Анализ свойств разноокисленных отходов окси-ПАН и возможностей их использования в технологии композитов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Моругова О. А., Борисова Н. В., Устинова Т. П. Анализ свойств разноокисленных отходов окси-ПАН и возможностей их использования в технологии композитов // Молодой ученый. — 2015. — №24.1. — С. 43-46. — URL https://moluch.ru/archive/104/24047/ (дата обращения: 17.12.2018).

 

В технологии полимерных материалов неизбежно образуются отходы производства, которые являются, с одной стороны, фактором негативного воздействия на окружающую среду, но одновременно и источником постоянно пополняемых ресурсов вторичных полимеров, главной задачей в использовании которых является обеспечение их наиболее полной переработки в полезные для общества материалы и изделия.

Данная проблема актуальна и для производства углеродных волокон (УВ). Важно отметить, что волокнистые отходы образуются на всех стадиях получения УВ, но карбонизованные и графитизированные отходы находят своих потребителей, а окисленные отходы до настоящего времени не нашли практического применения, несмотря на то, что отходов на стадии окисления (отходы окси-ПАН) образуется большее количество. В связи с этим изучение возможности их использования в качестве наполнителей в полимерных композиционных материалах (ПКМ) представляет научно-практический интерес.

Целью работы являлось исследование состава и свойств отходов окси-ПАН и оценка их влияния на структуру и эксплуатационные характеристики волокнонаполненного композита на основе ПА-6.

В качестве объектов исследования были выбраны:

–        волокнистые отходы производства УВ после стадии термостабилизации, которые представляют собой разноокисленный полиакрилонитрильный жгут, плотностью 1,17-1,36 г/см3. Длина резки волокон - 5-7 мм,

–        волокнонаполненный композиционный материал, полученный методом катионной полимеризации капролактама.

Для исследования структуры и свойств разноокисленных отходов окси-ПАН проведена их идентификация по изменению объемной плотности (табл.1) с условной классификацией уровня окисления от 0 до1.

Таблица 1

Характеристики волокнистого наполнителя

Наименование волокнистого наполнителя

Объёмная плотность, г/см3

Уровень

окисления, усл. ед.

Условное обозначение

ПАН-прекурсор

1,17-1,19

0

ПАН

отходы окси-ПАН: Образец 1

1,20 -1,22

0,2

ПАН-ОК0,2

Образец 2

1,24 – 1,26

0,4

ПАН- ОК0,4

Образец 3

1,28 – 1,30

0,6

ПАН-ОК0,6

Образец 4

1,31 – 1,34

0,8

ПАН-ОК0,8

Кондиционный окси-ПАН

1,36-1,40

1

ПАН-ОК1

 

В соответствии с принятой классификацией следует, что по уровню окисления 0-это неокисленное ПАН волокно с плотностью не более 1,19 г/см3, а 1,0-кондиционное окисленное ПАН волокно с плотностью 1,38 ±0,02 г/см3. Поэтому образцам отходов присвоены промежуточные значения степени окисления 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0.

Предложенная классификация хорошо коррелирует с данными ИК- спектроскопии (рис.1), которые подтверждают изменения химического состава отходов термостабилизации ПАН волокон разного уровня окисления, связанные со снижением интенсивности пиков в области 2300-2200 см-1, характерных для валентных колебаний групп СN, и изменением спектральной картины в области 1700-1800 см-1, соответствующей деформационным колебаниям групп СН2.

Описание: ик спектры измененные

Рис. 1. ИК спектры отходов окси-ПАН: 1-ПАН исх; 2—ПАН-ОК0,2; 3- ПАН – ОК 0,4; 4- ПАН- ОК0,6; 5- ПАН –ОК0,8; 6- ПАН –ОК1.

Структурные изменения, происходящие в волокне в процессе термостабилизации приведены на рис.2 и табл.2.

