Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Химия / Другие методич. материалы / Анализ отходов производства углеродного волокна и композитов на их основе
ВНИМАНИЮ ВСЕХ УЧИТЕЛЕЙ: согласно Федеральному закону № 313-ФЗ все педагоги должны пройти обучение навыкам оказания первой помощи.

Дистанционный курс "Оказание первой помощи детям и взрослым" от проекта "Инфоурок" даёт Вам возможность привести свои знания в соответствие с требованиями закона и получить удостоверение о повышении квалификации установленного образца (180 часов). Начало обучения новой группы: 26 апреля.

Подать заявку на курс
  • Химия

Анализ отходов производства углеродного волокна и композитов на их основе

Выбранный для просмотра документ Аникина, Ленина полимеры.pptx

библиотека
материалов
Работу выполнили обучающиеся 10 класса Аникина В. В. Ленина Д. Руководители:...
Цель работы Изучить возможность введения отходов окси- ПАН в термопластичную...
Задачи 1. Определить способность волокнистых наполнителей к смачиванию в раст...
Фото ПАН-волокон (-CH2-CH(CN)-)n  до окисления после окисления
Свойства углеродного волокна мало гигроскопичны, но сорбируют водяные пары до...
Условия получения и основные виды углеродных волокон Вид волокна Температура...
Опыт 1. Определение способности волокнистых наполнителей к смачиванию. Пригот...
Фото с опытом
Зависимость смачиваемости исходных волокон и отходов окси –ПАН в водном раств...
Кинетические кривые смачивания ПАН и отходов окси – ПАН в растворе Высота под...
Опыт 2. Синтез полимеризационно наполненного ПА-6 на основе ПАН-жгутика и оки...
Опыт 3. Определение низкомолекулярных соединений в полимерной композиции: пол...
Зависимость изменения содержания НМС от концентрации отходов окси-ПАН с разно...
Вывод Таким образом, была показана принципиальная возможность введения разноо...
16 1

"Инфоурок" приглашает всех педагогов и детей к участию в самой массовой интернет-олимпиаде «Весна 2017» с рекордно низкой оплатой за одного ученика - всего 45 рублей

В олимпиадах "Инфоурок" лучшие условия для учителей и учеников:

1. невероятно низкий размер орг.взноса — всего 58 рублей, из которых 13 рублей остаётся учителю на компенсацию расходов;
2. подходящие по сложности для большинства учеников задания;
3. призовой фонд 1.000.000 рублей для самых активных учителей;
4. официальные наградные документы для учителей бесплатно(от организатора - ООО "Инфоурок" - имеющего образовательную лицензию и свидетельство СМИ) - при участии от 10 учеников
5. бесплатный доступ ко всем видеоурокам проекта "Инфоурок";
6. легко подать заявку, не нужно отправлять ответы в бумажном виде;
7. родителям всех учеников - благодарственные письма от «Инфоурок».
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://infourok.ru/konkurs

Описание презентации по отдельным слайдам:

№ слайда 1 Работу выполнили обучающиеся 10 класса Аникина В. В. Ленина Д. Руководители:
Описание слайда:

Работу выполнили обучающиеся 10 класса Аникина В. В. Ленина Д. Руководители: Борисова Н.В., Екимова Л. П. Энгельсский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» МБОУ «Гимназия №8» г. Энгельс Анализ отходов производства углеродного волокна и изучение возможности их использования Энгельс-2014

№ слайда 2 Цель работы Изучить возможность введения отходов окси- ПАН в термопластичную
Описание слайда:

Цель работы Изучить возможность введения отходов окси- ПАН в термопластичную матрицу полиамид, причем на стадии синтеза ε -капролактама.

№ слайда 3 Задачи 1. Определить способность волокнистых наполнителей к смачиванию в раст
Описание слайда:

Задачи 1. Определить способность волокнистых наполнителей к смачиванию в растворе исходного мономера -капролактама 2. Провести синтез ε –капролактама наполненного отходами окси-ПАН 3. Изучить свойства полученных материалов.  

№ слайда 4 Фото ПАН-волокон (-CH2-CH(CN)-)n  до окисления после окисления
Описание слайда:

Фото ПАН-волокон (-CH2-CH(CN)-)n  до окисления после окисления

№ слайда 5 Свойства углеродного волокна мало гигроскопичны, но сорбируют водяные пары до
Описание слайда:

Свойства углеродного волокна мало гигроскопичны, но сорбируют водяные пары до 0,2 – 3,0 % обладают абсолютной фотохимической и атмосферостойкостью высокой устойчивостью к действию проникающей радиации хемостойкостью: к концентрированным растворам кислот и щелочей, всем видам растворителей, умеренным окислителям на них оказывают действие только сильные окислители при нагревании углеродные волокна также абсолютно биостойки и биоинертны

№ слайда 6 Условия получения и основные виды углеродных волокон Вид волокна Температура
Описание слайда:

Условия получения и основные виды углеродных волокон Вид волокна Температура обработки, ºС   Содержание углерода, масс. %   Частично карбонизованное < 500   до 90 Карбонизованное 500 - 1000 91 – 99   Графитизированное > 1500 > 99  

№ слайда 7 Опыт 1. Определение способности волокнистых наполнителей к смачиванию. Пригот
Описание слайда:

Опыт 1. Определение способности волокнистых наполнителей к смачиванию. Приготовить 50% водный раствор ε-капролактама Подкрасить растворы одной- двумя каплями красителя метиленового оранжевого. Отобрать пучок волокон состоящий из 50 мононитей длиной 15 см. В кювету налить раствор ε-капролактама. Образец подвесить на крючок пробки кюветы. Для выпрямления образцов к их концам подвесить грузы . Погрузить образец в раствор на глубину 5-10 мм. Сразу же после погружения образца в раствор с помощью катетометра начать замеры подъема границы смачивания с интервалом 2-15 минут (в зависимости от скорости смачивания) до установления предельной высоты подъема раствора.

