Красникова Ирина Вадимовна. Создание углерод-углеродных и углерод-минеральных гибридных систем методом каталитического наномодифицирования

brief description

Красникова Ирина Вадимовна. Создание углерод-углеродных и углерод-минеральных гибридных систем методом каталитического наномодифицирования: диссертация ... кандидата Химических наук: 02.00.04 / Красникова Ирина Вадимовна;[Место защиты: ФГБУН Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук], 2017

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт катализа им. Г.К. Борескова
Сибирского отделения Российской академии наук
На правах рукописи
Красникова Ирина Вадимовна
Создание углерод-углеродных и углерод-минеральных гибридных систем методом каталитического наномодифицирования
02.00.04 - Физическая химия
Диссертация на соискание учёной степени
кандидата химических наук
Научный руководитель Кандидат химических наук, доцент, с.н.с.
Мишаков Илья Владимирович
Новосибирск - 2017
Оглавление
Список принятых обозначений и сокращений 5
Введение 6
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Макроволокнистые материалы 11
1.1.1. Углеродное волокно 12
1.1.2. Стеклянное волокно 13
1.1.3. Базальтовое волокно 15
1.2. Модифицирование макроволокнистых материалов 16
1.2.1. Окислительные методы обработки поверхности 17
1.2.2. Методы обработки, основанные на нанесении покрытий 28
1.3. Наномодифицирование макрообъектов 50
1.4. Заключение к литературному обзору и постановка задачи 52
Глава 2. Экспериментальная часть 56
2.1. Реактивы и материалы 56
2.2. Оборудование 57
2.2.1. Конструкция реактора с весами Мак-Бена 57
2.2.2. Конструкция реактора роторного типа 58
2.3. Методика эксперимента 58
2.3.1. Методика нанесения катализатора 58
2.3.2. Методика исследования кинетических закономерностей роста
углеродных наноструктур 60
2.3.3. Методика получения укрупнённых партий углерод-углеродных и
углерод-минеральных гибридных систем 61
2.3.4. Методика создания композиционных материалов с трубным
полиэтиленом 61
2.3.5. Методика создания композиционных материалов с бутадиен-
нитрильными резинами 62
2.3.6. Методика создания композиционных материалов с
политетрафторэтиленом 63
2
2.4. Физико-химические методы анализа 63
2.5. Исследование физико-механических характеристик армированных
полимеров 66
2.6. Каталитические испытания 67
Глава 3. Разработка метода наномодифицирования углеродных и минеральных макроволокон 68
3.1. Нанесение катализатора на углеродные волокна 69
3.1.1. Нанесение активного компонента пропиткой по влагоёмкости нитратом
никеля 69
3.1.2. Нанесение АК альтернативными методами 72
3.2. Изучение кинетических закономерностей процесса роста УНВ 75
3.2.1. Влияние содержания катализатора 75
3.2.2. Влияние метода нанесения катализатора 77
3.2.3. Влияние типа предшественника углерода 78
3.2.4. Влияние температуры 80
3.2.5. Влияние концентрации водорода и режима активации катализатора 82
3.2.6. Влияние состава катализатора 84
3.3. Изучение морфологических и текстурных характеристик углерод-
углеродных гибридных систем 87
3.3.1. Влияние выхода на степень покрытия макроволокна 87
3.3.2. Влияние метода нанесения активного компонента 89
3.3.3. Типы роста углеродных наностуктур при модифицировании 91
3.3.4. Влияние состава катализатора и реакционной смеси на структурный тип
УНВ 94
3.3.5. Текстурные характеристики углерод-углеродных гибридных систем ... 99
3.4. Апробация метода для модифицирования различных изделий на основе
углеродной фибры 101
3.5. Разработка метода модифицирования минеральных волокон 104
3.5.1. Нанесение активного компонента на минеральные волокна 104
3.5.2. Особенности разложения углеводородного сырья на минеральных
волокнах 107
3
3.5.3. Нанесение катализатора на кремнезёмную ткань методом ПСТ 109
3.6. Исследование прочности закрепления УНВ на поверхности МВ 113
Заключение к главе 3 118
Глава 4. Исследование гибридных систем УНВ/МВ в модифицировании композиционных материалов и каталитических приложениях 120
4.1. Апробация метода модифицирования для синтеза укрупнённых партий
углерод-углеродных и углерод-минеральных материалов 121
4.2. Исследование гибридных систем УНВ/МВ в модифицировании
композиционных материалов 125
4.2.1. Армирование трубного полиэтилена углерод-углеродными гибридными
материалами 125
4.2.2. Армирование трубного полиэтилена углерод-минеральными
гибридными материалами 133
4.2.3. Армирование тетрафторэтилена углерод-углеродными гибридными
материалами 135
4.2.4. Модифицирование бутадиен-нитрильных резин БНКС-18АН углерод-
углеродными гибридными материалами 139
4.3. Исследование углерод-углеродных гибридных материалов в модельной
реакции дегидрирования этанола 141
4.3.1. Исследование углерод-углеродных композитов в качестве носителя
катализатора 142
4.3.2. Исследование каталитической активности гибридных систем 146
Заключение к главе 4 155
Заключение 157
Выводы 159
Список опубликованных работ 161
Использованные источники 162
Приложения 184

bibliography

Выводы
Таким образом, на основании полученных в работе результатов можно сформулировать следующие выводы:
1. Разработан каталитический метод наномодифицирования поверхности углеродных и минеральных макроволокон, позволяющий получать гибридные материалы УНВ/МВ с регулируемым выходом углеродных нановолокон (2 - 300 мас.%), структурой и толщиной наноструктурированного слоя (до 15 мкм) позволяющий значительно развить площадь удельной поверхности фибры (с 0.3 до 6 - 300 м /г). Показано, что метод применим для модифицирования различных типов изделий на основе углеродных и минеральных макроволокон (фибра, нити, ткань).
2. Продемонстрирована возможность использования хлоруглеводородов (1,2- дихлорэтана и отходов ХО синтеза) для получения гибридных материалов УНВ/МВ. Установлено, что нанесение катализатора на кремнезёмную ткань методом ПСТ позволяет синтезировать углерод-минеральные композиты с максимальной удельной поверхностью (SroT = 300 м2/г) и выходом УНВ (до 300 мас.%).
3. Предложена методика, позволяющая качественно анализировать прочность связывания наноструктурированного углеродного слоя с поверхностью макроволокон. Относительная прочность закрепления УНВ на поверхности макроволокна уменьшается в ряду углеродное волокно >> базальтовое волокно > кремнезёмная ткань, что объясняется эпитаксиальным характером роста углеродных наноструктур на поверхности графитизированной подложки.
4. На основании результатов физико-механических и триботехнических испытаний полимерных композитов показано, что метод модифицирования поверхности макроволокон позволяет улучшать адгезионное взаимодействие между наномодифицированным волокном и полимерной матрицей различного состава (полиэтилен, политетрафторэтилен, бутадиен-нитрильные резины).
Разработан гибридный катализатор состава Cu-Co(5%)/УНВ/МВ, обеспечивающий двукратное увеличение выхода ацетальдегида в модельной реакции дегидрирования этанола по сравнению с образцом Cu-Co(5%)/МВ, приготовленным пропиткой. Показано, что метод наноструктурирования поверхности позволяет стабилизировать химический состав и дисперсность металлических сплавных частиц, закреплённых в структуре углеродных нановолокон