 

 

Таблица 2

Геометрические размеры поперечных срезов отходов окси-ПАН

Уровень окисления, усл.ед

Объёмная плотность волокна, г/см3

Условный диаметр элементарного сечения, d, мкм

Площадь элементарн. сечения, Sмкм2

0

1,17-1,19

13,99

153,72

0,2

1,20-1,22

11,21

98,70

0,4

1,24-1,26

13,14

135,61

0,6

1,28-1,30

12,44

121,54

0,8

1,32-1,34

12,19

116,71

1,0

1,36-1,40

11,98

112,72

 

Рис.2 Микрофотографии

поперечных срезов отходов

окси-ПАН, n=100

 

На микрофотографиях (рис.2), полученных с помощью оптической микроскопии, видно, что, начиная с образца со степенью окисления 0,4, элементарное волокно имеет четко выраженную оболочку. Очевидно, при такой степени окисления происходит наибольшее насыщение кислородом внешних слоёв волокна. По мере увеличения степени окисления с 0,6 по 1,0 контраст становиться более выраженным, что свидетельствует о постепенном продвижении кислорода к центру волокна со скоростью, контролируемой диффузионными процессами.

Следует отметить, что насыщение кислородом внешних слоёв волокна способствует увеличению условного диаметра и площади элементарного сечения волокна (табл.3). При степени окисления 0,4 они достигают 16,9 мкм и 228,7 мкм2 соответственно. Однако, по мере дальнейшего увеличения этого показателя диаметр и площадь волоконец (филаментов) уменьшаются и при степени окисления 1,0 составляют d = 11,05 мкм и S = 102,67 мкм2. Очевидно, такое уменьшение размеров элементарных волокон связано с выделением продуктов пиролиза.

На следующем этапе работы изучена возможность применения разноокисленных отходов окси-ПАН для получения композита на основе ПА-6 и проведена оценка их влияния на физико-механические свойства разработанного ПКМ (табл. 3).

Таблица 3

Физико-механические свойства полимеризационно наполненного ПА-6 с различным содержанием отходов окси-ПАН

Материал

Плотность, кг/м3

Разрушающее напряжение, при, МПа

Твердость по Бриннелю, МПа

Водопо-гло-щение,

%

Теплостой-кость по Вика,

сдвиге

сжатие

ПА-6

1128

31

67

146

1,8

192

ПА6+10% отходы окси- ПАН

1130-1135

39

70

152

1,5

234

ПА-6+20% отходы окси-ПАН

1130-1135

40

70

167

1,7

240

ПА-6+30% отходы окси-ПАН

Монолитные образцы не получилась. Образцы обладают рыхлой структурой со свободными участками волокон.

 

Из полученных данных следует, что количество вводимых волокнистых отходов окси-ПАН не должно превышать 20%, так как при их 30% содержании не удается синтезировать монолитных образцов и формируется материал, обладающий рыхлой структурой с волокнистыми включениями. При содержании исследуемого волокнистого наполнителя 20% проявляется тенденция к повышению разрушающего напряжения при сдвиге с 31до 40 МПа и твердости по Бриннелю со 146 до 167 МПа, однако при этом все же не достигается требуемой монолитности композита. Для ПА-6, модифицированного на стадии синтеза 10% отходов окси-ПАН, также характерна тенденция к повышению физико-механических свойств. Кроме того, при таком содержании наполнителя обеспечивается формирование монолитного образца с минимальным количеством дефектов, что видно из микрофотографий. Важно отметить, что отличительной особенностью разработанного композита является повышение их теплостойкости на 42÷48 оС.

Таким образом, отходы окси-ПАН могут быть рекомендованы в качестве волокнистого наполнителя в технологии ПКМ при полимеризационном совмещении компонентов выводы:

- Проведена идентификация и исследованы структурные особенности и свойства разноокисленных отходов окси-ПАН. Установлено, что степень окисления влияет на их геометрические характеристики и физико-механические свойства;

- Доказана возможность использования отходов окси-ПАН в качестве волокнистых наполнителей ПА-6 при их полимеризационном совмещении.

 

Литература:

  1. Об отходах производства и потребления: федеральный закон от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ. В ред. от 28.07.2012 // Собрание законодательства Российской Федерации.— URL:http://base.garant.ru/12112084/ (дата обращения: 30.04.2013).
  2. Перепелкин, К.Е. Волокна из окисленного (циклизованного) полиакрилонитрила-оксипан/ К.Е. Перепелкин//Химические волокна. – 2003. - №6. – С.3-8.
Основные термины (генерируются автоматически): отход, ПАН, волокнистый наполнитель, уровень окисления, окисление, рыхлая структура, поперечный срез отходов, внешний слой волокна, объемная плотность, условный диаметр.


Похожие статьи

Плотность упаковки и дефектность структуры компоноров

На внешней поверхности образцов, содержащие более 35 % наполнителя обнаружено наличие отдельных

Таким образом, плотность упаковки макромолекул, дефектность структуры и степень кристалличности литьевых

К вопросу переработки отходов полимерной упаковки.

Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур...

Установлено, что наибольшие значения предела прочности имеют ДПК с волокнистыми наполнителями (кенаф, джут, лен, конопля, банан), что вполне объяснимо

Анализ свойств разноокисленных отходов окси-ПАН и возможностей их использования в технологии композитов.

Влияние условий хранения и сушки на надмолекулярную...

Так, Королев В. К. и Щекольдин М. М. считают, что наличие жиро воскового слоя делает поверхность волокна влагопроницаемой.

Похожие статьи. Влияние наполнителей на структуру мелкозернистых бетонов. Изучение зависимостей кинетической кривой сушки от...

Исследование свойств пан волокон, модифицированных...

В настоящее время к перспективным видам модификации волокнистых прекурсоров относится металлизация их поверхности, осуществляемая различными методами: методом термического испарения в вакууме; катодным распылением...

Наполнители, используемые в производстве упаковки на основе...

- волокна семян хлопка и отходов хлопкового производства

- иметь невысокую плотность, чтобы не вызывать разносторонность бумаги и хорошо удерживаться на волокне

По содержанию наполнителей все виды бумаги условно можно разбить на четыре группы...

Композитные материалы на основе углеродных волокон

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных

В результате окисления образуются лестничные структуры.

Свойства углеродных волокон. Волокнистый материал. Удельная плотность, г/см3.

Технологии производства волокнистых материалов из...

Главное достоинство ПП – низкая плотность волокна, значительно ниже, чем у других синтетических волокон.

Рисунок 3 – Структура (а) и схема укладки (б) волокна по технологии Струтто.

Использование полимерных отходов для создания нефтесорбентов.

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

В общей массе полимерных отходов основной удельный вес занимает полиэтилентерефталат — 25 %, затем полиэтилен высокой плотности и низкой плотности

- добавок, создающих ячеистую структуру, и другие. Наполнители необязательно должны быть твердыми [15].

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Плотность упаковки и дефектность структуры компоноров

На внешней поверхности образцов, содержащие более 35 % наполнителя обнаружено наличие отдельных

Таким образом, плотность упаковки макромолекул, дефектность структуры и степень кристалличности литьевых

К вопросу переработки отходов полимерной упаковки.

Перспективы применения отходов сельскохозяйственных культур...

Установлено, что наибольшие значения предела прочности имеют ДПК с волокнистыми наполнителями (кенаф, джут, лен, конопля, банан), что вполне объяснимо

Анализ свойств разноокисленных отходов окси-ПАН и возможностей их использования в технологии композитов.

Влияние условий хранения и сушки на надмолекулярную...

Так, Королев В. К. и Щекольдин М. М. считают, что наличие жиро воскового слоя делает поверхность волокна влагопроницаемой.

Похожие статьи. Влияние наполнителей на структуру мелкозернистых бетонов. Изучение зависимостей кинетической кривой сушки от...

Исследование свойств пан волокон, модифицированных...

В настоящее время к перспективным видам модификации волокнистых прекурсоров относится металлизация их поверхности, осуществляемая различными методами: методом термического испарения в вакууме; катодным распылением...

Наполнители, используемые в производстве упаковки на основе...

- волокна семян хлопка и отходов хлопкового производства

- иметь невысокую плотность, чтобы не вызывать разносторонность бумаги и хорошо удерживаться на волокне

По содержанию наполнителей все виды бумаги условно можно разбить на четыре группы...

Композитные материалы на основе углеродных волокон

Углеродное волокно — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных

В результате окисления образуются лестничные структуры.

Свойства углеродных волокон. Волокнистый материал. Удельная плотность, г/см3.

Технологии производства волокнистых материалов из...

Главное достоинство ПП – низкая плотность волокна, значительно ниже, чем у других синтетических волокон.

Рисунок 3 – Структура (а) и схема укладки (б) волокна по технологии Струтто.

Использование полимерных отходов для создания нефтесорбентов.

Влияние состава наполнителей на свойства полимерных...

В общей массе полимерных отходов основной удельный вес занимает полиэтилентерефталат — 25 %, затем полиэтилен высокой плотности и низкой плотности

- добавок, создающих ячеистую структуру, и другие. Наполнители необязательно должны быть твердыми [15].

Задать вопрос