Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время среди текстильных материалов особое место занимает динамично развивающийся технический текстиль, для которого на ближайшее десятилетие прогнозируется существенный рост производства и потребления, что обусловлено большой потребностью различных областей в таких материалах, в частности в ассортименте защитной одежды пожарных, спасателей, металлургов, сварщиков, подвергающейся воздействию повышенных температур и пламени.
С развитием промышленного производства высокопрочных высокомодульных арамидных волокон с повышенной термоогнестойкостью весьма актуальна задача расширения сфер их применения, в том числе в секторе текстильных материалов. Однако низкие текстильные свойства благодаря высокой жёсткости и стоимость таких волокон существенно ограничивают их использование при изготовлении текстильных материалов, в связи с чем для этих целей весьма перспективны термостойкие м-арамидные волокна с хорошими текстильными свойствами и более благоприятной экономикой.
Разработка таких отечественных м-арамидных волокон как Тверлана (ВНИИ полимерных волокон и ОАО «Тверьхимволокно») и Арлана (ООО «ЛИРСОТ») с низким модулем упругости и повышенным разрывным удлинением, позволила получить текстильные материалы с высоким уровнем огнезащищённости и повышенной гигроскопичностью. В связи с этим появилась и реальная возможность получения огнезащищённых текстильных материалов из смеси термостойких волокон со средним уровнем механических свойств и классических многотоннажных волокон, перспективность которых обусловлена, прежде всего, экономической целесообразностью.
В этом отношении большой интерес представляют ткани и пряжа из смеси волокон, одним из компонентов которых является термостойкое волокно Арлана, а другим полиакрилонитрильное волокно, подвергнутые термоокислительной обработке для повышения уровня термоогнестойкости полиакрилонитрила (ПАН).
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научных исследований кафедры технологии химических волокон и наноматериалов ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологии» в рамках задания Федерального агентства по образованию на выполнение НИР по тематическому плану (тема № 09-631-45).
Целью работы являлось исследование закономерностей и разработка технологических принципов структурно – химического модифицирования волокнистой композиции арамид-полиакрилонитрил в режиме регулируемого термического окисления, обеспечивающих повышение их термических и огнезащитных свойств.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
изучить термические свойства нового м-,п-арамидного волокна Арлана;
установить закономерности термохимических и структурных превращений волокнистой композиции арамид-ПАН при повышенной температуре в окисляющей среде;
выявить влияние компонентов волокнистой композиции арамид-ПАН на процессы её термоокисления и карбонизации;
исследовать возможность повышения огнезащитных свойств волокнистой композиции арамид-ПАН за счёт применения пиролитических добавок;
установить технологически приемлемые параметры проведения процесса термоокисления волокнистой композиции арамид-ПАН, обеспечивающие получение материала с кислородным индексом на уровне арамидного волокна.
Методы исследования. При выполнении экспериментальной части диссертационной работы были использованы химические и физические методы исследования (химико-аналитические, термогравиметрический анализ, дифференциально-сканирующая калориметрия, кислородный индекс (КИ), ИК-спектроскопия, элементный анализ, атомно-силовая микроскопия, масс-спектрометрия).
Научная новизна работы.
На основании изучения термических свойств нового м-,п-арамидного волокна Арлана сополимерного строения, обладающего хорошими текстильными свойствами, методом термогравиметрии определены термические и кинетические характеристики процесса разложения м-,п-арамида в воздушной среде, что позволило установить область его термической устойчивости. В условиях моделирования процесса карбонизации показана высокая карбонизующая способность м-,п-арамида гетероциклического строения основной цепи с выходом углеродного продукта на уровне 50%.
При исследовании процесса термохимических превращений волокнистой композиции на основе полиакрилонитрила и арамида, содержащего звенья м-фенилентерефталамида, п-фенилентерефталамида и фениленбензимидазолтерефталамида, определён вклад индивидуальных волокон (полиакрилонитрила и арамида) в показатели термокинетики и коксообразования (КО) волокнистой композиции. Установлен неаддитивный характер зависимости выхода углеродного волокна от температуры при термолизе композиции в инертной среде, обусловленный углублением процессов межмолекулярной конденсации с образованием полициклических структур в присутствии функционально-активных продуктов разложения арамида.
Установлено эффективное действие фосфорсодержащих соединений на процессы химических и структурных превращений полиакрилонитрильной компоненты при термолизе в окислительной среде, что способствует повышению термостойкости (температура полного разложения полимера смещается на 100С в область высоких температур) и огнестойкости волокнистой композиции (кислородный индекс увеличивается с 36,5% до 50%).
Практическая значимость результатов.
Определены условия проведения процесса термоокисления смесовых волокон и тканей из полиакрилонитрильных и арамидных волокон, обеспечивающие достижение огнезащитных свойств на уровне арамидов нерегулярной структуры (КИ 35%) при вложении в композицию до 60% полиакрилонитрильного волокна с КИ 19%. Полученный материал может быть использован в производстве технического текстиля для изготовления специальной защитной одежды работников горячих цехов, МЧС, пожарных и др.
Результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе в лекционном курсе дисциплины «Инновационные технологии производства химических волокон» основной образовательной программы магистрантов по направлению 240100 – Химическая технология.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (ПРОГРЕСС – 2010), Иваново, 2010; Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2010), Москва, 2010; Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые учёные – развитию текстильной и лёгкой промышленности» (ПОИСК – 2011), Иваново, 2011; , Москва, 2012; Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности»(ПРОГРЕСС – 2012), Иваново, 2012; Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (ПРОГРЕСС – 2013), Иваново, 2013; Третьей Международной конференции по химии и химической технологии, Ереван (Армения), 2013.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 4 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК, и 7 тезисов докладов.
Структура и объём работы. Работа содержит введение, литературный обзор в котором проведён анализ работ в области термохимических превращений полимеров – прекурсоров углеродных волокон при высокотемпературной обработке и термических свойств волокон из полимеров ароматического строения, методическую часть, экспериментальный раздел, выводы, список литературы (124 наименования). Диссертация изложена на 128 листах машинописного текста, содержит 23 таблицы и 32 рисунка.