№ слайда 8 Фото с опытом
Описание слайда:

Фото с опытом

№ слайда 9
Описание слайда:

№ слайда 10 Зависимость смачиваемости исходных волокон и отходов окси –ПАН в водном раств
Описание слайда:

Зависимость смачиваемости исходных волокон и отходов окси –ПАН в водном растворе капролактама от времени. Время, сек Исходное ПАН -волокно Отходы окси - ПАН   1 2 3 Ср 1 2 3 ср 30 8,16 13,19 10,26 10,54 12,12 14,52 14,32 13,65 60 11,04 19,39 16,00 15,48 23,24 27,30 26,23 25,59 90 20,06 23,78 20,38 21,41 28,64 32,40 30,48 30,51 120 22,39 25,88 22,18 23,48 35,64 32,55 32,05 33,41 150 26,00 27,28 25,63 26,30 35,73 32,61 32,98 33,77 180 26,26 27,39 27,09 26,91         210 26,38 28,63 28,20 27,74         240 30,86 30,55 29,01 30,14         270 32,10 31,78 30,00 31,29         300 32,16 32,91 31,28 32,11         330 32,18 32,94 31,30 32,14        

№ слайда 11 Кинетические кривые смачивания ПАН и отходов окси – ПАН в растворе Высота под
Описание слайда:

Кинетические кривые смачивания ПАН и отходов окси – ПАН в растворе Высота поднятия жидкости, мм Время, сек

№ слайда 12 Опыт 2. Синтез полимеризационно наполненного ПА-6 на основе ПАН-жгутика и оки
Описание слайда:

Опыт 2. Синтез полимеризационно наполненного ПА-6 на основе ПАН-жгутика и окисленного ПАН-жгутика Полимеризационно наполненный ПА синтезировали в ампулах в термошкафу: без доступа воздуха, температура – 2500С, время полимеризации – 3 часа содержание наполнителя, 10% масс

№ слайда 13
Описание слайда:

№ слайда 14 Опыт 3. Определение низкомолекулярных соединений в полимерной композиции: пол
Описание слайда:

Опыт 3. Определение низкомолекулярных соединений в полимерной композиции: полиамид(ПА-6) 5% и 10% отходов производства углеродного волокна Результаты эксперимента

№ слайда 15 Зависимость изменения содержания НМС от концентрации отходов окси-ПАН с разно
Описание слайда:

Зависимость изменения содержания НМС от концентрации отходов окси-ПАН с разной степенью окисления: 1 - 0; 2 – 0,2; 3 – 0,4; 4 – 0,6; 5 – 0,8; 6 – 1,0.

№ слайда 16 Вывод Таким образом, была показана принципиальная возможность введения разноо
Описание слайда:

Вывод Таким образом, была показана принципиальная возможность введения разноокисленных отходов окси-ПАН с различной концентрацией в полимеризующуюся систему ПА-6.  

Выбранный для просмотра документ Работа ЭТИ Аникина Ленина (2).doc

библиотека
материалов












ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА:

Анализ отходов производства углеродного волокна и композитов на их основе


Аникина Виктория Владиславовна, Ленина Дина Александровна, Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Гимназия №8 города Энгельс» Энгельсского района Саратовской области

























Энгельс- 2014

Содержание

Введение

3

1. Теоретическая часть. Обзор литературы


5

1.1. История создания углеродных волокон


5

1.2. Современные способы получения углеродного волокна


5

1.3. Свойства углеродных волокон


7

1.4. История создания композиционных материалов


10

1.5. Полимеризационное наполнение ПА-6


11

2. Экспериментальная часть


12

2.1. Изучение внешнего вида отходов.


12

2.2. Определение способности волокнистых наполнителей к смачиванию

13

2.3 Методика синтеза полимеризационно-наполненного ПА-6 на основе отходов ПАН и отходов окси-ПАН


15

2.4. Определение плотности полимеризационнонаполненного ПА-6 отходами (пикнометрический метод) [ГОСТ 15139-69]


16

2.5 Определение низкомолекулярных соединений в полимерной композиции: полиамид (ПА-6) и отходы [ГОСТ 17824-81]

17

2.6. Определение содержания непредельных углеводородов в полученных композитах

18

Заключение

22

Литература

23






Введение

Население земного шара увеличивается в год на 1,5 – 2%, а объем полимерных отходов (ПО) – на 6% [1].

Объем ПО непрерывно возрастает как в абсолютных величинах, так и на душу населения. Состав полимерных отходов резко усложняется, включая в себя все большее количество экологически опасных компонентов, которые могут образовываться при разложении и горении полимерных отходов.

Законы, ужесточающие правила обращения с отходами, принимаются на всех уровнях правительства.

Поэтому новые технологии утилизации отходов все более широко внедряются в жизнь.

