано с неполным удалением растворителя.

2д Рис. 11 - Диаграмма

" распределения во-

локон по диаметрам в волокнистом ПАН материале

Микрофотографии волокнистого материала, полученного методом ЭФ, приведённые на рис. 12, свидетельствуют о формиро-

100 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Диаметр, нм

вании слоистой структуры материала. Отчётливо виден характер укладки волокон, количество слоев элементарных волокон в срезе составляет 50-70 при средней толщине материала -140 мкм.

17к V Х700 20МГП 0В07 22/5ЕР/11

Рис. 12 - Морфология волокнистого материала на различных

этапах получения УВМ После термоокисления (280°С): а - поверхность, б - поперечный срез После графитации (2000°С): в - поверхность, а-поперечный срез

Углеродный материал из нановолокнистого ПАН прекурсора обладает высокой электропроводностью, которая существенно зависит от

250

750 1250 1750 Температура, °С

температуры термообработки при карбонизации и графитации. С увеличением температуры обработки от 900 до 2000°С электропроводность материала повышается примерно на порядок, что указывает на возможность регулирования электропроводности углеродных волокон температурой проведения соответствующих процессов (рис. 13).

Рис. 13 - Зависимость удельной объёмной электропроводности УВМ от температуры термообработки

Исследована возможность использования нано-волокнистого углеродного материала в качестве наполнителя для электропроводящих углерод-углеродных композитов. С этой целью вначале были получены полимерные композиты с феноло-формальдегидной и ПАН матрицами, а затем композиционные материалы последовательно подвергали термообработке в условиях термоокисления (230°С), карбонизации (900°С) и графитации (2000°С).

Показано, что удельная объёмная электропроводность полученных углерод-углеродных волокнистых композитов в среднем в 5 раз выше по сравнению с графитированным нановолокнистым материалом, что обусловлено увеличением числа электрически контактирующих волокон за счёт плотного скрепления волокон друг с другом электропроводящим графитированным связующим, а значения пористости полученных углерод-углеродных композитов соответствуют требованиям, предъявляемым к газодиффузионным подложкам топливных элементов. В связи с этим они могут быть использованы в качестве подложки для создания газодиффузионных электродов топливных элементов.

Выводы

1. Исследованы реологические свойства растворов полиакрило-нитрила в апротонных растворителях и показано, что в условиях бескапиллярного электроформования наилучшей способностью к волокнооб-разованию обладают растворы с вязкостью 1,6-4,0 Па с.

2. Оптимизированы составы формовочных растворов полиакрило-нитрила и технологические параметры бесфильерного электроформования нановолокон с диаметром 300-450 нм в условиях «Мапозр1с1ег™».

3. Получены сравнительные данные о влиянии геометрических размеров нано- и микроволокнистых систем полиакрилонитрила, полученных бескапиллярным электроформованием и коагуляционным способом, на процессы термохимических и структурных превращений полимера. Показано, что для нановолокон процессы циклизации полиак-

рилонитрила начинаются при более низкой температуре (на 10-15°С) и протекают с меньшим тепловым эффектом в среднем на 60-70 Дж/г, что связано с меньшей макрогетерогенностью структуры ультратонких волокон в поперечном сечении и более высокой удельной поверхностью.

4. Методом термогравиметрии установлено, что основные процессы разложения в воздушной среде нановолокнистого материала протекают в более узкой области температур по сравнению со стандартным полиакрилонитрильным волокном (250-550°С и 300-650°С соответственно), процессы коксообразования в инертной среде для наноматериа-ла во многом определяются структурой получаемых волокон. Наибольшую термическую устойчивость проявляют нановолокнистые материалы, полученные из растворов в диметилацетамиде, коксовые остатки продуктов разложения которых в инертной среде до температуры 750°С соизмеримы с таковыми для стандартного полиакрилонитрильного волокна, что позволяет рекомендовать их для использования в качестве прекурсора углеродных волокон.

