Регистрация / Вход
Прислать материал

14.625.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.625.21.0003
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт химических реактивов и особо чистых химических веществ"
Название доклада
Разработка технологии получения композиционных материалов нового поколения с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению на основе наполненной углеродными нанотрубками, углеродными волокнами и наноструктурированным карбидом кремния полиимидной матрицы
Докладчик
Егоров Антон Сергеевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода с повышенными не менее чем в 2 раза стойкостью к рентгеновскому излучению, не менее чем в 1,3 раза термостойкостью, не менее чем в 2 раза теплопроводностью, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы.
Создание композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида кремния с повышенными не менее чем в 2 раза стойкостью к рентгеновскому излучению, не менее чем в 1,3 раза термостойкостью, не менее чем в 2 раза теплопроводностью, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы.
Разработка лабораторного технологического регламента производства композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида кремния с повышенными не менее чем в 2 раза стойкостью к рентгеновскому излучению, не менее чем в 1,3 раза термостойкостью, не менее чем в 2 раза теплопроводностью, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы.
Создание лабораторной установки по производству композиционных материалов на основе наноструктурированного карбида кремния с повышенными не менее чем в 2 раза стойкостью к рентгеновскому излучению, не менее чем в 1,3 раза термостойкостью, не менее чем в 2 раза теплопроводностью, по сравнению с аналогами на основе эпоксидной смолы
Актуальность и новизна исследования
Один из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией — как заставить молекулы группироваться определённым способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы или устройства, способные длительно сохранять свои эксплуатационные свойства при действии высоких и очень низких температур, различных химических агентов, повышенных уровней радиации и других факторов. Один из основных путей решения данной проблемы - это создание композиционных материалов на основе полиимидной матрицы. Путем добавления разных количеств наночастиц на различных стадиях полимеризации матриц, а так же увеличение числа доступных мономеров (диангидридов кислот), обратимость реакции имидизации (второй стадии реакции синтеза) позволят широко варьировать молекулярные, молекулярно-массовые характеристики и, как следствие, их термо-, теплостойкость, растворимость, способность к переработке, деформационно-прочностные и иные свойства будущих композитов.
В свете сложившейся политической ситуации потребность в данном виде сырья отечественного производство очень высока, что требует разработки промышленной технологии импортозамещающих материалов в целях обеспечения нужд авиационно-промышленного комплекса для создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения.
Описание исследования

В течение последнего десятилетия множество исследовательских работ было посвящено сочетанию полимеров с наночастицами для получения материалов с повышенной жесткостью, ударовязкостью и трибологическими свойствами. Растущий спрос на наноматериалы вызван тем фактом, что новые химические и физические свойства достижимы при добавлении наноразмерных наполнителей в полимерную матрицу, даже если тот же материал без нанонаполнителя не обладает такими преимуществами. Это происходит из-за влияния уникальной природы наноразмерного наполнителя на объемные свойства нанокомпозитов на полимерной основе. Полимерные нанокомпозиты интенсивно изучаются для потенциально широкой области применения ввиду легкости их обработки, низкой стоимости производства, хорошей адгезии к подложке и уникальных физико-химических свойств.

Существуют термостойкие полимеры- полиимиды, но они тяжелы в формовке. Наша основная идея взять полиимиды менее термостойкие, но с возможностью их формовать стандартными средствами и добавив наноразмерный карбид кремния, углеродные нанотрубки или углеродные волокна, не меняя их возможности переработки повысить их термостойкость и дополнительно ещё и огнестойкость. Путем добавления разных количеств наночастиц на различных стадиях полимеризации матриц, а также увеличение числа доступных мономеров (диангидридов кислот), обратимость реакции имидизации (второй стадии реакции синтеза) позволят широко варьировать молекулярные, молекулярно-массовые характеристики и, как следствие, их термо-, теплостойкость, растворимость, способность к переработке, деформационно-прочностные и иные свойства будущих композитов.

В мировой литературе известны примеры нанокомпозитных материалов на основе наполненной углеродными нанотрубками, углеродными волокнами и наноструктурированным карбидом кремния полиимидной матрицы, измерены их термические, деформационно-прочностные и другие свойства. Расширение многообразия полиимидных матриц и варьирование содержания наноструктурированных материалов, позволяет получить огромное множество композитных материалов. 

При выборе направления исследований в рамках текущей научно-исследовательской работы мы определили следующие требования, предъявляемые к разрабатываемым композиционным материалам:

  1. должны быть стойкими к высоким дозам рентгеновского и других излучений высоких энергий;
  2. должны быть стойкими к климатическим воздействиям;
  3. должны обладать повышенной термостойкостью по сравнению с эпоксидными аналогами;
  4. получение композитов должно осуществляться с минимальным числом стадий с использованием доступного сырья, кроме того, технология получения должна исключать работу с высокотоксичными и отравляющими веществами и отличаться простотой аппаратурного оформления;
  5. разрабатываемые композиты должны быть конкурентоспособны с производимыми на данный момент эпоксидными аналогами.

Технологичность (способность к переработке) полиимидов может быть повышена введением в цепь «шарнирных» атомов и групп (использованием соответствующих кислотных и аминных мономеров), повышающих гибкость макромолекул, использованием принципа разнозвенности (сополиимиды, полиамидоимиды, полиэфироимиды и др.), что снижает температуры размягчения и повышает растворимость, введением объемных обрамляющих групп («кардовые» полиимиды), что понижает межмолекулярные взаимодействия и повышает растворимость. Однако, в большинстве случаев, технологические параметры переработки высокомолекулярных линейных модифицированных полиимидов и сополиимидов затрудняют их переработку традиционными методами. Приближение этих параметров к традиционным приводит к снижению Тс и Тд полиимидов. 