По данным СМИ производство полимерных материалов составляет 230 млн.т в год, ежегодно производство увеличивается на 5 - 6%, потребление полимеров на душу населения 85 – 90 кг в индустриально развитых странах. Соответственно количество отходов увеличивается.

Источниками полимерных отходов являютcя:

  • отходы производственного потребления – накапливаются в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, используемых в различных отраслях народного хозяйства;

  • отходы общественного потребления, которые накапливаются у нас дома, на предприятиях общественного питания и т.д.;

  • технологические отходы производства, которые возникают при синтезе и переработке полимеров [2].

Таким образом, при производстве любых полимерных материалов образуются неизбежные отходы производства. Обеспечение наиболее полной переработки текстильных отходов производства и потребления в полезные для общества материалы и изделия следует считать главн6ой задачей научно – исследовательского прогресса в области использования вторичных ресурсов.

Производство углеродного волокна не является исключением из этого правила.

Прочес получения углеродных волокон из полиакринитрила включает основные стадии, различающиеся условиями их проведения. На начальной стадии (окислении) ПАН волокно подвергают относительно длительному нагреву в среде воздуха. Именно на этой стадии образуется наибольшее количество отходов, которые представляют собой отходы окси-ПАН.

Перспективным является введение отходов окси-ПАН в качестве наполнителя для полимерной матрицы. В качестве полимерной матрицы можно использовать полиэтилен, полипропилен, полиамид и др.

Целью работы являлось изучить возможность введения отходов окси- ПАН в термопластичную матрицу полиамид, причем на стадии синтеза

ε -капролактама.

Для достижения поставленной решались следующие задачи:

1. Определить способность волокнистых наполнителей к смачиванию в растворе исходного мономера -капролактама;

2. Провести синтез ε –капролактама наполненного отходами окси-ПАН;

3. изучить свойства полученных материалов.













1. Теоретическая часть. Обзор литературы.

1.1.История создания углеродных волокон

Интерес к углеродным волокнам (УВ) обусловлен тем, что они обладают уникальным комплексом свойств: высоким модулем упругости, специфическими тепло-, электрофизическими и сорбционными свойствами. По своей удельной прочности углеродные волокна в качестве армирующего материала успешно конкурируют с другими типами волокон, применяющимися при создании композиционных материалов.

Техника получения волокнообразующего углерода путем прокаливания хлопчатобумажной нити известна еще со времен изобретения лампы накаливания. В 1880 году Т.А. Эдисон запатентовал получение и применение УВ в качестве нитей накаливания в электрических лампах. В течение последующих 20 лет он же предложил получать УВ из различных природных волокон. Однако систематические исследования по созданию УВ были начаты в 50-60-х годах прошлого века. Эти разработки стимулировала перспектива улучшения физико-механических свойств изделий из пластмасс путем армирования их УВ. В 1959 году в США был разработан метод получения высокопрочных УВ путем высокотемпературной обработки вискозы. Почти в то же время в СССР и несколько позже, в 1961 году, в Японии были получены УВ на основе полиакрилонитрильных волокон (ПАН-волокон). В 1970 году в Японии были получены УВ на основе нефтяных пеков. В 1965-1966 годах в Великобритании США и Японии был освоен промышленный выпуск высокомодульных и высокопрочных УВ [3].

1.2. Современные способы получения углеродного волокна

На начальном этапе исследований в области получения углеродных материалов основное внимание уделялось УВ на основе гидратцеллюлозы (УВ- ГЦ). В следующие годы работы в области создания УВ были расширены. И для разработки технологии высокопрочных и высокомодульных УВ были предложены в качестве основы полиакрилонитрильные нити и жгуты (УВ-ПАН). Кроме того, проводились исследования, связанные с получением высокомодульных УВ из анизотропных пеков.

В настоящее время углеродные волокна и углеродные волокнистые материалы получают путем пиролиза исходных волокон, дающих наибольший выход кокса при пиролизе: гидратцеллюлозы (выход кокса 23-35%), сополимеров акрилонитрила (40-50%), нефтяных или каменноугольных пеков (70-90%).

Из-за специфики технологии переработки нефтяных и каменноугольных пеков, их канцерогенности и других причин для получения УВ и УВМ с особыми физическими и физико-химическими свойствами используют почти исключительно вискозные и полиакрилонитрильные волокна- прекурсоры .

Возможно использование и других исходных волокон- прекурсоров (поливинилхлоридных, поливинилспиртовых, полиарамидных, полиоксазольных, фенолформальдегидных и др.), но они не имеют существенного промышленного значения из-за сложной технологии, более низких свойств получаемых УВ или их более высокой стоимости.

Полиакрилонитрил сегодня остается основным исходным материалом для серийно выпускаемых углеродных волокон. ПАН волокна, используемые в производстве углеродных волокон, отличаются от коммерческих, используемых в текстильной промышленности, по химическому составу, типу, содержанию сомономеров, а также физико-механическим характеристикам. Так, текстильные ПАН волокна, используемые для производства тканей, одеял, ковров, имеют более высокую площадь поперечного сечения (соответственно линейную плотность) и более низкую прочность при растяжении, чем специальные ПАН волокна. Выход УВ в процессах карбонизации и графитации в сравнении с исходными волокнами следующий:

теоретический по углероду (для ГЦ волокон – 44,5%,) для ПАН волокон – 58,5%;

реальный выход зависит от вида применяемого катализатора для карбонизованных волокон на основе ПАН прекурсора – 45-50%, (ГЦ 20-35%);

реальный для графитированных волокон на основе ГЦ прекурсора 25-30%, для ПАН прекурсора – 40-50% .