5. Показано, что выбранные условия проведения процессов термоокисления и карбонизации нановолокнистого полиакрилонитрильного прекурсора обеспечивают выход углеродных волокон на уровне 55-60 % при 800°С и 50 % при 2000°С.

6. Из растворов ПАН, содержащих нитрат серебра, методом электроформования и последующей термообработки получен углеволокни-стый наноматериал, предназначенный для создания фильтрующего материала с обеззараживающими свойствами.

7. Показано, что нановолокнистый ПАН материал, полученный электроформованием, может быть рекомендован в качестве прекурсора углерод-углеродных электропроводящих пористых композитов, используемых для создания газодиффузионных электродов топливных элементов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

Статьи в изданиях из перечня ВАК

1 Дружинина Т. В., Сидорина А. И.. Татарникова Е. С. Получение полиакрилонитрильного волокнистого материала бесфильерным способом электроформования // Хим. волокна. - 2011. - № 5. - С. 3-7.

2 Сидорина А. И., Дружинина Т. В. Состав и свойства растворов полиакри-лонитрила для процессов электроформования нановолокон // Хим. волокна. - 2012. - № 4. - С. 23-27.

3 Углерод-углеродные композиты на основе прекурсоров, полученных электростатическим формованием / Лысенко В. А., Дружинина Т. В., Лысенко А. А., Сальникова П. Ю., Сидорина А. И. // Хим. волокна. - 2013. - № 1. - С. 22-26.

Статьи в изданиях, включённых в базу данных Web of Science:

4 Druzhinina T. V., Sidorina A. !.. Tatarnikova E. S. Obtaining polyacrylonitrile fiber material by spinneretless electrospinning. - Fibre Chem. - 2012. - Vol. 43. - № 5. - P. 327-331.

5 Sidorina A. !.. Druzhinina T. V. Composition and properties of polyacrylonitrile solutions for nanofibre electrospinning processes. - Fibre Chem. - 2012. - Vol. 44. -№4. -P. 221-226.

6 Carbon-carbon composites based on precursors obtained by electrostatic spinning / Lysenko V. A., Druzhinina T. V., Lysenko A. A., Sal'nikova P. Yu., Sidorina A. I. // Fibre Chem. - 2013. - Vol. 45. - № 1. - P. 21-24.

Публикации в других изданиях

7 Васина (Сидорина) А. И.. Татарникова Е. С., Дружинина Т. В. Основные закономерности процесса электроформования ультратонких полиакрилонитрильных волокон // Студенты и молодые учёные КГТУ -производству: материалы 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых учёных и студентов. / КГТУ, 2011. - Кострома: Изд-во КГТУ. - 2011. - Т. 2. - С. 70-71.

8 Сидорина А. И.. Дружинина Т. В. Влияние состава и реологических свойств растворов полиакрилонитрила на их способность к волокнообразованию в условиях электроформования // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2011) - М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А. Н. Косыгина».-2011.-С. 117-118.

9 Сидорина А. И.. Дружинина Т. В. Термоокисление ультратонких попиакрилонитрильных волокон II Нанотехнологии и наноматериалы: материалы III Международной научно-технической конференции. - М.: Изд-во МГОУ. - 2012. - С. 258-259.

10 Сидорина А. И.. Дружинина Т. В. Новый материал из полиакрилонитрильных волокон II Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (ПРОГРЕСС-2012) - Иваново: ИГТА. - 2012. - Часть 1. - С. 209-210.

11 Сидорина А. И.. Дружинина Т. В. Электроформование и термические свойства ультратонких полиакрилонитрильных волокон // Химическая технология (Сборник тезисов докладов): IV Всероссийская конференция по химической технологии, Всероссийская молодежная конференция по химической технологии, Всероссийская школа по химической технологии для молодых ученых и специалистов, Всероссийский симпозиум по химии и технологии экстракции и сорбции / Под ред. Ю. А. Заходяевой, В. В. Беловой. - М.: - 2012. - Т. 2 - С. 176-177.

