Российские ученые разработали инновационный метод синтеза углеродных волокон, который позволяет сделать этот процесс более экологичным, исключив использование опасных химических веществ. Благодаря новой технологии, производство этих перспективных материалов, нашедших применение в авиастроении и медицине, станет безопасным, управляемым и более выгодным.
Сотрудники РТУ МИРЭА совместно с учеными из ИНХС и МГУ им. М.В. Ломоносова представили инновационный, экологически безопасный метод синтеза низкомолекулярных предкарбонизованных сополимеров акрилонитрила, которые находят применение в разных областях, включая создание прекурсоров для углеродных волокон. Углеродные волокна характеризуются высокой прочностью и небольшим весом, поэтому их используют в авиационной и автомобильной промышленности, при изготовлении спортивного инвентаря и медицинских имплантов. Благодаря новой разработке удалось исключить использование токсичных химических веществ, которые ранее были обязательны в процессе производства. В настоящее время возможность получения перспективных материалов появилась без нанесения ущерба окружающей среде.
Разработка основана на применении вещества N-метилморфолин-N-оксид (ММО). Этот компонент не только действует как растворитель, но и принимает участие в химическом процессе, обеспечивая возможность регулирования длины и равномерности формирующихся полимерных цепей. Это позволяет синтезировать олигомеры с заранее определенной молекулярной массой, составляющей приблизительно 1000 дальтон, при этом все молекулы характеризуются практически идентичным размером, что обеспечивает высокое качество и стабильные характеристики материала.
Предлагаемый метод позволяет отказаться от применения опасных веществ, например меркаптанов, и существенно облегчает технологический процесс, уменьшая его энергозатраты и потенциальное воздействие на экологию. Благодаря этому удается получать олигомеры с высокой массовой загрузкой в реакторе, что приближает процесс к полимеризации в блоке. В результате, изготовление перспективных материалов становится не только безопаснее для работников и окружающей среды, но и потенциально более выгодным.
«Наша методика обеспечивает получение олигомеров акрилонитрила с заранее определенными характеристиками, что имеет решающее значение для производства исходных материалов для углеродных волокон, – рассказывает Александр Гервальд, доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений имени С.С. Медведева РТУ МИРЭА. – Ключевой успех заключается в том, что мы смогли исключить некоторые традиционные компоненты, которые ранее рассматривались как необходимые для контроля молекулярной массы полимера. Это принципиально изменяет существующий технологический процесс».
Не менее значимо, что предложенная методика позволяет синтезировать не только полимеры, состоящие исключительно из акрилонитрила, но и их смеси с другими соединениями. Благодаря этому появляется возможность контролируемо изменять характеристики получаемого материала, например, повышать его гибкость, термостойкость или прочность.
«По словам Романа Томса, доцента кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений имени С.С. Медведева РТУ МИРЭА, проведенные исследования показали, что ММО представляет собой не только растворитель, но и полноправный участник химической реакции. Данное вещество влияет на скорость протекания процесса и определяет молекулярную массу получаемого продукта, а также позволяет осуществлять ключевую стадию циклизации при более низких температурах. В конечном итоге это приводит к формированию низкомолекулярного, термопластичного и химически стойкого материала, содержащего около 50% полисопряженной структуры. Подобное поведение реагента расширяет возможности контроля над химическими процессами и открывает новые перспективы для использования данного материала».
Исследование, проведенное специалистами РТУ МИРЭА, ИНХС и МГУ, демонстрирует, как изучение фундаментальных основ химических реакций может привести к разработке практичной и экологически безопасной технологии. Данная методика запатентована и способствует реализации принципов устойчивого развития, предлагая инновационное и надежное решение для одной из ключевых сфер современной промышленности.
Ссылка на патент: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54202387
Пресс-служба РТУ МИРЭА предоставила информацию и фотографии