На основе ПАН прекурсора были созданы два вида УВ: карбонизованное эвлон и графитированное конкор [3].

1.3. Свойства углеродных волокон.

Теплостойкость ПАН волокон и нитей сравнительно низкая, так как при температурах 100°С и 150°С они теряют 20-23% и 50% исходной прочности соответственно. Однако, для ПАН-нитей характерна способность к полимераналогичным превращениям при длительном выдерживании их при температурах более 200°С в присутствии кислорода. В результате окислительных процессов происходит циклизация ПАН, волокно чернеет и становится нерастворимым, снижается прочность, но повышается устойчивость к действию температур. Дальнейший прогрев окисленного ПАН-волокна до 1000°С (карбонизация) и 20000С (графитизация) приводит к образованию углеродного волокна , которое способно эксплуатироваться при температурах 2000-3000°С, обладая достаточной прочностью и модулем упругости.

Технологический процесс получения углеродного волокна на основе ПАН включает три последовательные стадии: термостабилизацию на воздухе при температуре 200-300ºС; высокотемпературную обработку в инертной среде при температурах до 1500 ºС – карбонизацию и высокотемпературную обработку в инертной среде при температурах до 3800 ºС – графитацию. Материалы, получаемые на каждой стадии, являются самостоятельными продуктами – соответственно, термостойкое окисленное волокно, высокопрочное углеродное волокно и высокомодульное углеродное волокно.

Вследствие глубоких химических превращений при высокотемпературной обработке и удаления летучих продуктов происходит уменьшение массы волокон, так что выход волокна в виде углерода составляет:

- для волокон на основе вискозного прекурсора: карбонизованных – 25 – 35 %, графитизированных – 23 – 30 %;

- для волокон на основе полиакрилонитрильного прекурсора: карбонизованных – 45 – 50 %, графитизированных – 40 – 50 %.

Химический состав и структура УВ зависят от состава исходных волокон-прекурсоров и условий их получения. С повышением температуры термообработки содержание углерода увеличивается от 80 до 99,5 %. По максимальной температуре термообработки и элементному составу все УВ можно подразделить на три вида (табл. 1). В структуре УВ содержатся также атомы кислорода, азота, кремния, фосфора в зависимости от технических добавок, а на поверхности различные функциональные группы - преимущественно кислородсодержащие: гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др.

Таблица 1. Условия получения и основные виды УВ.


Вид волокна

Температура

обработки, ºС


Содержание углерода, масс. %


Частично карбонизованное

< 500


до 90

Карбонизованное

500 - 1000

91 – 99


Графитизированное

> 1500

> 99


С увеличением температуры и натяжения при термической обработке степень ориентации и кристалличность УВ возрастают. Углеродное волокно:

- малогигроскопичны, но вследствие развитой поверхности они сорбируют водяные пары до 0,2 – 3,0 %,;

- обладают абсолютной фотохимической и атмосферостойкостью;

- высокой устойчивостью к действию проникающей радиации;

- хемостойкостью: к концентрированным растворам кислот и щелочей, всем видам растворителей, умеренным окислителям;

- на них оказывают действие только сильные окислители при нагревании;

- УВ также абсолютно биостойки и биоинертны.

Термические свойства УВ существенно зависят от характера окружающей атмосферы. На воздухе УВ окисляются при повышенных температурах. Поэтому их температура длительной эксплуатации не превышает 300 – 400 ºС. В инертной среде температура длительной эксплуатации составляет 400 – 600 ºС. В условиях кратковременного нагрева в инертной или восстановительной среде они выдерживают температуру 1500 – 2000 ºС и даже до 2500 – 3000 ºС. УВ обладают полупроводниковыми свойствами. Варьируя условия термической обработки, вводя легирующие добавки (бор, щелочные металлы) или формируя проводящие области из различного типа электропроводящих легирующих добавок, можно в широком диапазоне изменять электропроводность УВ.

Обработкой УВ окислителями, концентрированными растворами кислот (азотная, серная, фосфорная) и другими реагентами получают УВ-катионообменники. Путем аминирования (с предварительным хлорированием или без него) в парах аммиака, пиридина при нагревании получают УВ-анионообменники. Введением в исходные волокна-прекурсоры или в УВ солей различных металлов (платины, иридия, палладия, хрома, ванадия, серебра, марганца, меди, кобальта, никеля, железа и др.) и последующей термической обработкой, при которой происходит восстановление металлов, получают металлсодержащие УВ катализаторы с высокой каталитической активностью [4].

Таким образом, можно сделать вывод о том, что углеродные волокна обладают широким диапазоном свойств и применяются в высокотехнологичных отраслях промышленности как наполнители для создания композиционных материалов.


1.4. История создания композиционных материалов.

Композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы, армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и т.д. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого количественно и качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих. Варьируя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.

То, что малые добавки волокна значительно увеличивают прочность и вязкость хрупких материалов, было известно с древнейших времен. Во времена египетского рабства евреи добавляли солому в кирпичи, чтобы они были прочнее и не растрескивались при сушке на жарком солнце.

Подобные технологии существовали у многих народов. Инки использовали растительные волокна при изготовлении керамики, а английские строители до недавнего времени добавляли в штукатурку немного волоса.