12 Сидорина А. И.. Дружинина Т. В. Получение и термические свойства нановолокнистого материала из полиакрилонитрила // Наноматериалы и нанотехнологии: проблемы и перспективы: материалы Всероссийской молодёжной конференции, посвященной 80-летию Московского государственного открытого университета имени В. С. Черномырдина. -М.: Изд-во МГОУ. - 2012. - С. 96-97.

Сидорина Александра Игоревна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ

И ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ НАНОВОЛОКОН

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать Формат бумаги 60x84/16 Бумага офсетная. Усл.печ.л. 1,25 Заказ № 11-н Тираж 80 Редакционно-издательский отдел МГУДТ, 115093, Москва, ул. Садовническая, 33, стр. 1 Отпечатано в РИО МГУДТ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ»

04201457896 На правах рукописи

СИДОРИНА АЛЕКСАНДРА ИГОРЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ И ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛЬНЫХ НАНОВОЛОКОН

Специальность 05.17.06 Технология и переработка полимеров и композитов

диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

научный руководитель доктор химических наук профессор Дружинина Т. В.

МОСКВА - 2014 год

1

Содержание

Введение........................................................................... 4

1 Литературный обзор.......................................................... 7

1.1 Получение и свойства наноструктурированных волокнистых ^ систем........................................................................

1.1.1 Особенности процесса электроформования нановолокон... 7

1.1.2 Свойства и применение нановолокнистых материалов...... 28

1.2 Термохимические превращения полиакрилонитрильных воло-

-ЭО

КОН..............................................................................

2 Методическая часть......................................................................................................................45

2.1 Объекты исследования............................................................................................................45

2.2 Методы проведения эксперимента............................................................................46

2.3 Методы исследования............................................................................................................56

3 Экспериментальная часть......................................................................................................66

3.1 Состав и свойства формовочных растворов полиакрилонитрила

для процесса бескапиллярного электроформования нановоло- ^ кон..............................................................................

3.2 Особенности получения нановолокнистого материала из поли- ^ акрилонитрила методом бескапиллярного электроформования...

3.3 Закономерности термохимических превращений нановолокнистого полиакрилонитрильного материала, полученного мето- gg дом электроформования...................................................

3.4 Исследование процесса получения углеродных волокон на основе нановолокнистого полиакрилонитрильного материала...... ^

3.5 Свойства нановолокнистых материалов из полиакрилонитри- ^ л а................................................................................

Выводы........................................................................... 127

Литература....................................................................... 129

Приложение..................................................................... 145

Список сокращений

АБС - акрилонитрилбутадиенстирол

АСМ — атомно-силовая микроскопия

БДХ - метод Баррета-Джойнера-Халенды

БЭТ — модель Брунауэра-Эммета-Теллера

ДМАА - диметилацетамид

ДМСО - диметилсульфоксид

ДМФА - диметилформамид

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

ДСК - дифференциальная сканирующая калориметрия

КИ — кислородный индекс

КО — коксовый остаток

КПД - коэффициент полезного действия

ММ - молекулярная масса

ПАН - полиакрилонитрил

ПВДФ - поливинилиденфторид

ПВС - поливиниловый спирт

ПВХ — поливинилхлорид

ПЭО - полиэтиленоксид

ТГА - термогравиметрический анализ

УВ - углеродное волокно

УВМ - углеродный волокнистый материал

УВС - углеволокнистый сорбент

УНТ - углеродные нанотрубки

УУВК - углерод-углеродный волокнистый композит

ЭПР - электронный парамагнитный резонанс

ЭФ — электроформование

Введение

В настоящее время среди прекурсоров углеродных волокон доминирующее положение занимают полиакрилонитрильные (ПАН) волокна благодаря высокой способности к карбонизации, малодефектной структуре и уровню упруго-прочностных свойств, в комплексе облегчающих их переработку в углеродное волокно (УВ). Одним из перспективных направлений дальнейшего улучшения свойств и расширения ассортимента углеродных волокон является совершенствование структуры ПАН волокон и снижение их тонины, что стимулировало развитие исследований в области технологии получения ПАН прекурсоров УВ, среди которых особое место занимают полиакрилонитрильные нановолокнистые материалы.

