авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Основы ресурсосберегающих технологий получения активированных углеродных волокон, их свойства и применение

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Лысенко Александр Александрович

ОСНОВЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ ВОЛОКОН, ИХ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

Специальность:

05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой

степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2007

Работа выполнена на кафедре Технологии химических волокон и

композиционных материалов им. А.И. Меоса ГОУ ВПО

«Санкт-Петербургского государственного университета технологии и

дизайна»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Перепелкин Кирилл Евгеньевич

доктор химических наук, профессор Дружинина Тамара Викторовна

доктор химических наук, профессор Мизеровский Лев Николаевич

Ведущая организация: Институт высокомолекулярных

соединений РАН (Санкт-Петербург)

Защита состоится «10» апреля 2007 г. в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна (191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18, ауд. 241).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «____» _______ 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. Е. Рудин

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. В настоящее время значительно возрос спрос на средне- и низкомодульные углеродные волокнистые материалы (УВМ), которые могут быть использованы в различных областях промышленности, в бытовой сфере, медицине и т.д. в качестве наполнителей композиционных материалов, термозащитных или токопроводящих элементов, носителей катализаторов, эффективных сорбентов. Активированные углеродные волокнистые материалы (АУВМ) составляют особую группу углеродных волокнистых материалов и характеризуются развитой пористостью, удельной поверхностью, сочетанием в одном материале высоких фильтрующих и сорбционно-кинетических свойств. Разнообразие текстильных форм, присущее волокнистым материалам, позволяет варьировать аппаратурное оформление сорбционных процессов, что, в свою очередь, расширяет возможности их применения.

Вместе с тем, рост объемов потребления АУВМ сдерживается в первую очередь их высокой стоимостью. В связи с этим актуальны разработки и исследования, направленные на совершенствование технологических схем производства УВМ и АУВМ, с целью сокращения количества технологических переходов, снижения энергозатрат, повышения выхода готового продукта. Особо важное значение имеют исследования, направленные на создание ресурсосберегающих технологий получения АУВМ с использованием в качестве прекурсоров гидратцеллюлозных (вискозных) волокон, промышленно выпускаемых из возобновляемого природного сырья. Среди наиболее важных путей совершенствования химических технологий получения УВМ следует выделить разработку эффективных пиролитических добавок, позволяющих повысить выход углеродных материалов, исследования, направленные на снижение температуры и времени процессов их получения.

В то же время остается актуальным проведение комплексных фундаментальных исследований в области синтеза УВМ и АУВМ с целью направленного формирования структуры и прогнозирования их физико-механических и адсорбционных свойств. В частности широкому внедрению АУВМ на основе гидратцеллюлозных волокон должна способствовать разработка микропористых сорбентов и сорбентов с высокой электропроводностью. Актуальным как с практической, так и с теоретической точек зрения, является изучение адсорбционных свойств АУВМ с различной пористой структурой по отношению к ионам благородных и тяжелых металлов, крупным органическим молекулам, биологически активным препаратам.

Об актуальности и значимости выбранного научно-практического направления свидетельствует его включение в ряд федеральных и межгосударственных программ: межгосударственную программу Россия - Белоруссия «Создание и организация серийного производства оборудования для выпуска химических волокон» (код 111010), программы РАН «Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по синтезу, исследованию и применению сорбентов» (тема 2.15.3 1998-2006 гг.), программы министерства образования: «Разработка теоретических основ производства углеродных волокон по ресурсосберегающим технологиям и обоснование их применения в легкой текстильной промышленности» (1999-2003 гг.), «Разработка теоретических основ ресурсосберегающих технологий» (2001г.), федеральную целевую программу министерства науки и образования «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» «Разработка научных основ создания высокоэффективных сорбентов на основе искусственных и природных волокнистых полимерных материалов».