Другой композит, известный еще в Древнем Египте, содержал намного больший процент волокон, чем египетские кирпичи. Оболочки для египетских мумий делали из кусков ткани или папируса, пропитанных смолой или клеем. Этот материал (папье-маше) был заново открыт только в 18 в. (вместо папируса использовались куски бумаги) и был популярен до середины 20 в. Из папье-маше делали игрушки, рекламные макеты, а иногда даже мебель.

Пожалуй, в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из распространенного в наши дни композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом, вероятнее всего, является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями [5].

В настоящее время современные полимерные композиционные материалы, получают путем смешения полимерной матрицы и наполнителя, не важно, в каком виде он может применяться, либо в дисперсном состоянии, либо в качестве волокон.

Новым в отрасли полимерной промышленности является введение наполнителя на стадии синтеза мономеров.

1.5. Полимеризационное наполнение полиамида-6

Из литературы [6] известно, что при катионной полимеризации капролактама в присутствии безводной H3PO4 вся схема процесса может быть представлена тремя параллельными реакциями:

hello_html_m1a5c2d75.png

hello_html_4fb72b6f.png


hello_html_m3e09aa28.png



Катионная полимеризации ПА-6 представляет наибольший интерес. Это подтверждается достаточным количеством работ, свидетельствующих о практической значимости метода катионной полимеризации, и в частности, о преимуществах использования активирующих систем на основе фосфорной кислоты.

Кафедра химической технологии СГТУ также специализируется в области создания полимерных композиционных материалов на основе наполнителей разной природы методом полимеризационного наполнения.

Сущность такого метода заключается в смешении наполнителя с мономером с последующей полимеризации в присутствии катализатора.

В качестве наполнителей можно применять различные по природе и структуре химические волокна (полиэфирные, поликапроамидные, полиакрилонитрильное, полипропиленовое и другие), дисперсные вещества, магнитные порошки.

Метод полимеризационного наполнения весьма перспективен для получения композиционных материалов с направленным регулированием свойств.

2. Экспериментальная часть.

2.1. Изучение внешнего вида отходов.

На каждой стадии производства углеродных волокон образуются отходы разные по своему составу. Наибольшее количество отходов образуется на стадии окисления. В зависимости от впускаемого ассортимента продукции волокнистые отходы бывают в виде отдельных волокон, жгутиков и тканых лент. Условное обозначение отходов до окисления (ПАН) и после стадии окисления полиакрилонитрильного прекурсора приняли как отходы окси-ПАН, которые имели окраску белого (ПАН) и черного цвета (окси-ПАН).

hello_html_10cd8afb.jpg

а

б

hello_html_m7bd872ed.jpg

Рис.2 Фото ПАН-волокон: а) до окисления, б) после окисления.



2.2. Определение способности волокнистых наполнителей к смачиванию.

Порядок выполнения: приготовить 50% водный раствор ε-капролактама (масса капролактама 6,8901 г, масса воды 6,7954 г) . Подкрасить растворы одной- двумя каплями красителя метиленового оранжевого.

Отобрать пучок волокон состоящий из 50 мононитей длиной 15 см. В кювету налить раствор ε-капролактама. Образец подвесить на крючок пробки кюветы. Для выпрямления образцов к их концам подвесить грузы (1-2 г).

Погрузить образец в раствор на глубину 5-10 мм. Сразу же после погружения образца в раствор с помощью катетометра начать замеры подъема границы смачивания с интервалом 2-15 минут (в зависимости от скорости смачивания) до установления предельной высоты подъема раствора.

Построить кинетические кривые смачивания и пропитки – зависимость высоты подъема границы смачивания.























Таблица 2. Зависимость смачиваемости отходов ПАН и окси–ПАН

в водном растворе капролактама от времени.

Время

Белое (ПАН)

Черное (отходы окси-ПАН)


1

2

3

Ср

1

2

3

ср

30

8,16

13,19

10,26

10,54

12,12

14,52

14,32

13,65

60

11,04

19,39

16,00

15,48

23,24

27,30

26,23

25,59

90

20,06

23,78

20,38

21,41

28,64

32,40

30,48

30,51

120

22,39

25,88

22,18

23,48

35,64

32,55

32,05

33,41

150

26,00

27,28

25,63

26,30

35,73

32,61

32,98

33,77

180

26,26

27,39

27,09

26,91





210

26,38

28,63

28,20

27,74





240

30,86

30,55

29,01

30,14





270

32,10

31,78

30,00

31,29





300

32,16

32,91

31,28

32,11





330

32,18

32,94

31,30

32,14

























Кинетические кривые смачивания отходов ПАН и окси – ПАН

в растворе капролактама

Высота поднятия жидкости, мм



hello_html_4872a131.gif

Время, сек

ПАН

Окси-ПАН

hello_html_m194ea049.pnghello_html_14feb697.jpg


2.3 Методика синтеза полимеризационно-наполненного ПА-6 на основе отходов ПАН и отходов окси-ПАН

Полимеризационно наполненный ПА синтезировали в металлическом реакторе в термошкафу без доступа воздуха; температура и продолжительность полимеризации соответствовали оптимальным параметрам получения наполненного ПКА:

Температура полимеризации,°С. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

Содержание наполнителя, % масс. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Время синтеза ,ч . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Навеску капролактама в количестве 90 г взвешивали на аналитических весах с точностью до 0,0001 г и помещали в реактор объёмом 100 мл, куда предварительно была помещена навеска измельченных отходов ПАН и отходов окси-ПАН (9 г). Туда же вводили расчётное количество инициатора – фосфорная кислота (1 % от массы КЛ). Реактор плотно закрывали и помещали в термошкаф, нагревали до температуры полимеризации, при которой она выдерживалась в течение 4-х часов.

