Производство углеродных волокон становится экологичным: российские ученые представили новый способ синтеза, который исключает токсичные реагенты. Новая технология обещает сделать производство перспективных материалов, применяемых от самолетов до медицинских имплантов, безопасным, контролируемым и экономичным.
Фото: Дмитрий Рындин, пресс-служба РТУ МИРЭА
Исследователи из РТУ МИРЭА в сотрудничестве с коллегами из ИНХС и МГУ им. М.В. Ломоносова разработали новый, экологичный способ синтеза низкомолекулярных предкарбонизованных сополимеров акрилонитрила для различных применений, в том числе для получения прекурсоров углеродных волокон. Углеродные волокна обладают большой прочностью при минимальном весе, их используют в авиации и автомобилестроении, в производстве спортивного оборудования и медицинских имплантов. Исследователи смогли отказаться от токсичных химикатов, которые раньше были необходимы в производственном процессе. Теперь перспективные материалы можно создавать без вреда для окружающей среды.
Новый способ основан на использовании вещества под названием N-метилморфолин-N-оксид (ММО). Оно не только выполняет роль растворителя, но и активно участвует в химической реакции, позволяя контролировать длину и однородность получаемых полимерных цепочек. В результате получают олигомеры с предсказуемой молекулярной массой около 1000 дальтон, при этом все молекулы имеют практически одинаковый размер, что гарантирует высокое качество и стабильные свойства материала.
Новый подход исключает использование высокотоксичных соединений, таких как меркаптаны, и значительно упрощает технологический процесс, снижая его энергоемкость и потенциальный вред для окружающей среды. Можно получать олигомеры с высокой массовой загрузкой в реакционной системе, приближаясь к полимеризации в блоке. Это делает производство будущих материалов не только более безопасным для персонала и экосистемы, но и в перспективе более экономичным.
«Наш способ позволяет получать олигомеры акрилонитрила с четко заданными свойствами, что критически важно для создания прекурсоров для будущих углеродных волокон, – поясняет Александр Гервальд, доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений имени С.С. Медведева РТУ МИРЭА. – Главное достижение в том, что нам удалось отказаться от некоторых традиционных реагентов, которые раньше считались незаменимыми для управления молекулярной массой полимера. Это коренным образом меняет существующий технологический подход».
Важно и то, что разработанный способ позволяет создавать не только гомополимеры акрилонитрила, но и их комбинации с другими веществами. Это дает возможность целенаправленно менять свойства конечного материала, например, делать его более гибким, термостойким или прочным.
«Наши эксперименты доказали, что ММО — это не просто растворитель, а активный участник реакции, — поясняет Роман Томс, доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений имени С.С. Медведева РТУ МИРЭА. — Это вещество регулирует скорость процесса и молекулярную массу конечного продукта, а также позволяет проводить ключевую стадию циклизации при более мягких температурных условиях. В итоге это позволяет получать низкомолекулярный, термопластичный, химически стойкий материал с практически 50% полисопряженной структурой. Такое поведение реагента открывает новые возможности для управления химическими процессами и применениями материала».
Работа исследователей РТУ МИРЭА, ИНХС и МГУ представляет собой удачный пример того, как фундаментальное исследование механизмов химической реакции приводит к созданию практичной и экологически ориентированной технологии. Этот способ запатентован и вносит прямой вклад в достижение целей устойчивого развития, предлагая наукоемкое и безопасное решение для одной из важнейших отраслей современной индустрии.
Ссылка на патент: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54202387
Информация и фото предоставлены пресс-службой РТУ МИРЭА
