
Тип работы:	Предмет:	Язык работы:

ТЕРМИЧЕСКИЙ СОЛЬВОЛИЗ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ ПОЛИМЕРОВ И ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ В СРЕДЕ КАМЕННОУГОЛЬНОГО ПЕКА

Работа №	102767
Тип работы	Авторефераты (РГБ)
Предмет	химия
Объем работы	20
Год сдачи	2022
Стоимость	250 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено	159

Не подходит работа?

Узнай цену на написание

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПУБЛИКАЦИИ

Введение

Актуальность и степень разработанности темы исследования
Термореактивные полимеры, в частности эпоксидные и фенолформальдегидные смолы, применяются в производстве полимерных композиционных материалов (ПКМ). В ПКМ полимер армирован стекловолокном, углеродным, кварцевым, арамидным или другими волокнами. ПКМ обладают высокими показателями прочности при малом весе. Это сделало ПКМ предпочтительным материалом в космической, авиационной, автомобильной и других отраслях.
Мировое производство ПКМ, составившее в 2019 году 12 млн тонн, ежегодно растет, что приводит к образованию большого количества отходов. Входящие в со-став ПКМ термореактивные полимеры стойки к воздействию окружающей среды, поэтому захоронение таких материалов не допустимо. Кроме того, отходы ПКМ со-держат большое количество ценного наполнителя, что требует разработки методов утилизации ПКМ с извлечением волокна, т.е. методов рециклинга волокон.
Суть рециклинга сводится к разрушению полимерной матрицы ПКМ. Для этого могут быть применены механические, термические и химические методы. Химический метод, заключающийся в обработке ПКМ химически активными растворителями, позволяет полностью разрушить полимерное связующее и выделить наполнитель в чистом виде. Однако высокая стоимость используемых растворителей, их токсичность, необходимость применения аппаратуры, работающей под давлением, затрудняют реализацию данного метода утилизации в промышленных масштабах.
В работе обосновывается использование каменноугольного пека в качестве растворителя при термическом сольволизе ПКМ с целью деструкции термореактивного полимерного связующего и рециклинга волокон. Большая часть полимерных связующих ПКМ представлена термореактивными полимерами на основе эпоксидных и фенолформальдегидных смол. В связи с этим в работе исследовались процессы термического сольволиза эпоксидной и фенолформальдегидной смол и изделий на их основе в среде каменноугольного пека. Ранее в работах ИОС УрО РАН была показана возможность использования каменноугольного пека в качестве высококипящего водороддонорного растворителя для утилизации при атмосферном давлении поликарбоната, в структуре которого, как и в эпоксидной смоле, присутствует би-фенольный фрагмент. Исследование сольволиза фенольной новолачной и эпоксидной диановой смол в среде каменноугольного пека ранее не проводилось.
Цель работы - определение закономерностей термического сольволиза фенолформальдегидных и эпоксидных смол в среде каменноугольного пека и разработка метода утилизации ПКМ на их основе.
Задачи работы:
1. Установление состава и характеристик продуктов термического сольволиза фенолформальдегидной и эпоксидной смол в среде каменноугольного пека.
2. Определение роли каменноугольного пека в процессе термического сольволиза фенолформальдегидной и эпоксидной смол.
3. Формирование представлений о механизме термического сольволиза фенолформальдегидной и эпоксидной смол в среде каменноугольного пека.
4. Разработка метода утилизации ПКМ, содержащих термореактивные поли-меры, на основе термического сольволиза в среде каменноугольного пека.
5. Определение направлений использования продуктов термического сольволиза ПКМ: выделенных наполнителей, дистиллятных продуктов деструкции полимеров и каменноугольного пека после сольволиза.
Объектами исследования являются фенолформальдегидная новолачная (марка СФ-010) и эпоксидная диановая (марка ЭД-20) смолы, среднетемпературный каменноугольный пек марки Б и ПКМ, армированные углеродными и кварцевыми волок-нами. В качестве предмета изучения рассматриваются процессы, лежащие в основе деструкции термореактивных полимеров в среде каменноугольного пека при температурах 320-420°С.
Научная новизна и теоретическая значимость работы. Впервые установлено, что использование каменноугольного пека в качестве растворителя в процессе сольволиза снижает температуру деструкции фенолформальдегидной новолачной и эпоксидной диановой смол, предотвращает образование углеродистого остатка и способствует повышению выхода фенольных продуктов, преимущественно фенола и метилзамещенных фенолов из новолачной смолы, смеси фенола и п- изопропилфенола из эпоксидной смолы. Высокая селективность процесса по фенольным продуктам обусловлена переносом водорода от полициклических ароматических соединений каменноугольного пека к радикальным продуктам термической деструкции исследуемых смол. Одновременно протекают реакции внутри- и межмолекулярной дегидрогенизационной конденсации полициклических ароматических соединений каменноугольного пека.