По окончании полимеризации реактор наполненным ПА охлаждали в термошкафу до t=20 оС. Затем извлекали монолитный слиток (образец), который в дальнейшем измельчали и исследовали.

Вставить фото с печкой и реактором

2.4. Определение плотности полимеризационнонаполненного ПА-6 отходами (пикнометрический метод) [ГОСТ 15139-69]

В пикнометр заливали рабочую жидкость так, чтобы она покрывала образец, и удаляли воздух, поместив пикнометр в вакуумный эксикатор, присоединенный к вакуум-насосу.

После вакуумирования пикнометр с рабочей жидкостью и образцом помещали в термостат, где выдерживали в течение 30 мин при температуре 293±0,1 К (20±0,10С). Жидкость доводили до метки, затем снаружи пикнометр вытирали, взвешивали и определяли массу m11.

Плотность образца (р) в г/см3 рассчитывали по формуле:

hello_html_345b3ab0.gif

где m1-масса образца в воздухе, г; m0-масса пикнометра с рабочей жидкостью, г; m11-масса пикнометра с рабочей жидкостью и образцом, г;

рж- плотность рабочей жидкости, г/см3.

Образец

m0,г (ср)

m1,г (ср)

m11,г (ср)

ρ, г/см3

1 (ПАН и ПА-6)

83,0

5,0

83,5

1,11

2 (окси-ПАН и ПА-6)

83,0

5,0

84,0

1,25

За результат испытаний принимали среднее арифметическое трех параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны быть более 0,0002 г/см3.

2.5 Определение низкомолекулярных соединений в полимерной композиции: полиамид (ПА-6) и отходы [ГОСТ 17824-81].

Для определения содержания НМС полученный полимер в количестве 1 грамма измельчали и кипятили со 100 мл воды в течение 2х часов в груглодонной колбе с обратным холодильником. Для удаления мономера и низкомолекулярных соединений содержимое колбы фильтровали, промывали и сушили. Содержание НМС рассчитывали по формуле:

hello_html_m68bf9a80.gif;

m0 – навеска полимера до кипячения, г

m1 – навеска полимера после кипячения и сушки, г

Результаты:

Образец

m0

m1

Δm

Х,%

Δх,%

1 (ПАН и ПА-6)

10,0

7,0

3,0

3,0

3,3

9,8

6,9

2,9

2,8

12,3

8,5

3,8

3,2

2 (окси-ПАН и ПА-6)

25,0

24,7

0,3

1,2

1,1

13,2

13,1

0,1

0,8

15,6

15,4

0,2

1,3


2.6. Определение содержания непредельных углеводородов в полученных композитах.

Непредельные углеводороды проявляют высокую реакционную способность, поэтому для их выделения и количественного определения наряду с физическими используют химические методы. В основе этих методов лежат реакции присоединения по кратным связям различных молекул (серной кислоты, галогенов, водорода и др.). Наиболее широко в аналитической практике для количественного определения алкенов используется их реакция с галогенами (хлором и бромом), например:

R – CH = CH2 + Br2 = R – CHBr – CH2Br

Содержание непредельных в анализируемом нефтепродукте характеризуют с помощью йодных (бромных) чисел. Йодным (бромным) числом называют количество граммов йода (брома), присоединившегося при определенных условиях к 100 г исследуемого вещества. При этом считают, что весь йод (бром) идет на реакцию присоединения по кратной связи и на каждую двойную связь расходуется 1 моль йода (брома). При помощи йодных или бромных чисел можно рассчитать массовую долю алкенов (р, %),если известна средняя молекулярная масса исследуемого продукта. Для этого используют формулу пересчета:

р = ИЧМ/254, где ИЧ – йодное число; М – средняя молекулярная масса исследуемой фракции; 254 – молекулярная масса йода.

При использовании бромного числа формула пересчета имеет вид:

р = БЧМ/160, где БЧ – бромное число; 160 – молекулярная масса брома. Определение йодного числа чаще всего проводят по методу Маргошеса (ГОСТ 2070-50). Метод заключается в проведении реакции между спиртовым раствором йода и спиртовым раствором анализируемого нефтепродукта в присутствии большого избытка воды. Йод реагирует с водой с образованием иодноватистой кислоты:

I+ HOH = HIO + HI

Иодноватистая кислота вступает во взаимодействие с ненасыщенными соединениями быстрее, чем йод, присоединяясь по месту двойных связей:

RCH = CHR’ + 2HIO + C2H5OH == RCHI – CHIR’ + CH3OH +2H2O

Избыток йода оттитровывается тиосульфатом натрия:

I2 + 2Na2S2O3 == 2NaI + Na2S4O6

Определение необходимо проводить быстро с соблюдением всех условий.

