Электроформованный композиционный хемосорбент

ISSN 1810-0198 Вестник ТГУ, т.17, вып.5, 2012
УДК 543.544-414, 620.17
ЭЛЕКТРОФОРМОВАННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ ХЕМОСОРБЕНТ
 В.В. Родаев, А.А. Ермаков, А.Р. Абакаров,
М.А. Умрихина, А.И. Тюрин
Ключевые слова: гидроксид кальция; фторопласт; волокно; хемосорбент; композит; электроспиннинг.
Описана методика синтеза методом электроспиннинга волокнистого композиционного газосорбирующего м атериала, содержащего гидроксид кальция и фторопласт-42. На основе данных сканирующей электронной микроскопии проведен анализ морфологических особенностей полученного композита.
Электроспиннинг – экономичный и простой способ
получения широкого спектра функциональных материалов с нановолокнистой структурой: фильтров, текстиля специального назначения, сенсоров, катализаторов, биотканей, топливных элементов и элементов
электроники, медицинских материалов и т. д. [1]. Метод
электропрядения разработан в НИФХИ им. Л.Я. Карпова академиком И.В. Петряновым и основан на электростатическом вытягивании волокон из растворов
полимеров [2].
В данной работе метод электроспиннинга был
впервые использован для синтеза композиционного
газосорбирующего материала. Ожидается, что данный
материал будет обладать высокой газопроницаемостью
и сорбционной активностью благодаря регулярной
макропористой структуре и развитой поверхности нановолокон, способствующей наноструктуризации активного вещества.
В качестве действующего компонента поглотителя
использовался гидроксид кальция, который наряду с
гидроксидом лития находится вне конкуренции среди
хемосорбентов по такому важному параметру, как
удельная стехиометрическая емкость. Однако применение хемосорбентов на основе LiOH по санитарноэпидемиологическим нормам во всем мире ограничено.
Гидроксид кальция в больших объемах производится
отечественной химической промышленностью. Относится к недефицитному сырью, имеет невысокую стоимость, а по соотношению цены и качества занимает
лидирующие позиции среди хемосорбентов.
В качестве полимерной основы композита был выбран фторопласт-42 (Ф-42) – сополимер тетрафторэтилена и фторвинилидена. Данный полимер предназначен
для изготовления пленок, волокон, покрытий, стойких
к действию агрессивных сред (в т. ч. кислот любой
концентрации) и температурным воздействиям. Он
обладает радиационной стойкостью, стойкостью к атмосферным воздействиям и бактериям. Ф-42 не горюч
и невзрывоопасен, не оказывает вредного воздействия
на организм человека при непосредственном контакте
и в условиях эксплуатации, что подтверждено разрешительными документами органов здравоохранения.
Методика синтеза нетканого поглотителя была следующей. К навеске порошка Ф-42 добавляли предвари1384
тельно мелко измельченный порошок гидроксид кальция из расчета 1:4 (по массе). Смесь тщательно механически перемешивали. Затем в нее добавляли бинарный растворитель, состоящий из диметилформамида
(ДМФА) и ацетона (АЦ), взятых в объемном соотношении 2:1 соответственно. Систему механически перемешивали в течение 20 мин. до получения однородной
среды. Массовая доля полимера в приготовленной суспензии составляла 5 %. При помощи дозатора суспензию помещали в эмиссионную емкость установки для
электроспиннинга.
Использование комбинации высоко- и низкокипящего растворителей (ДМФА и АЦ соответственно)
препятствовало преждевременному засыханию формовочной суспензии на выходе из капилляра, дестабилизирующему процесс электроформования, и стабилизировало стадию отверждения жидкого волокна.
При соотношении массовых долей Ф-42 и Ca(OH)2
1:4 достигалась необходимая вязкость прядильной суспензии, обеспечивающая стабильность процесса электроформования и однородность получаемого композита. При меньшей концентрации гидроксида кальция
вязкость формовочной суспензии была недостаточной
для того, чтобы удержать частицы извести во взвешенном состоянии в течение всего процесса электропрядения. При большей концентрации активного вещества
формовочная суспензия представляла собой пастообразную массу, непригодную для электроспиннингования.
Прикладываемое напряжение между кончиком капиллярного сопла и плоским коллектором составляло
30 кВ, рабочее расстояние – 15 см. Скорость подачи
раствора варьировалась от 3 до 5 мл/ч. Композит оседал на металлическую фольгу, которая перед началом
процесса электроформования крепилась на плоском
коллекторе, образуя с ним электрический контакт. Готовый материал подвергался термообработке в сухожарном шкафу при температуре 70 °C в течение 48 ч и
остаточном давлении ~1 кПа до полного удаления растворителя из поглотителя.
Структура синтезированного электроформованного
композиционного хемосорбента представлена на рис. 1.
Волокна полимерной матрицы располагались хаотично друг относительно друга, образуя паутиноподоб-
ISSN 1810-0198 Вестник ТГУ, т.17, вып.5, 2012
Рис. 1. СЭМ-изображение композиционного хемосорбента 80 % Ca(OH)2 + 20 % Ф-42
ную структуру. Средний диаметр поперечного сечения
нитей составлял 290 нм. Макропоры матрицы (газотранспортные окна) имели линейный размер менее 10
мкм. В полученном композите частицы гидроксида
кальция фиксировались на поверхности полимерных
волокон. Агрегируясь, они образовывали островки
активного вещества субмикронных размеров. Высокая
активность свободной поверхности нановолокон обеспечивает прочное сцепление вещества сорбента с матрицей, что сводит к минимуму вероятность выноса
последнего из композита в процессе его эксплуатации.
Такого эффекта невозможно достичь при использовании методов гранулирования, пропитки несущей матрицы активным веществом, совместного осаждения из
раствора или суспензии компонентов композиционного
поглотителя, а также технологий, базирующихся на
создании поглотителей, обладающих сэндвич-структурой.
Таким образом, в работе предложен новый способ
получения газосорбирующего материала, который в
силу своих структурных особенностей может составить серьезную конкуренцию традиционно используемым гранулированным физическим и химическим
сорбентам.
ЛИТЕРАТУРА
1.
2.
Lu P., Ding B. Application of Electrospun Fibers // Recent Patents on
Nanotechnology. 2008. V. 2. № 3. P. 169-182.
Filatov Y., Budyka A., Kirichenko V. Electrospinning of Micro- and
Nanofibers: Fundamentals in Separation and Filtration Processes. N. Y.:
Begell House, Inc. Publishers, 2007. 488 p.
БЛАГОДАРНОСТИ: Исследование выполнено при
поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.B37.21.1831; государственного задания на выполнение НИР и гранта Российского фонда фундаментальных исследований
№ 12-08-97551-р_центр_а.
Поступила в редакцию 26 октября 2012 г.
Rodaev V.V., Ermakov A.A., Abakarov A.R., Umrikhina М.А., Tyurin A.I. ELECTROSPUN COMPOSITE CHEMISORBENT
The synthesis technique of fibrous composite gas sorption
material containing calcium hydroxide and fluoroplastic-42 by
electrospinning method is described. According to scanning electronic microscopy data the analysis of morphological features of
the prepared composite is carried out.
Key words: calcium hydroxide; fluoroplastic; fiber; chemosorbent; composite; electrospinning.
1385