В связи с этим весьма актуальна разработка технологии электроформования нановолокнистых полиакрилонитрильных материалов, условия которого обеспечивают существенное изменение процесса структурообразования полимера, благодаря высокой степени растяжения формуемой струи полимера в электрическом поле. Использование нового аппаратурного оснащения процесса, основанного на бескапиллярном способе формирования первичных струй раствора, позволяет расширить спектр полиакрилонитрильных волокнистых прекурсоров углеродных волокон для получения высокоэффективных фильтрующих материалов для жидких сред и газов, носителей катализаторов, наполнителей для электропроводящих композиционных материалов и

др.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с Государственным заданием Минобрнауки России (шифр проекта 3.1305.2011) по теме «Разработка принципов получения наноструктурированных функционально-активных полимерных материалов».

Целью работы являлась разработка технологических основ бескапиллярного электроформования полиакрилонитрильного нановолокнистого материала и установление закономерностей его структурных и химических

превращений в условиях высокотемпературной обработки.

4

Для достижения поставленной цели:

- изучено влияние типа растворителя, концентрации полимера и ионов серебра на структурно-реологические свойства и электропроводность растворов полиакрилонитрила и способность их к волокнообразованию в условиях переработки в нановолокнистый материал методом бескапиллярного электроформования;

- оптимизированы условия бескапиллярной технологии электроформования волокнистого полиакрилонитрильного материала из растворов в различных апротонных растворителях;

- исследованы закономерности термохимических превращений нано-волокнистого материала из полиакрилонитрила при высокотемпературной обработке;

- исследована возможность получения углерод-углеродных композитов на основе нановолокнистого полиакрилонитрильного прекурсора и рассмотрены области применения получаемых материалов.

Научная новизна работы.

- Установлена взаимосвязь состава растворов полиакрилонитрила (концентрации полимера, растворителя, содержания наноразмерного наполнителя) с их реологическими свойствами и способностью растворов к волокнообразованию в электростатическом поле бескапиллярной технологии формования.

- Обосновано использование диметилацетамида в качестве растворителя полиакрилонитрила при получении нановолокнистого прекурсора углеродных волокон, обеспечивающее повышение эффективности процесса карбонизации.

- Установлено влияние геометрических размеров волокон на термокинетику и энтальпию процесса циклизации полиакрилонитрила: смещение в область более низких температур температуры начала тепловыделения и уменьшение величины экзоэффекта для нановолокнистого материала, полу-

ченного методом электроформования, по сравнению с полиакрилонитриль-ным волокном микронного размера.

- Показано эффективное действие наночастиц серебра на процессы химических и структурных превращений полиакрилонитрила при термолизе в инертной среде, что обеспечивает в условиях карбонизации повышение выхода углеродного волокнистого материала на 20-40 %.

Практическая значимость результатов.

Разработаны технологические основы бескапиллярного электроформования нановолокнистого материала из растворов полиакрилонитрила в диме-тилацетамиде и растворов, содержащих ионы серебра.

Определены условия высокотемпературной обработки нановолокнистого полиакрилонитрильного материала, обеспечивающие получение угле-волокнистых материалов с высокой электропроводностью.

Разработан процесс получения углеродных волокнистых материалов, содержащих наночастицы серебра, предназначенных для использования в качестве фильтров для обеззараживания воды.

Показана возможность получения на основе нановолокнистого полиакрилонитрильного прекурсора углерод-углеродных электропроводящих пористых композитов для создания газодиффузионных электродов топливных элементов.