Цель и задачи работы. Цель работы заключалась в создании научно обоснованных и экономически целесообразных ресурсосберегающих технологий получения АУВМ на основе гидратцеллюлозных волокон, обеспечивающих снижение их себестоимости, получение сорбентов с высокими, в том числе новыми, эксплутационными характеристиками, расширение области их использования. В соответствии с вышесказанным решались следующие задачи: проведение критического анализа существующих технологий и способов получения активированных углеродных материалов, теоретическое обоснование и выбор эффективных пиролитических добавок, исследование процессов карбонизации и активизации гидратцеллюлозных волокон с использованием различных пиролитических добавок и их систем, исследование влияния параметров термообработки и активации УВМ на свойства волокон сорбентов, изучение основных закономерностей адсорбции тяжелых и благородных металлов и других веществ АУВМ различной пористой структуры, разработка и промышленное внедрение процессов производства АУВМ с повышенным выходом и высокими эксплутационными характеристиками.

Научная новизна. Впервые обоснована и доказана целесообразность применения в качестве пиролитических добавок (ПД), обеспечивающих создание высокоэффективных процессов производства углеродных волокон, бикомпонентных систем следующего состава: NH4Cl/CO(NH2)2; (NH4)2SO4/CO(NH2)2; NH4H2PO4/CO(NH2); NH4Cl/(NH4)2 SO4.

Выявлена синергическая активность указанных смесей в процессах пиролиза и карбонизации гидратцеллюлозных волокон, обуславливающая высокий выход и прочность получаемых УВМ и АУВМ. Впервые научно обоснована необходимость использования вытяжки гидратцеллюлозных волокон на стадии сушки после их пропитки водными растворами ПД с целью получения углеродных волокон с высокими механическими характеристиками.

Разработаны методы направленного регулирования пористой структуры АУВМ за счет регулирования свойств УВМ, получаемых в процессе высокотемпературной обработки. Показана возможность использования нового вида АУВМ – электропроводящих сорбентов – в процессах термической десорбции и каталитического окисления летучих соединений за счет эффекта Джоули. Показана техническая и экономическая целесообразность использования твердофазной (химической) активации для получения АУВМ из гидратцеллюлозных волокон. Выявлена связь выхода и свойств химически активированных АУВМ от типа активирующей добавки и параметров термообработки прекурсоров. На основании комплексных исследований закономерностей адсорбции ионов благородных металлов и хрома, установлена зависимость сорбционно-кинетических свойств разработанных АУВМ от параметров их пористой структуры. предложены возможные механизмы взаимодействия комплексных ионов металлов платиновой группы, золота и хрома с АУВМ различной структуры и природы.

Впервые выявлена высокая сорбционная и в ряде случаев избирательная активность металлсодержащих АУВМ по отношению к белкам аллантоисной жидкости, вирусам гриппа и некоторым видам бактерий.

Установлена взаимосвязь природы сорбента и вида закрепленного на поверхности металла, с величиной и скоростью адсорбции белков и вирусов. Установлена зависимость величины активности иммобилизованных на серебросодержащих АУВМ клеток бактерий Gluconobacter Oxidans от свойств сорбентов. Научная и практическая новизна исследований подтверждена авторскими свидетельствами и патентами.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработаны ресурсосберегающие технологии получения сорбентов с низкой себестоимостью: режимы получения АУВМ с повышенным выходом и прочностью за счет применения эффективных пиролитических добавок – бикомпонентных добавок синергически активных смесей соединений различного состава; режимы получения АУВМ методом химической активации; режимы получения углеродных волокон, сокращающие количество технологических переходов за счет применения новых аппретов. Разработаны технологические схемы, позволяющие регулировать пористую структуру и электропроводность активированных материалов: параметры получения высокоэффективных микропористых сорбентов и режимы получения токопроводящих АУВМ. Показана принципиальная возможность использования токопроводящих АУВМ в процессах десорбции и каталитического окисления органических летучих веществ за счет прямого нагрева сорбентов электрическим током, а также возможность их использования в высокоемких источниках электроэнергии.

Показана эффективность использования разработанных АУВМ в процессах адсорбции ионов платиновых металлов, золота, хрома. Получены металлсодержащие АУВМ с высокой сорбционной активностью по отношению к некоторым видам белков, вирусов и бактерий. Показана эффективность использования металлсодержащих волокон в процессах разделения и выделения вирусов гриппа. Испытания проведены в ГУ «НИИ Гриппа» РАМН. Показана эффективность использования иммобилизованных на металлсодержащих АУВМ клеточных культур Gluconobacter Oxidans для биокаталитической окислительной трансформации тиодигликоля. Испытания проведены на базе Санкт-Петербургского Научно-исследовательского центра экологической безопасности РАН.

Основные результаты работы внедрены на Светлогорском производственном объединении «Химволокно», Беларусь (РУП «СПО «Химволокно»), где освоен выпуск УВМ и АУВМ в опытно-промышленном и промышленном масштабах.

Личный вклад автора состоял в выборе направления и цели исследования, постановке и решении задач, в обобщении, анализе, интерпретации результатов, предложениях по практическому использованию и производственному внедрению разработанных материалов и процессов. Настоящая работа является самостоятельным исследованием, обобщающим комплекс работ, выполненных под руководством автора или в соавторстве.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: VII и VIII Всесоюзных конференциях по ионному обмену (Воронеж, 1991, 1996), на VI Межреспубликанской научной конференции Вузов СССР (Казань, 1991); на VIII Международной конференции «Теория и практика адсорбционных процессов» (Москва, 1997); на III национальном симпозиуме «Теоретические основы сорбционных процессов» (Москва, 1997); на ХVI Международном Черняевском совещании по химии, анализу и технологии платиновых металлов (Екатеринбург,1996); на I Международной Конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии. Химия - 97» (Иваново, 1997); на Международной конференции «Fundameentals of Adsorption» (Франция, 1998); на IV Всероссийском симпозиуме (Москва, 1998); на Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике. МГУ (Москва, 1998); на Белорусской научно-практической конференции (Могилев, 1998); на III Международной тихоокеанской конференции по адсорбции и адсорбционным технологиям (Корея, 2003); на Всероссийской научной конференции (Апатиты, 1998); на Всесоюзной конференции по теории и практике сорбционных процессов (Воронеж, 1998); на Всероссийском симпозиуме «Физико-химия полимеров: Синтез, свойства и применение» (Тверь, 2002); на VIII Всероссийском симпозиуме с участием иностранных ученых «Актуальные проблемы теории адсорбционных процессов в пористых структурах» (Москва-Клязьма, 2003, 2006); на Международной конференции «Композит-2004. Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» (Саратов, 2004); на Международных конференциях по фундаментальным вопросам адсорбции FOA6 (Франция, 1998), FOA7 (Япония, 2001), FOA8 (США, 2004), Международном текстильном симпозиуме по техническому текстилю (Германия, 2001), Международной конференции и выставке «Волокнистые материалы ХХI век» (Санкт-Петербург, Россия, 2005); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Санкт-Петербург, 2005); на X, XI Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии» (Москва– Клязьма, 2005, 2006).

Публикации По материалам диссертации опубликовано 52 печатные работы, в том числе 4 зарубежных и 12 отечественных патентов, 2 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы (325 наименований), приложения. Работа изложена на 315 страницах текста, включая 125 рисунков и 65 таблиц.

Краткое содержание работы.

Во введении изложены базовые положения работы, обосновывающие ее актуальность, научную новизну и практическую значимость.

Глава 1. Углеродные волокна, сорбционно-активные углеродные волокнистые материалы. Основные современные тенденции развития производства и исследований