Проведение испытания. В качестве исследуемого образца брали жидкость полученную при определении низкомолекулярных соединений в полимерной композиции. Навеску испытуемого продукта необходимо поместить в стеклянную ампулу емкостью 0,5-1 мл с оттянутым в капилляр концом. Для этого испытуемый продукт наливают в маленький стаканчик (диаметром 10 мм и высотой 15 мм). Пустую ампулу взвешивают и слегка нагревают ее резервуар над пламенем горелки. Кончик капилляра нагретой ампулы быстро погружают в испытуемый продукт в стаканчике, а резервуар по возможности охлаждают. После заполнения ампулы кончик ее капилляра осторожно заплавляют над пламенем горелки и взвешивают ампулу. 

Навеску испытуемого в количестве 0,2-0,4 г с точностью до 0,0004 г можно отбирать также в бюксе с притертой пробкой.

Далее в коническую колбу с емкостью 500 мл с притертой пробкой наливают 5 мл этилового или изопропилового спирта, опускают в колбу ампулу, после чего ампулу разбивают стеклянной палочкой, измельчают капилляр, обмывают палочку и стенки колбы 10 мл этилового или изопропилового спирта. Если навеску брали в бюксе, ее выливают в колбу, обмывают бюкс спиртом.

Затем в колбу приливают из бюретки 25 мл спиртового раствора йода, плотно закрывают пробкой, предварительно смоченной раствором йодистого калия, и осторожно встряхивают колбу. Приливают к содержимому в колбе 150 мл дистиллированной воды, закрывают колбу пробкой, взбалтывают в течении 5 мин и оставляют в покое на 5 мин в темном место. После этого пробку и стенки колбы обмывают небольшим количеством дистиллированной воды. Содержимое колбы титруют 0,1н раствором тиосульфата натрия. Когда жидкость в колбе примет светло-желтый цвет, приливают в колбу 1-2 мл раствора крахмала и продолжают титровать до исчезновения синевато-фиолетового окрашивания.

Параллельно проводят контрольный опыт, выполняя описанную последовательность операций без нефтепродукта.

Йодное число испытуемого продукта вычисляют по формуле:

ИЧ = (V – V1)T100 / G, где V,V1 – объемы 0,1н раствора тиосульфата натрия, пошедшие на титрование соответственно в контрольном опыте и опыте с испытуемым образцом, мл; T – титр 0,1н раствора тиосульфата натрия, выраженный в граммах йода (т = 0,0127 г);

G – навеска испытуемого образца, г. За окончательное значение йодного числа испытуемого образца принимается среднее арифметическое двух параллельных определений. Расхождение между двумя параллельными определениями йодного числа не должно превышать 10% от величины меньшего результата. Содержание непредельных углеводородов в испытуемом продукте (% мас.) вычисляют по формуле. Средняя молекулярная масса акрилонитрила CH2= CH — C ≡ N -53г/моль

Масса, г

V,мл

V1,мл

ИЧ

р, %

Δр, %

1.

10,0

0,1

25,0

3,16

0,66

0,67

2.

10,0

0,1

25,2

3,19

0,68

3.

10,0

0,1

25,1

3,18

0,67


hello_html_486112e3.jpg hello_html_m5e12f620.jpg


3. Обсуждение результатов

Развитие данного направления исследований ставило целью поиск новых, дешевых наполнителей для получения доступных полимерных композиционных волокнистых материалов. В связи с этим для синтеза капролактама было предложено использовать отходы производства углеродного волокна.

В работе исследовали внешний вид отходов. В зависимости от впускаемого ассортимента продукции волокнистые отходы бывают в виде отдельных волокон, жгутиков и тканых лент. Условное обозначение отходов до окисления (ПАН) и после стадии окисления полиакрилонитрильного прекурсора отходы окси-ПАН, которые имели окраску белого и черного цвета.

Для того чтобы установить, как будет происходить смачивание волокна мономером во время синтеза капролактама, была изучена способность волокнистых наполнителей к смачиванию. Во время эксперимента установлено, что отходы окис-ПАН имели смачиваемость гораздо ниже, чем ПАН.

Синтезированные композиционные материалы подвергались изучению.

Исследование плотности полученных образцов позволяет сделать вывод о том, что композиты имели плотность, которая значительно не отличалась. Так образец ПАН и ПА-6 имеет плотность 1,11г/см3, а окси-ПАН и ПА-6 - 1,25 г/см3.

Синтезированный полимер может содержать остаточный мономер и низкомолекулярные олигомеры, поэтому проводились исследования в этом направлении. Низкомолекулярные соединения могут быть экстрагированы дистиллированной водой по методике из ГОСТ 17824-81. Испытуемые образцы имели содержание низкомолекулярных соединений, ПА-6 и ПАН - 3,3, ПА-6 и окси-ПАН – 1,1 %.

Не знаю, как описать про результаты непредельности для композита у ПА-6 и ПАН нет двойных связей, они рвутся при замыкании полимерного звена.

Анализ экспериментальных данных, показал целесообразность использования отходов ПАН и окси-ПАН при полимеризационном наполнении полиамида-6.


Заключение

Исследовали внешний вид отходов, которые имели окраску белого (ПАН) и черного цвета (окси-ПАН).

Во время определения смачиваемости отходов капролактамом установлено, что отходы окис-ПАН имеют смачиваемость в 2 раза меньше, чем ПАН.

Синтезированные композиционные материалы подвергались изучению.

Исследование плотности полученных образцов показала, что образец ПАН и ПА-6 имеет плотность 1,11г/см3, а окси-ПАН и ПА-6 - 1,25 г/см3.