Ннами были выбраны ряд диангидридов и диаминов (структуры которых изображены на Рисунке 1) для синтеза полиимидных матриц, которые буду использоваться для разработки технологии получения композиционных материалов нового поколения с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению.

Были изготовлены различные композиционные материалы. Составы композиционных материалов «полиимид наноструктурированный углерод» оптимальные по конкретной характеристике приведены в таблице 1.

 Для лучшей связи наполнитель-полимер, были проведены эксперименты по модификации поверхности наноразмерного карбида кремния и углеродных нанотрубок.

 

Результаты исследования

В рамках первого этапа были усовершенствованы старые и предложены новые методики синтеза исходных диаминов и диангидридов кислот для синтеза полиимидных матриц.

В рамках второго этапа разработаны программы и методики исследовательских испытаний экспериментальных образцов мономеров (диангидридов кислот, диаминов) и полиимидных матриц. Разработаны новые методики получения полимерной матрицы, модификации поверхности наноструктурированного карбида кремния и углеродных нанотрубок, на их основе усовершенствованы старые и предложены новые лабораторные методики. Изготовлены экспериментальные образцы диангидридов, диаминов и различных образцов полиимидной матрицы и наноструктурированного карбида кремния с разной модификацией поверхности.

В рамках третьего этапа разработаны новые методики, а также программы и методики исследовательских испытаний композиционных материалов. Изготовлены экспериментальные образцы углеродные нанотрубки с различной модификацией поверхности, а также композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок, углеродных волокон наноструктурированного карбида кремния с немодифицированной и модифицированной поверхностью и полиимида. Выданы рекомендации по выбору оптимального варианта состава композиционного материала «полиимид-наноструктурированный углерод».

В рамках четвёртого этапа изготовлены экспериментальные образцы и испытаны по разработанным ранее программам и методикам исследовательских испытаний композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок с модифицированной поверхностью и полиимида. Разработан проект технических условий на композиционные материалы, а также лабораторные технологические регламенты получения композиционных материалов на основе наноструктурированных углерода и карбида кремния с модифицированной и немодифицированной поверхностью. Разработана лабораторная модель реактора для получения композиционных материалов и на основе неё разработана эскизная конструкторская, технологическая документация, создана и смонтирована лабораторная установка. Разработана программа и методики испытаний лабораторной установки и проведены её испытания. Разработаны рекомендации по выбору оптимального варианта состава «полиимид- наноструктурированного карбида кремния с модифицированной поверхностью».

Произведен монтаж лабораторной установки по получению композиционных материалов. Цикл получения композиционных материалов периодический. При этом лабораторная установка достаточно гибкая, чтобы при изменении свойств сырья в широких пределах сохранялось качество конечного продукта. Создаваемая установка является модульной, основные элементы установки и приборы КИП взаимозаменяемы.

В рамках пятого (заключительного) этапа произведены запуск, настройка и отладка лабораторной установки для получения композиционных материалов, изготовлены и исследованы лабораторные образцы композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода, наноструктурированного карбида кремния с модифицированной поверхностью, углеродных нанотрубок с модифицированной поверхностью.

Разработан проект технического задания на проведение ОТР «Разработка промышленной технологии производства композиционных материалов нового поколения с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению на основе наноструктурированного углерода в полиимидной матрице».

 

Практическая значимость исследования
Лабораторные технологические регламенты получения композиционных материалов на основе наноструктурированного углерода и проект технического задания на ОТР могут быть использованы для создания новых ресурсосберегающих, малоэнергоемких, малоотходных производств.
Предложенные композиционные материалы на основе наноструктурированного углерода могут быть применены в кабельной промышленности при получении электроизоляционных лаков и эмалей, обладающих высокой термостойкостью и эластичностью, хорошими диэлектрическими свойствами для покрытия проводов и изделий. А поскольку они обладают высокой термостойкостью и стойкостью к окислению, то могут входить в состав деталей авиационных и ракетных двигателей при изготовлении уплотнений, вкладышей, подшипников, не требующих смазки. Могут применяться при создании материалов с высокими тепло- и звукоизолирующими свойствами в авиации и транспортном машиностроении. Из множества объективных преимуществ авиационных деталей, изготовленных из композитных материалов на основе наноструктурированного углерода, можно выделить малый вес (на 60–80% меньше аналогичных из алюминия), отличную прочность, устойчивость к давлению, прекрасную гибкость и устойчивость к коррозии. Композиционные материалы имеют «высокие» экологические свойства, не требуют трудоемкого ухода и имеют новый вид на протяжении многих лет.
Результаты ПНИ могут быть интересны всем научным и коммерческим организациям, работающим в области получения термостойких полимерных нанокомпозитов для создания новых материалов с повышенной термостойкостью и повышенной стойкостью к коротковолновому, в том числе рентгеновскому излучению. В том числе, результаты ПНИ могут интересовать следующие организации: научно-образовательные структуры соответствующего профиля (МГУ им. М.В. Ломоносова, РХТУ им. Д.И. Менделеева, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, МГТУ им. Н.Э. Баумана и т.д., ИОХ им. Н.Д. Зелинского РАН, Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН и др. институты РАН); отраслевые организации и коммерческие структуры (ФГУП «ВИАМ», ОАО «СИБУР Холдинг», Американская химическая компания DuPont).