Рассмотрено современное состояние производства углеродных волокон на основе различного вида сырья, выявлены основные тенденции развития технологий сорбционно-активных углеродных волокнистых материалов и пути оптимизации их получения. Показано, что наиболее актуальными вопросами при выпуске углеродных волокон (УВ) и активированных углеродных волокнистых материалов (АУВМ) являются снижение их себестоимости и расширение областей их применения. Среди путей снижения стоимости АУВМ наиболее значима задача увеличения выхода готового продукта, как на стадии карбонизации, так и в процессах активации. Приведен критический анализ путей увеличения выхода УВ, в качестве одного из которых рассмотрена необходимость и эффективность применения различных добавок, повышающих выход и/или прочность УВ и АУВМ. Анализ показал, что задача выбора ПД требует комплексного подхода и особенно актуальна при использовании в качестве прекурсоров для получения АУВМ гидратцеллюлозных волокон. Рассмотрена возможность применения некоторых ПД в качестве химических активаторов полимерных волокон, что позволяет уже на стадии низкотемпературной карбонизации получать сорбционно-активные волокнистые материалы, тем самым снижая затраты на их производство и увеличивая выход готового продукта. Отмечена немногочисленность работ, оценивающих вклад ПД одновременно в увеличение выхода и прочностных характеристик УВ, возможность осуществления твердофазной активации. Недостаточно освещены вопросы получения АУВМ со специальными свойствами – электропроводностью и электроемкостью. Выявлена недостаточность информации о получении из гидратцеллюлозных волокон микропористых АУВМ. Рассмотрены традиционные и новейшие области применения АУВМ, показана необходимость расширения ассортимента волокнистых сорбентов.

На основании критического анализа литературных данных сформулированы цели и задачи исследований, обоснована актуальность работы.

Глава 2. Разработка процессов получения углеродных волокнистых материалов с повышенным выходом

2.1 Анализ технологических схем получения УВМ и АУВМ

В практике производства УВМ могут быть выделены две основные технологии, принципиально отличающиеся типом используемых пиролитических добавок. В соответствии с первой предполагается использование кремнийорганических соединений (например, добавки СИ-2 – смеси олигоалкилксилоксанов) растворимых в органических растворителях. Вторая технология предусматривает применение неорганических ПД – солей соляной, фосфорной и др. кислот. Кремнийорганические добавки позволяют получить УВ с высокими механическими характеристиками, но при этом выход волокон не превышает 14-16%. Неорганические добавки увеличивают выход УВ до 25-30%, но не обеспечивают надлежащих прочностных характеристик. При получении АУВМ с использованием кремнийорганических добавок ГЦВМ подвергаются следующим технологическим операциям: отмывка органическими растворителями от аппрета, сушка, пропитка раствором СИ-2, сушка, карбонизация, активация. Использование неорганических ПД предполагает пропитку ГЦВМ водными растворами ПД (как было показано нами без отмывки от аппрета), сушку, карбонизацию и активацию. Использование неорганических солей позволяет сократить схему получения сорбентов на два перехода. Кроме того, исключается применение дорогостоящих органических растворителей и их рекуперация, дорогих кремнийорганических добавок. Анализ схем производства позволяет выделить следующие направления исследований: разработка оптимальных пиролитических добавок и технологий на их основе, позволяющих получить УВ с выходом не менее 35% и прочностными показателями на уровне волокон, полученных с применением кремнийорганических добавок; разработка новых текстильных аппретов, позволяющих исключить стадию их отмывки перед нанесением кремнийорганических ПД; изучение возможности активации УВМ, полученных при термообработке 450-5500С или ниже; разработка процессов химической активации, что предполагает снижение температуры термообработки и продолжительности, увеличение выхода АУВМ.

2.2 Разработка новых пиролитических добавок, исследование особенностей их воздействия на гидратцеллюлозные волокна при термообработке

Выбор пиролитических добавок предполагает учет таких критериев, как выход углеродного остатка, прочность получаемых УВ, предрасположенность к активации. Важным фактором, определяющим свойства УВ, является наличие в их структуре примесей – термостабильных остатков пиролиза. Ранее этот вопрос не рассматривался. С целью оценки влияния примесей на свойства УВ впервые введены критерии – выход нетто (ВН) и выход брутто (ВБ), ВН=ВБ-Мпр, где Мпр – масса примесей при определенной КТТО. В соответствии с этим, проведены исследования термостабильности ПД, а затем оценка их влияния на выход и механические свойства карбонизованных УВ.

2.2.1 Дериватографические исследования термического поведения пиролитических добавок



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.