Практическая значимость результатов заключается в разработке эффективного метода утилизации ПКМ с рециклингом армирующего наполнителя. Проведение термического сольволиза ПКМ в среде каменноугольного пека позволяет получить с высоким выходом фенольные продукты деструкции связующего и модифицированный каменноугольный пек, образовавшийся из исходного в результате сольволиза. В работе определены направления использования продуктов, выделенных в результате термического сольволиза ПКМ в среде каменноугольного пека.
Методология и методы диссертационного исследования. Для установления состава летучих продуктов термического сольволиза был использован термогравиметрический анализ с ИК-спектроскопией. Анализ состава дистиллятных продуктов сольволиза проводился с использованием ГХ-МС.
Остатки термического сольволиза были исследованы с использованием термо-гравиметрического метода анализа, ИК-спектроскопии, анализа по ГОСТ 10200¬2017 «Пек каменноугольный электродный. Технические условия».
Исходные и выделенные в результате термического сольволиза ПКМ в среде каменноугольного пека углеродные волокна были исследованы с использованием растровой электронной микроскопии, проведены их физико-механические испытания. Сорбционную активность по йоду сорбентов, полученных на основе выделенных углеродных волокон ПКМ, определяли согласно методике, описанной в ГОСТ 6217-74 «Уголь активный древесный дробленый. Технические условия».
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования состава и характеристик продуктов термического сольволиза фенолформальдегидной и эпоксидной смол в среде каменноугольного пека.
2. Роль каменноугольного пека в процессе термического сольволиза фенол-формальдегидной и эпоксидной смол.
3. Новые сведения о механизме термической деструкции фенолформальдегидной и эпоксидной смол в среде каменноугольного пека.
4. Способ утилизации ПКМ с использованием термического сольволиза в среде каменноугольного пека.
5. Направления использования продуктов термического сольволиза: фенольных продуктов и извлеченных углеродных и кварцевых волокон; и каменноугольного пека после сольволиза.
Степень достоверности результатов. В работе применены современные методы исследования. Анализ продуктов термического сольволиза осуществлялся на сертифицированных и поверенных приборах Центра коллективного пользования «Спектроскопия и анализ органических соединений». Результаты и выводы не противоречат результатам исследований других авторов.
Личный вклад автора. Автором составлен литературный обзор, на всех этапах диссертант принимал непосредственное участие в постановке задач, в выборе объектов и методов исследования, в обсуждении полученных результатов. Экспериментальная часть работ, анализ остатков сольволиза по ГОСТ 10200-2017, определение сорбционной активности сорбентов на основе выделенных углеродных волокон выполнены автором самостоятельно.
Автор выражает свою благодарность д.х.н., профессору Е.И. Андрейкову за поддержку исследований, помощь в постановке задач и в обсуждении результатов, с.н.с. М.Г. Первовой за установление качественного и количественного состава дистиллятных продуктов сольволиза с использованием ГХ-МС, м.н.с. А.В. Мехаеву за проведение термогравиметрического анализа с ИК-Фурье спектроскопией, д.т.н., профессору Н.Ю. Бейлиной (АО «НИИграфит», г. Москва) за проведение физико-механических испытаний углеродных волокон.
Апробация и публикации работы. Материалы работы представлены на 10 международных (Санкт-Петербург, 2015; Троицк, Пермь, Екатеринбург, 2016; Троицк, Кемерово, 2017; Троицк, Кемерово, 2018; Кемерово, 2019, 2020) и 6 всероссийских (Кемерово, 2015; Екатеринбург, 2018, 2019, 2021; Пермь, 2019.) конференциях. По материалам диссертации опубликовано 25 научных трудов, в том числе: 5 статей в рецензируемых научных журналах, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, 18 тезисов докладов в материалах конференций, получены 2 патента РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографического списка из 138 работ и 2 приложений. Работа изложена на 92 страницах, содержит 34 рисунка и 16 таблиц.
Настоящая работа выполнена как часть плановых научно-исследовательских работ, проводимых в ИОС УрО РАН по теме «Создание универсальных подходов к переработке техногенных и полимерных отходов как способов их обезвреживания и получения на их основе пригодных для техники материалов» (гос. рег. № 115030310084) и по проектам государственного задания «Термический сольволиз термореактивных полимеров с фенольными структурами в высококипящих растворителях» (гос. рег. № ЛЛЛЛ-Л16-116051110066-4).

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь студентам в написании работ!

ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Курсовые Статьи Диплом Рязань

Заключение

1. Показано, что использование каменноугольного пека в качестве растворителя снижает температуру деструкции фенолформальдегидной новолачной и эпоксидной диановой смол и способствует повышению выхода фенольных продуктов. Высокая селективность процесса по фенольным продуктам обусловлена переносом водорода от полициклических ароматических соединений каменноугольного пека к радикальным продуктам термической деструкции исследуемых смол. Предложен механизм термического сольволиза новолачной и эпоксидных смол в каменноугольном пеке.
2. Установлено, что остатки термического сольволиза исследуемых смол в каменноугольном пеке состоят преимущественно из соединений исходного пека, претерпевшего химические превращения. Перенос водорода от соединений каменно-угольного пека к радикальным продуктам деструкции полимеров инициирует реакции дегидрогенизационной конденсации и дегидроциклизации, в результате которых свойства каменноугольного пека изменяются.
3. Показана возможность использования каменноугольного пека при утилизации ПКМ с использованием термического сольволиза с целью рециклинга углеродных и кварцевых волокон.
4. Проведена экономическая оценка предлагаемой технологии утилизации ПКМ. Обоснованы направления использования продуктов сольволиза. Установлено, что каменноугольный пек не влияет на прочностные свойства выделенных углеродных волокон. Показана возможность получения сорбентов из выделенных углеродных волокон.
Перспективы исследований и разработок в данной области автор видит в исследовании причин активирующей функции каменноугольного пека в реакциях с кислородсодержащими полимерами, совершенствовании процесса термического сольволиза термореактивных полимеров и ПКМ на их основе с использованием других высокоароматизированных растворителей, получаемых на угле- и нефтехимических предприятиях.

Литература

1. Андрейков Е.И. Использование каменноугольного пека для утилизации отработанной фенольной смолы / Е.И. Андрейков, А.С. Кабак, М.Г. Первова // Кокс и химия. - 2016. - №12. - С. 22-27; (0,50 п.л./0,20 п.л.).
Andreikov E.I. Coal tar pitch use for utilisation of phenolic resin waste / E.I. An- dreikov, A.S. Kabak, M.G. Pervova // Coke and Chemistry. - 2016. - V. 59, I. 12. P. 456-460; (0,44 п.л./0,22 п.л) (Scopus, Web of Science).
2. Кабак А.С. Получение высокотемпературных пеков с использованием ре-акций переноса водорода от каменноугольного пека к реакционноспособным органическим соединениям / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков, Л.Ф. Сафаров // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - 2017. - Т. 60. - №9. - С. 5-10; (0,41 п.л./0,30 п.л.).
Kabak A.S. Obtaining of high-temperature coal-tar pitch by hydrogen transfer re-actions from medium-temperature coal-tar pitch to reactive organic compounds / A.S. Kabak, E.I. Andreikov, L.F. Safarov // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii khimi- ya i khimicheskaya tekhnologiya. - 2017. - V. 60, I. 9. P. 5-10; (0,40 п.л./0,24 п.л.) (Scopus, Web of Science).
3. Кабак А.С. Утилизация термореактивных полимеров на основе эпоксидной смолы путем термического сольволиза в среде каменноугольного пека с получением химического сырья / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков, М.Г. Первова, С.А. Койтов, А.М. Селезнев // Химия в интересах устойчивого развития. - 2018. - № 2. - С. 135-140; (0,46 п.л./0,30 п.л.).
Kabak A.S. Disposal of Thermoreactive Epoxy Resin-Based Polymers by Thermal Solvolysis in Coal Tar Medium Accompanied by Chemical Raw Materials Receipt / A.S. Kabak, E.I. Andreikov, M.G. Pervova, S. A. Koitov, A. M. Seleznev // Chemistry for sustainable development. - 2018. - V. 26, I. 2. - P. 125-130; (0,42 п.л./0,28 п.л.) (Web of Science).
4. Андрейков Е.И. Исследование рециклинга углеродных волокон путем термического сольволиза полимерных композиционных материалов с применением каменноугольного пека / Е.И. Андрейков, А.С. Кабак, Н.Ю. Бейлина, С.И.
Мишкин // Химия в интересах устойчивого развития. - 2018. - Т. 26. - №26. - С. 571-576. (0,32 п.л./0,15 п.л.).
Andreikov E.I. Research on Recycling Carbon Fibres by Thermal Solvolysis of Polymer Composites Using Coal Tar Pitch / E.I. Andreikov, A.S. Kabak, N.Yu. Beilina, S.I. Mishkin // Chemistry for sustainable development. - 2018. - V.26, I. 6. - P. 571-575; (0,30 п.л./0,12 п.л.) (Web of Science).
5. Кабак А.С. Сравнение каменноугольного и нефтяных пеков в реакциях термического сольволиза термореактивных полимеров пека / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Химия в интересах устойчивого развития. - 2020. - В. 6. - С. 557¬564. (0,56 п.л./0,26 п.л.).
Патенты:
6. Пат. 2600637 РФ, МПК C08J 11/20. Способ переработки отходов, содержащих термореактивные полимеры. / В.С. Загайнов, Е.И. Андрейков, А.С. Кабак, И.С. Амосова; заявители и патентообладатели Институт органического синтеза УрО РАН (RU), АО «ВУХИН» (RU). - № 2015110013/05; заявл. 20.03.2015 опубл. 10.10.2016. (0,37 п.л./0,10 п.л.).
7. Пат. 2734676 РФ, МПК C08J 11/20. Способ рециклинга наполнителя из отходов полимерных композиционных материалов (ПКМ) / Е.И. Андрейков, А.С. Кабак, Ю.А. Диковинкина; заявители и патентообладатели Институт органического синтеза УрО РАН (RU), АО «ВУХИН» (RU). - № 2020107019; заявл. 14.02.2020 опубл. 21.10.2020. (0,44 п.л./0,20 п.л.).
Научные статьи в сборниках материалов конференций:
8. Кабак А.С. Механизм формирования углеродных материалов при сов-местном пиролизе каменноугольного пека и фенольных смол / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. IV Всероссийская конференция молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения», Кемерово. - 2015. - С. 25. (0,08 п.л./0,05 п.л.).
9. Kabak A.S. Using thermal solvolysis in coal tar pitch medium for recycling of polymer-matrix composite / A.S. Kabak, E.I. Andreikov // Abstract book. 11th Interna¬tional Saint-Petersburg Conference of Young Scientists, Saint-Petersburg. - 2015. - P. 143. (0,09 п.л./0,06 п.л.).
10. Кабак А.С. Получение углеродных материалов совместным пиролизом каменноугольных пеков и термореактивных полимеров / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. Десятая международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», г. Москва г. Троицк. - 2016. - С. 183-184. (0,13 п.л./0,06 п.л.).
11. Кабак А.С. Утилизация полимерных композиционных материалов с ре-генерацией кварцевого волокна / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков, С.А. Койтов, А.М. Селезнев // Сборник тезисов докладов. V Международной молодежной конференции «Техническая химия. От теории к практике», Пермь. - 2015. - С. 24. (0,04 п.л./0,02 п.л.).
12. Кабак А.С. Применение каменноугольного пека с целью утилизации полимеров, содержащих фенольные фрагменты / А.С. Кабак, Л.Ф. Сафаров, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. ХХ Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, Екатеринбург. - 2016. - Т. 4. - С. 63. (0,04 п.л./0,02 п.л.).