Испытуемые образцы имели содержание низкомолекулярных соединений, ПА-6 и ПАН - 3,3, ПА-6 и окси-ПАН – 1,1 %.

Не знаю как описать про результаты непредельности для композита у ПА-6 и ПАН нет двойных связей, они рвутся при замыкании полимерного звена.

Анализ экспериментальных данных, показал целесообразность использования отходов ПАН и окси-ПАН при полимеризационном наполнении полиамида-6.


Литература

1. Организация переработки и использования твердых бытовых отходов: опыт США и проблемы России. –[ Электронный ресурс]. - http:/www.mirrabot.com.- <15.03.2014>

2. Черп О.М. Проблемы твердых бытовых отходов: комплексный подход / О.М Черп, В.Н.Винченко. М.: Эколайн – Ecologia. 1996г, с. 17.

3. Левит, Р. М. Электропроводящие химические волокна / Р. М. Левит. – М. : Химия, 1986. – 200 с.

4. 5. Будницкий, Г. А. Углеродные волокнистые материалы, применяемые в качестве армирующих наполнителей / Г. А. Будницкий // Журн. ВХО им. Д. И. Менделеева. - 1989. - Т. 34. - № 5. - С. 438-446.

5. Берлин, А. А. Принципы создания композиционных полимерных материалов / А. А. Берлин, Вальфсон. – М. : Химия, 1990. - 240 с.

6. Мизеровский, Л. Н. Особенности полимеризации капролактама, катализируемой фосфорной кислотой/ Мизеровский Л. Н., Силантьева В.Г. Быков А.Н.// Химические волокна. – 1979. – № 2. – С.22-25.







23


Краткое описание документа:

По данным СМИ производство полимерных материалов составляет 230 млн.т в год, ежегодно производство увеличивается на 5 - 6%, потребление полимеров на душу населения 85 – 90 кг в индустриально развитых странах. Соответственно количество отходов увеличивается.

Источниками полимерных отходов являютcя:

•отходы производственного потребления – накапливаются в результате выхода из строя изделий из полимерных материалов, используемых в различных отраслях народного хозяйства;

•отходы общественного потребления, которые накапливаются у нас дома, на предприятиях общественного питания и т.д.;

•технологические отходы производства, которые возникают при синтезе и переработке полимеров [2].

Таким образом, при производстве любых полимерных материалов образуются неизбежные отходы производства. Обеспечение наиболее полной переработки текстильных отходов производства и потребления в полезные для общества материалы и изделия следует считать главн6ой задачей научно – исследовательского прогресса в области использования вторичных ресурсов. 

Производство углеродного волокна не является исключением из этого правила.

 Прочес получения углеродных волокон из полиакринитрила включает основные стадии, различающиеся  условиями их проведения. На начальной стадии (окислении) ПАН волокно подвергают относительно длительному  нагреву в среде воздуха. Именно на этой стадии образуется наибольшее количество отходов, которые представляют собой отходы окси-ПАН.

Перспективным является введение отходов окси-ПАН в качестве наполнителя для полимерной матрицы. В качестве полимерной матрицы можно использовать полиэтилен, полипропилен, полиамид и др.

Целью работы являлось  изучить возможность введения отходов окси- ПАН  в термопластичную матрицу полиамид, причем на стадии синтеза 

ε -капролактама.

Для достижения поставленной решались следующие задачи:

1. Определить способность волокнистых наполнителей к смачиванию в растворе исходного мономера -капролактама;

2. Провести синтез ε –капролактама наполненного отходами окси-ПАН;

3. изучить свойства полученных материалов.

 

Автор
Дата добавления 05.11.2014
Раздел Химия
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров500
Номер материала 108421
Получить свидетельство о публикации

"Инфоурок" приглашает всех педагогов и детей к участию в самой массовой интернет-олимпиаде «Весна 2017» с рекордно низкой оплатой за одного ученика - всего 45 рублей

В олимпиадах "Инфоурок" лучшие условия для учителей и учеников:

1. невероятно низкий размер орг.взноса — всего 58 рублей, из которых 13 рублей остаётся учителю на компенсацию расходов;
2. подходящие по сложности для большинства учеников задания;
3. призовой фонд 1.000.000 рублей для самых активных учителей;
4. официальные наградные документы для учителей бесплатно(от организатора - ООО "Инфоурок" - имеющего образовательную лицензию и свидетельство СМИ) - при участии от 10 учеников
5. бесплатный доступ ко всем видеоурокам проекта "Инфоурок";
6. легко подать заявку, не нужно отправлять ответы в бумажном виде;
7. родителям всех учеников - благодарственные письма от «Инфоурок».
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://infourok.ru/konkurs


Выберите специальность, которую Вы хотите получить:

Обучение проходит дистанционно на сайте проекта "Инфоурок".
По итогам обучения слушателям выдаются печатные дипломы установленного образца.

ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ КУРСОВ


Идёт приём заявок на международный конкурс по математике "Весенний марафон" для учеников 1-11 классов и дошкольников

Уникальность конкурса в преимуществах для учителей и учеников:

1. Задания подходят для учеников с любым уровнем знаний;
2. Бесплатные наградные документы для учителей;
3. Невероятно низкий орг.взнос - всего 38 рублей;
4. Публикация рейтинга классов по итогам конкурса;
и многое другое...

Подайте заявку сейчас - https://urokimatematiki.ru

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх