Метод позволяет создавать углеродное волокно с новыми улучшенными характеристиками для применения в высокотехнологичных отраслях промышленности
Важным конструкционным материалом XXI века является углеродное волокно. Благодаря высокой прочности, не уступающей металлическим сплавам, в сочетании с низким удельным весом и высокой окислительной стабильностью оно является незаменимым авиа- и судостроении, строительстве, медицине, спортивной индустрии, а также в других высокотехнологичных отраслях промышленности.
Основным способом получения углеродного волокна является термическая обработка синтетических волокон, получаемых из полимеров на основе акрилонитрила. Качество готового углеродного волокна и его прочностные характеристики в значительной степени зависят от состава и молекулярно-массовых характеристик исходного полимерного сырья (прекурсоров), из которого производится вытяжка волокна. Таким образом, важными задачами в области синтеза прекурсоров для углеродных волокон являются поиск новых композиций для сополимеризации, а также разработка эффективных методов проведения ее полимеризации, позволяющих контролировать значения молекулярной массы получаемых образцов.
Одним из последних достижений современной синтетической химии полимеров является разработка методов контролируемой радикальной полимеризации (Reversible Deactivation Radical Polymerization – англ.). Их достоинствами являются возможность управления значением молекулярной массы получаемых полимеров за счет варьирования соотношения между инициатором и мономером, а также одновременный пофрагментарный рост цепей, обуславливающий узкое молекулярно-массовое распределение.
По словам заведующего научно-исследовательской лаборатории органического синтеза и радикальных процессов Университета Лобачевского Ивана Гришина, работа учёных ННГУ посвящена разработке нового метода получения сополимера акрилонитрила, позволяющего получать прекурсор для высококачественных углеродных волокон с высокими прочностью и модулем упругости. Для получения указанных сополимеров акрилонитрила был впервые применена контролируемая радикальная полимеризация по механизму с переносом атома (Atom Transfer Radical Polymerization, ATRP) с использованием в качестве катализатора комплекса бромида меди. Благодаря высокой эффективности инициирования и пофрагментарному росту цепи указанный метод позволяет получать узкодисперсные сополимеры с заданными значениями молекулярной массы.
В результате проведенных экспериментов были получены образцы со значениями молекулярной массы более 70 кДа и узким молекулярно-массовым распределением, что соответствует требованиям, предъявляемым к сополимерам, перерабатываемым в высокопрочные углеродные волокна. Важными достоинствами предложенного метода является использование катализатора в концентрации на уровне сотых долей процента, а также высокая скорость протекания процесса, что обусловлено использованием в качестве активатора глюкозы.
«Задачей нашей работы является разработка метода получения сополимера на основе акрилонитрила, который используется в качестве сырья для производства углеродного волокна. Иными словами, мы хотим улучшить одну из стадий в процессе производства углепластиков, которые применяются в качестве перспективных конструкционных материалов в авиации, машиностроении, строительстве и спортивной индустрии. Каждому известно, что качество готового изделия зависит от того, какое сырье используется в ходе его изготовления. Мы как раз и решаем проблему улучшения качества сырья для производства углеволоконных материалов», – отметил Иван Гришин.
В процессе работы были получены сополимеры, характеризующиеся высокой степенью композиционной однородности, заранее заданным составом и значением молекулярной массы. Использование в качестве сырья сополимеров, полученных по разработанной методике, вместо сополимеров, применяемых в настоящее время, позволит добиться более высокой прочности получаемых углеродных волокон, что в свою очередь позволит им выдерживать более высокие нагрузки без разрушения или уменьшить массу изделия при сохранении тех же механических характеристик, что особенно важно в авиации и спортивной индустрии.
Учёными ННГУ уже получен патент на изобретение, еще одна заявка направлена в РосПатент. Также налажены контакты с промышленными предприятиями, занимающимися производством углеродных волокон и изделий из них, они заинтересованы в результатах нижегородских учёных. В то же время для того, чтобы говорить о полноценной коммерциализации и внедрении, необходимо решить ряд технических вопросов, связанных с масштабированием разработанной методики и ее переносом на полупромышленные и промышленные установки, чем и продолжают заниматься учёные ННГУ в настоящее время.
