Магистр Доумчариева Жанагул Есеновна

Таразский государственный университет имени М.Х.Дулати, Казахстан

Этапы и методы получения нанотрубок и нановолокон

Этапы и методы получения нанотрубок и нановолокон состоит из следующих этапов:

1. получение биогаза в ферментаторе из растительного сырья и органических отходов;

2. очистку и извлечение метана из потока биогаза в абсорционо-адсорбционых колоннах;

3. получение углеродных нановолокон из метана в реакторе непрерывного действия;

4. получение композиционного материала с долей углеродных нанотрубок.

1. Важнейшим направлением 1 этапа «Получения биогаза в ферментаторе из растительного сырья и органических отходов, образуемого в процессе анаэробного брожения в ферментаторе» - является оптимизация режима оптимальных условий образования метанового потенциала в ферментаторе.

2. Важнейшим направлением 2 этапа «Очистка и извлечение метана из потока биогаза в абсорционо-адсорбционых колоннах» является: оптимизация режима полной очистки биогаза от диоксида углерода, сероводорода и других примесей при прохождения через гравийный фильтр, десульфидатор, абсорбер и адсорбер, заполненный адсорбентом поглотителем паров влаги с очисткой метана из получаемого свалочного газа до 95%-97%.

3. Важнейшим направлением 3 этапа: « Получение углеродных нановолокон из метана в реакторе непрерывного действия» является: оптимизация синтеза углеродных нанотрубок в реакторе непрерывного действия.

Полученные этим способом углеродные нанотрубки могут быть использованы в качестве силового наполнителя в производстве композиционных и теплоизоляционных материалов.

4. Важнейшим направлением 4 этапа « Получение композиционного материала с долей углеродных нанотрубок» является: оптимизация регулирования количества и диаметра углеродных композитов в зависимости от критериев пористости и прочность композита.

В промышленности применяют три основных метода вытягивания волокон (рисунок 1): из расплава полимера (охлаждение и отверждение проводится воздухом), сухой из раствора полимера (растворитель удаляется из волокна испарением) и мокрый из раствора полимера (коагуляция полимера проводится в жидкой среде). Первый способ пригоден для легкоплавких полимеров, расплав которых имеет сравнительно малую вязкость, второй и третий – если полимеры при плавлении склонны к разложению или образуют вязкий расплав. Примером мокрого процесса вытягивания волокон из раствора является получение волокна кевлар. Его вытягивают из раствора поли-п-фенилентерефталамида в серной кислоте, охлаждают короткое время на воздухе и подвергают коагуляции в специальной ванне.

1- греющая сетка; 2- сборник расплава; 3–насос; 4- фильтр и фильера; 5–воздушный диффузор; 6–паровая камера; 7 – масляный диск и лоток; 8– вытягивающее устройство;

9– вытягивающие ролики; 10 – упаковка;

Рисунок 1- Блок-схема процесса вытягивания полимерных волокон

Одна из проблем, возникающая при попытках ввести НТ в расплав или раствор обычных полимеров перед вытяжкой волокон, заключается в том, что диспергировать НТ можно только при очень низких их концентрациях (обычно не более 0.5 мас.%). При повышении концентрации трубки образуют комки, которые не только не улучшают прочность композитов, но могут ухудшать их.

Особое место при изготовлении полимерных волокон занимает электростатическое прядение – процесс, запатентованный еще в 1934 г. и состоящий в создании на исходном растворе или расплаве полимера электрического заряда и направлении удлиняющихся в высоковольтном поле капель раствора в виде тонких волокон на перемещаемый (вращающийся) электропроводный экран. При изменении концентрации полимера и параметров процесса метод позволяет получать волокна диаметром от 20 нм до нескольких микрон.

Разработаны приемы, повышающие плотность получаемых волокон.

Волокна с НТ методом электростатического прядения были получены из сополимера полианилина с полистиролом и из полиуретана.

Процесс может быть использован для получения нановолокон из полиакрилонитрила с последующим превращением их пиролизом при 1000 ^оС в углородные нановолокна.

Одна из первых разработок по получению таким путем полиакрилонитрильных волокон, наполненных углеродными НТ, была выполнена группой ученых из четырех университетов и исследовательского института в США. Для введения в полиакрилонитрил поверхность очищенных ОНТ обрабатывали (вероятно, функциализовали). Прядение вели при потенциале ~ 1.5 кВ/см. Полученные волокна с 10 мас.% НТ имели диаметр 300 – 350 нм и неоднородную (негладкую) поверхность, напоминающую булыжную мостовую. Их модуль Юнга был близок к 2.0 ГПа, что вдвое выше свойственного волокну без добавок, и несколько большую термическую устойчивость.

Под руководством проф. Ко в университете им. Дрекселя (Филадельфия, США) выполнил и в 2004 г. защитил дисертацию по получению волокон Лам. Он диспергировал ОНТ в диметилформамиде, функциализовал поливинилпирролидоном без образования ковалентных связей, вводил в раствор полимера и получал волокна. Принципиальные схемы установок для получения пряжи и волокон, собираемых на параллельно расположенных электродах, показаны на рисуноке 5.

1– емкость с раствором полимера; 2- регулируемый насос; 3-регулятор температуры, влажности и расхода воздуха; 4-направляющее устройство; 5 – принимающий ролик; 6- устройство для скручивания нити.

Рисунок 5- Схема установки для электропрядения.

Прочность получаемого волокна с наполнителем из НТ сильно зависит от того, являются ли трубки прямыми или изогнутыми, поэтому упорядоченной укладке и ориентированию НТ в композитах уделяется большое внимание.

Непосредственное введение НТ в полимеры, кроме того, может привести к улучшению механических свойств далеко не во всех случаях из-за слабого взаимодействия трубок с матрицами. Выходом может быть предварительная функциализация НТ.

Введение поверхностно-активных веществ имеет свою специфику. При низкой их концентрации в водных растворах они не могут преодолеть ван-дер-ваальсовы силы, заставляющие НТ собираться в сростки, поэтому после озвучивания трубки снова собираются в сростки и даже в крупные агрегаты. При большой концентрации поверхностно-активных веществ их избыток образует мицеллы, которые заставляют сростки НТ сближаться и собираться во флокулы, причем доля флокул растет с повышением концентрации реагента. Лишь при умеренной концентрации удается добиться однородного распределения небольших сростков НТ или индивидуальных НТ.

Итак, описаны основные этапы получения углеродных нановолокон из метана в реакторе непрерывного действия методом каталитического пиролиза, вытягивания волокон методом пультрузии и получение высокопрочного, высокомодульного композиционного материала из углеродного волокна и ткани на основе его.

Литература:

1. Handbook of Sol-Gel Science and Technology: Processing, Characterization and Applications / Ed. Sumio Sakka, Springer, 2004. 1980 p

2. Н. А. Шабанова П. Д. Саркисов: “ Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема”

3. Е.В. Жариков, Л.С. Гордеев, Э.М. Кольцова, С.Ю. Царева. Перспективные материалы на основе наночастиц и наноструктур: синтез, моделирование и аппаратурное оформление //Тез. XVII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, 21– 26 сентября 2003 г. Казань. Т.3. С. 142.