Введение к работе
Актуальность проблемы
В последнее время приобретает особое значение интенсификация использования полимерных ионообменных материалов в динамично развивающихся наукоёмких отраслях техники и технологий, среди которых, в первую очередь, можно выделить водоподготовку и водоочистку. Несмотря на широкий спектр известных материалов данного типа, они не всегда удовлетворяют возрастающим требованиям, таким как технологичность, химико-физическая активационная стабильность и прочностная инвариантность. В то же время многообразие функциональных связей и свойств, характерное для композитных сред, многофакторный характер зависимостей их свойств от свойств компонентов, способов получения и переработки указывают на богатые, во многом еще не известные потенциальные возможности таких систем. Результаты анализа литературных и патентных исследований свидетельствуют о том, что получение и последующее регулирование подобных нанополимерных волокнистых ионообменных структур путём введения ультрадисперсных неорганических модифицирующих добавок ранее не изучались. Разработка технологии нанополимерных композитов с уникальным комплексом свойств – наиболее перспективное направление, решающее важнейшие экологические задачи осуществления радикальных методов защиты окружающей среды.
В связи с этим, разработка технологии нанополимерных композиционных материалов с многофункциональным комплексом свойств является актуальной научно-прикладной задачей.
Целью диссертационной работы является создание нанокомпозитов «Поликон КН» многоцелевого назначения с контролируемой дифференциальной множественностью проявлений свойств и функциональных связей.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- обоснование использования наноразмерных частиц кремния и железа с высокой активационной способностью и исследование их свойств;
- исследование особенностей кинетики процесса синтеза и структурообразования модифицированной катионитовой матрицы при поликонденсационном наполнении в присутствии наполнителей;
- установление корреляции между рецептурным составом, структурными характеристиками, свойствами материалов «Поликон К» и возможностями их направленного регулирования.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
- исследованы и установлены основные физико-химические особенности получения нанополимерных композитов поликонденсационного наполнения, заключающиеся в направленном регулировании структуры материалов;
- установлено каталитическое влияние наноразмерных частиц железа на синтез полимерной сульфокатионитовой матрицы, обеспечивающее интенсификацию процесса синтеза и возможности его осуществления при более низких температурах (-Dt=300 с, - Dt=30o C);
- разработаны и оптимизированы пространственные модели композиционных хемосорбционных волокнистых материалов (КХВМ) «Поликон К» и «Поликон КН», проведено квантово-химическое моделирование приоритетного и наиболее вероятного взаимодействия волокнистой основы с полимерной матрицей и неорганическими ультрадисперсными добавками;
- изучены особенности структурообразования нанокомпозитов «Поликон КН», в присутствии ультрадисперсных добавок железа и кремния, впервые показано формирование разноуровневой пористой структуры, дана количественная оценка пористости разработанных материалов;
-установлена корреляция между составом волокнистого наполнителя, ультрадисперсными добавками, структурными характеристиками, свойствами материалов «Поликон К» и возможностями их направленного регулирования.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
- разработаны технология и рецептурный состав нанокомпозитов «Поликон КН» с усовершенствованной структурой, пониженным электросопротивлением и высокими селективными свойствами. Разработки защищены патентами (пат. № 2 463 314 РФ заявл. 22 марта 2011 г.; опубл. 10.10.2012, пат. № 2 471 822 РФ заявл. 05 июля 2011 г.; опубл. 10.01.2013; положительное решение о выдаче патента на изобретение от 3.10.13 по заявке 2013101387 РФ);
-предложена технологическая схема производства нанокомпозитов «Поликон КН»;
-показана эффективность использования нанокомпозитов «Поликон КН» для водоподготовки и очистки промышленных сточных вод (имеются акты проведенных испытаний – г. Казань);
-материалы диссертации используются в учебном процессе подготовки специалистов по специальности «Технология переработки пластмасс и эластомеров», бакалавров направления «Химическая технология», а также в курсе лекций «Мембранные и сорбционные процессы как основа экологически чистых технологий» для подготовки магистров (справки г. Энгельс, г. Воронеж).
Работа проводилась при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере УМНИК (проект № 17111 2012-2013) и Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 10-08-00074-а).
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке и проведении экспериментов, интерпретации и систематизации полученных данных, формулировке выводов и опубликовании результатов исследований в статьях и материалах конференций.
Достоверность результатов
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением современного оборудования, использованием современных взаимодополняющих методов испытаний и непротиворечием полученных результатов основным положениям физикохимии полимеров.
Положения, выносимые на защиту:
- обоснование выбора ультрадисперсных добавок, вводимых в композит на стадии синтеза, и исследование их свойств;
- закономерности синтеза и структурообразования нанокомпозитов «Поликон КН»;
- комплексные исследования по установлению направленного регулирования свойств материала за счет корреляции параметров компонент нанополимерного композита, обеспечивающей формирование «Поликон КН» с высокими эксплуатационными свойствами.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались на: Международной конференции «Ion transport in organic and inorganic membranes» (Краснодар, 2009, 2011, 2012, 2013), Международной конференции РХО им. Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности» (Москва, 2009), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009, 2010), Международной конференции «Композит» (Саратов, 2010, 2013), Пятом Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2010), XXIV Международной научной конференции «МТТТ-24» (Саратов, 2011), 18-м Международном совещании по физике конденсированных сред (Анкара, Турция, 2011), Международной конференции «Перспективные технологии и оборудование для производства и переработки волокнистых и пленочных материалов (Могилёв, Беларусь, 2011), VI Всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием «Менделеев-2012» (Санкт-Петербург, 2012), Международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (Ялта-Киев, 2012, 2013), Международной научной конференции, VIII Всероссийской олимпиаде молодых ученых «Наноструктурные, волокнистые и композиционные материалы» (Санкт-Петербург, 2012), IV Международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (Тамбов, 2012), Научной школе «Технические решения и инновации в технологиях переработки полимеров и композиционных материалов» (Казань, 2012), XII Всероссийской научной конференции с международным участием «Мембраны -2013) (Владимир, 2013).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в 35 работах, в том числе 7 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК России, получены 2 патента на изобретение, 1 положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов и списка использованной литературы.
Похожие диссертации на Разработка технологии нанополимерных композитов "Поликон К" многофункционального назначения
