Введение к работе
Актуальность
Углеродные волокнистые материалы (УВМ) относятся к наиболее перспективным материалам благодаря их термо- и хемостойкости, высокой сорбционной емкости, электропроводности и механическим свойствам. Свойства УВМ определяют важнейшие области их применения: в задачах очистки от различных жидких и газообразных сред; в композитах в качестве армирующего наполнителя; для создания катализаторов с высокой активностью, селективностью и стабильностью; для депонирования газообразных или конденсированных веществ; в суперконденсаторах; для защиты объектов от обнаружения радарами и др.
Одним из методов получения полимерных волокон прекурсоров с диаметром в диапазоне от десятков нм до нескольких мкм является метод электроформования или электроспиннинга, который отличается высокой производительностью, технологичностью, простотой аппаратурного оформления.
В настоящее время для получения УВМ наиболее перспективен полиакрилонитрил (ПАН). Однако до сих пор остаются открытыми и актуальными вопросы по изучению влияния молекулярных свойств ПАН на структуру и свойства получаемого волокнистого материала-прекурсора; методы получения структур с различной степенью упорядоченности ПАН-волокон, полученных с помощью электроформования; влияние продолжительности термообработки на физико-химические и механические свойства УВМ на основе ПАН различной молекулярной массы. Отсутствие этих данных не позволяет оптимизировать технологию получения УВМ из ПАН.
Цель работы
Выявление электрореологических закономерностей поведения растворов
полиакрилонитрила в широком диапазоне молекулярных масс и изучение влияния молекулярной массы полиакрилонитрила на структуру и свойства карбонизированных микро- и нановолокнистых материалов для оптимизации процессов формования волокнистых материалов. Научная новизна - Впервые в широком диапазоне молекулярных масс изучен процесс растяжения полимерных струй из растворов ПАН в электрическом поле. Установлено, что с увеличением молекулярной массы ПАН область устойчивого электроформования смещается в диапазон более низких значений напряженности электрического поля, а средний диаметр волокна увеличивается до 1.1 мкм, наблюдаемые закономерности объясняются изменением электрореологических свойств растворов;
- установлено, что изменение молекулярной массы ПАН в диапазоне от 2.8-10 до 7.0-10 слабо влияет на процессы термоокисления и карбонизации нетканого волокнистого материала;
- методом электроформования из растворов ПАН с молекулярной массой от 3.7-10 до
7.0-10 получены пучки параллельных волокон, имеющих высокую степень ориентации
макромолекул в волокне;
- показано, что наилучшими механическими характеристиками обладают
термоокисленные ПАН-волокна с молекулярной массой 5.8-10 ;
показано, что уменьшение скорости нагрева при карбонизации приводит к увеличению удельной поверхности волокон.
выявленные закономерности поведения полимерных растворов с широким диапазоном молекулярных масс в электрическом поле позволяют оптимизировать процессы формования волокнистых материалов.
Практическая ценность
Разработанный способ получения методом электроформования ориентированных пучков волокон из ПАН может быть использован для создания углеродных высокомодульных волокнистых материалов, предназначенных для использования в авиационной, атомной и других отраслях промышленности.
Полученные результаты могут быть рекомендованы для создания газоочистных систем на основе высокоэффективных фильтрующих и (или) сорбционных материалов с удельной поверхностью свыше 1500 м /г, а также при разработке углеродных волокнистых композитов и изделий на их основе. Личный вклад автора:
Автор лично выполнял все этапы работы, включая постановку задач, проведение эксперимента, анализ и обсуждение результатов.
Автор защищает:
- совокупность полученных результатов по изучению реологических свойств растворов
ПАН с различной молекулярной массой и их влияние на процесс электроформования нетканых волокнистых материалов.
закономерности процесса динамики растяжения струи из раствора ПАН с различной молекулярной массой.
количественные характеристики влияния молекулярной массы ПАН на прочностные свойства нетканых волокнистых материалов, полученных методом электроформования.
- способ получения ориентированных пучков ПАН-волокон методом электроформования.
- установленную зависимость между скоростью подъема температуры, интенсивностью процесса активации и физико-механическими, сорбционными характеристиками карбонизированных нетканых волокнистых материалов на основе ПАН. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на Всероссийской школе семинаре «Физхимия 2010» (Москва, 2010), Всероссийской научно-практической конференции «VII Петряновские чтения» (Москва, 2009), XIV Международной выставке «Безопасность и охрана труда» (Москва, декабрь 2010). Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, тезисы докладов в сборниках трудов Всероссийских конференций.
Структура и объем диссертационной работы