Результаты диссертационной работы использованы в образовательной программе магистратуры по направлению 24.01.00 - Химическая технология в курсе «Инновационные технологии в производстве химических волокон».

1 Литературный обзор 1.1 Получение и свойства ианоструктурированных волокнистых систем 1.1.1 Особенности процесса электроформования нановолокон

Большой интерес к ультратонким и наноразмерным материалам, в том числе волокнам, обусловлен возможностью существенного изменения целого ряда свойств (механических, упруго-прочностных и др.) и специфического влияния на химические и физико-химические процессы в полимерных системах при уменьшении диаметра волокон до достижения наноуровня [1]. Так на сегодняшний день уменьшение диаметра волокон в область порядка единиц нанометров приводит к увеличению прочности, которая достигает рекордной величины среди всех известных материалов для одностенных углеродных нанотрубок. Теоретические прочности на разрыв и изгиб составляют -100 ГПа, модуль Юнга углеродной нанотрубки достигает значения в ~1 ТПа (1000 Г/Па), а эта же величина для стенки нанотрубки - фактически модуль одного графенового слоя - достигает значений порядка 4,1--4,5 ТПа [2]. В связи с этим исследования в области получения нановолокон, в том числе полимерных, представляющих собой перспективный ассортимент нанообъ-ектов, чрезвычайно актуальны. С одной стороны ультратонкие волокна представляют самостоятельный интерес для различных применений в виду улучшенных свойств по сравнению с их аналогами микронного диаметра, с другой стороны отдельные нановолокнистые материалы являются прекурсорами для получения неорганических наноматериалов путём их соответствующей термохимической обработки.

Существуют различные способы получения полимерных нановолокон, среди которых наибольшее распространение для длинных полимерных нановолокон получили вытягивание, темплатный синтез и электроформование. Такие способы как выращивание из паровой фазы [3], лазерная абляция [4], химическое осаждение из паровой фазы [5] и применение дугового разряда очень дорогие, малопроизводительные и требуют сложного специального оборудования.

Метод вытягивания состоит в том, что тонкая игла слегка погружается при помощи микроманипулятора в каплю полимерного раствора (расплава) вблизи контактной границы (рисунок 1 а). Затем игла извлекается из капли со скоростью-10"4 м/с, вытягивая за собой нановолокно. Таким способом могут быть получены нановолокна из полимеров, выдерживающих большие деформации. Длина получаемых волокон определяется скоростью отверждения волокна за счёт испарения растворителя (при формовании из раствора полимера) или стеклования расплава (при формовании из расплава полиме-

а

Поршень

Формовочный раствор полимера

Фильера с

наноразмерными

отверстиями

Коагуляционная ванна

б

Рисунок 1 - Схематичное изображение получения нановолокон: а - методом вытягивания; б - темплатным методом

Под темплатным получением полимерных нановолокон понимают формование волокна с использованием подложки с ориентированными нано-порами, определяющими направление экструзии полимерного раствора (рисунок 1 б). Раствор полимера продавливается через нанопористую мембрану за счёт создаваемого гидростатического давления, и образующиеся наност-руи поступают в осаждающий раствор. Диаметр нановолокон определяется диаметром нанопор. В качестве нанопористой мембраны используются пористые оксиды, например, анодированный оксид алюминия, или металлические фильеры с нанопорами, полученными лазерным сверлением. К темплат-ному методу относят репликацию ДНК, рост нановолокон на нанотрубке, а также на кристаллографической ступеньке монокристалла [6, 7].

Электроформование - это процесс, который приводит к формированию нановолокон в результате действия электростатических сил на электрически заряженную струю полимерного раствора или расплава [8].