Kabak A.S. Coal tar pitch using for utilization of polymer materials containing phenolic fragments / A.S. Kabak, L.F. Safarov, E.I. Andreikov // Abstract book. XX Mendeleev Congress on general and applied chemistry, Ekaterinburg. - 2016. - V. 4. - P. 62. (0,04 п.л./0,02 п.л.)
13. Кабак А.С. Получение высокотемпературных пеков с использованием реакций переноса водорода от каменноугольного пека к реакционноспособным органическим соединениям / А.С. Кабак, Л.Ф. Сафаров, Е.И. Андрейков // Сбор¬ник тезисов докладов. Международная конференция молодых ученых, работаю¬щих в области углеродных материалов, г. Москва г. Троицк. - 2017. - С. 53-54. (0,12 п.л./0,03 п.л.).
14. Кабак А.С. Исследование процессов термического взаимодействия ка-менноугольного пека с реакционноспособными органическими соединениями / А.С. Кабак, Л.Ф. Сафаров, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. Международный Российско-казахстанский Симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса», Кемерово. - 2017. - С. 29. (0,06 п.л./0,02 п.л.).
15. Кабак А.С. Влияние температуры на термический сольволиз эпоксидной смолы в каменноугольном пеке / Т.В. Торовина, А.С. Кабак // Сборник тезисов докладов. Международная научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» - Даниловские чтения, Екатеринбург. - 2017. - С. 629-630. (0,08 п.л./0,04 п.л.).
16. Кабак А.С. Рециклинг кварцевого волокна путем термического сольволиза полимерных композиционных материалов в каменноугольном пеке / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков, С.А. Койтов, А.М. Селезнев // Сборник тезисов докладов. 11-я межрегиональная отраслевая научно-техническая конференция «Люльевские чтения», Екатеринбург. - 2018. - С. 117-118. (0,05 п.л./0,03 п.л.).
17. Кабак А.С. Термический сольволиз связующих полимерных композиционных материалов в среде каменноугольного пека // Сборник тезисов докладов. XXVIII Российская молодежная научная конференция с международным участием, посвященной 100-летию со дня рождения профессора В.А. Кузнецова «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», Екатеринбург. - 2018. - С.18. (0,06 п.л./0,03 п.л.).
18. Кабак А.С. Рециклинг углеродных волокон путем термического сольволиза полимерных композиционных материалов в среде каменноугольного пека / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. 11-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технологии», г. Москва г. Троицк. - 2018. - С. 194-196. (0,15 п.л./0,07 п.л.).
19. Кабак А.С. Применение каменноугольного пека для утилизации термореактивных полимеров и изделий на их основе / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. VII Международный Российско-казахстанский Симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса», г. Кемерово - 2018. - С. 43. (0,06 п.л./0,03 п.л.).
20. Кабак А.С. Механизм термической деструкции эпоксидной смолы в среде каменноугольного пека / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков, А.В. Мехаев // Сборник тезисов докладов. XXIX Российская молодежная научная конференция с международным участием «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», г. Екатеринбург - 2019. - С. 28. (0,06 п.л./0,03 п.л.).
21. Кабак А.С. Рециклинг наполнителей путем термического сольволиза полимерных композиционных материалов в среде каменноугольного пека / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. VI Всероссийская конференция с международным участием «Техническая химия. От теории к практике», г. Пермь - 2019. - С. 34. (0,08 п.л./0,04 п.л.).
22. Кабак А.С. Эффективная деструкция полимерных матриц полимеркомпозитных материалов в каменноугольном пеке / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. VII Всероссийская научная конференция, посвященая 90-летию К.С. Минскера «Теоретические и экспериментальные исследования процессов синтеза, модификации и переработки полимеров», г. Уфа - 2019. - С. 14-15. (0,05 п.л./0,02 п.л.).
23. Кабак А.С. Пиролиз полимерных композиционных материалов в продуктах переработки каменноугольной смолы / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. VIII Международный Российско-казахстанский Симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса», г. Кемерово - 2019. - С. 30. (0,07 п.л./0,03 п.л.).
24. Кабак А.С. Исследование деструкции полимеров в высокомолекулярных ароматических растворителях / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. XXX Российская молодежная научная конференция с международным участием, посвященная 100-летию Уральского федерального университета «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», г. Екатеринбург - 2020. - С. 13. (0,06 п.л./0,03 п.л.).
25. Кабак А.С. Сравнение каменноугольного пека и нефтяных пеков в реакциях термического сольволиза термореактивных полимеров / А.С. Кабак, Е.И. Андрейков // Сборник тезисов докладов. IX Международный Российско- казахстанский симпозиум «Углехимия и экология Кузбасса», посвященный 30- летию Кемеровского научного центра СО РАН, г. Кемерово - 2020. - С. 30. (0,08 п.л./0,03 п.л.).