Для растворов полимеров процесс электроформования волокон представляет собой бесфильерное формование по сухому способу, при котором деформация исходного полимерного раствора, последующий транспорт от-верждаемых в результате охлаждения или испарения растворителя волокон и формирование волокнистого слоя осуществляется за счёт электрических сил [9]. Характерными особенностями процесса электроформования являются чрезвычайно быстрое формирование структуры волокна, которое происходит на миллисекундном уровне, удлинение материала за время порядка тысячной доли секунды и сокращение площади поперечного сечения в 105—106 раз, которые, как показали исследования, затрагивают ориентацию структурных элементов в волокне [10]. Преимуществом процесса электроформования является аппаратурная простота и возможность переработки в волокна практически любого растворимого полимера.

Традиционно процесс электроформования осуществляется по капиллярному способу (рисунок 2), и именно для этого способа в литературе

встречается описание наибольшего числа закономерностей. К раствору по-

9

лимера, подаваемого при помощи дозатора через капилляр, подводят регулируемое постоянное, обычно отрицательное, высокое электрическое напряжение, которое индуцирует в растворе полимера одноимённые электрические заряды. Формирование первичной струи представляет собой электрогидродинамику слабопроводящей неньютоновской жидкости. Под действием электрических сил снаружи и в результате кулоновского электростатического отталкивания зарядов на поверхности создаётся неустойчивость, в результате которой капля раствора полимера из сферической формы переходит в форму конуса (так называемый конус Тэйлора) и образует непрерывную струю, скорость которой возрастает по ходу движения в направлении внешнего электрического поля. На данном этапе стационарный режим формирования струи без разрыва жидкости обеспечивает стабильность всего процесса электроформования. Ось непрерывной жидкой струи совпадает с направлением электрического поля. В литературе описаны различные неустойчивости и деформации, действию которых подвергается полимерная струя в процессе электростатического вытягивания [10].

Подача

формовочного раствора

Источник высокого напряження

7

мныи

Нановолокна

электрод

Рисунок 2 - Принципиальная схема установки для получения нановолокон капиллярным способом электроформования

Струйное течение формовочного раствора сопровождает омическая инжекция одноимённого электрического заряда с электрода в струю раствора, что приводит к её поперечной неустойчивости. При относительно низком поверхностном заряде осесимметричная (капиллярная) неустойчивость может привести к ряду последовательных расщеплений полимерной струи на более тонкие в зависимости от значений вязкости, поверхностного натяжения и электропроводности полимерного раствора (рисунок 3). Полученные струи отверждаются за счёт испарения растворителя или в результате охлаждения, и под действием электростатических сил перемещаются к приёмному электроду, имеющему противоположное значение электрического потенциала [11].

abe

Рисунок 3 - Общий характер последовательных расщеплений а - идеальное; б - реальное; в - фотография расщепляющейся струи

Причиной поперечного расщепления струи вдоль своей оси является концентрирование одноимённых электрических зарядов вдоль наиболее удалённых друг от друга участков поверхности предварительно уплощённой струи. Необходимым условием для этого является более высокое электрическое давление на поверхности струи над капиллярным:

Е/8л > а/г,

где Е - напряжённость электрического поля, а - коэффициент поверхностного натяжения, г - радиус капилляра.

Расщепление может продолжаться до тех пор, пока нарастающее капиллярное давление на поверхности дочерних струй не уравновесит электрическое [9].

При высокой плотности поверхностного заряда полимерная струя подвергается действию изгибной (динамической) неустойчивости. При исследовании с помощью высокоскоростной камеры было отмечено, что жидкая заряженная струя раствора разворачивается поперёк направления поля и немного тормозится силой сопротивления среды. Струя раствора совершает боковые изгибания и захлёстывания, образуя увеличивающиеся в диаметре петли, что в результате отталкивания одноимённых зарядов приводит к утонению струи (рисунок 4). Было показано, что визуально наблюдаемая кону-соподобная структура формующихся нитей возникает вследствие отражения света от поверхности интенсивно изгибающейся струи. Несколько исследовательских групп пытались объяснить изгибную неустойчивость математическими моделями [12].

Рисунок 4 - Схематичное изображение

изг