Влияние ионизирующего излучения на процессы термоокислительной стабилизации прекурсора ПАН для получения углеродного волокна. Обзор

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящее время в процессе производства углеродных волокон все большую актуальность приобретают вопросы снижения себестоимости и повышения экологической эффективности. В статье приведены результаты исследований и разработок, проведенные за последние несколько десятилетий в области использование ионизирующего излучения для предварительной обработки полиакрилонитрильного волокна (ПАН) перед термоокислительной стабилизацией производстве с целью удешевления технологии и улучшения свойств полученных углеродных волокон. Рассматриваются процессы образования свободных радикалов и механизмов инициирования циклизации облученных волокон.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Шавкат Расулматович Нурматов

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: sh.nurmatov@imssolar.uz
ORCID iD: 0000-0002-7206-5220
Scopus Author ID: 12039741100

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по науке

Узбекистан, Ташкент

Марина Христофоровна Руми

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: marinarumi@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7895-1688
SPIN-код: 6412-2848

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Лаборатории теплоаккумулирующих, теплоизоляционных материалов и гелиотехнологий

Узбекистан, Ташкент

Элла Муратовна Уразаева

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: panch100@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4769-3911
SPIN-код: 5271-6086
Scopus Author ID: 8609839500

младший научный сотрудник Лаборатории теплоаккумулирующих, теплоизоляционных материалов и гелиотехнологий

Узбекистан, Ташкент

Марс Ахмедович Зуфаров

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: marsuz@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4518-5139
SPIN-код: 5586-2755
Scopus Author ID: 6602113597

младший научный сотрудник Лаборатории теплоаккумулирующих, теплоизоляционных материалов и гелиотехнологий

Узбекистан, Ташкент

Эльвира Пулатовна Мансурова

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: elvirauz@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1286-3228
SPIN-код: 5485-8627
Scopus Author ID: 6603604220

младший научный сотрудник Лаборатории теплоаккумулирующих, теплоизоляционных материалов и гелиотехнологий

Узбекистан, Ташкент

Сухроб Зухриддин угли Гулматов

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: suxrobgulmatov16024@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-4492-5641

младший научный сотрудник Лаборатории гелиотехнологий и наноструктурированных функциональных материалов

Узбекистан, Ташкент

Иззат Ибрагим угли Мирзохидов

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: mirzokhidovizzat@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-7331-6443

специалист Лаборатории легкой и чрезвычайно прочной альтернативной энергетики из углеродного волокна

Узбекистан, Ташкент

Наврузбек Шухрат угли Кенджаев

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Email: navruzbekenjayev@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-6062-6344

стажер-исследователь

Узбекистан, Ташкент

Рахимжон Равшанович Уринбоев

Институт материаловедения Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан

Автор, ответственный за переписку.
Email: rahimjonravshanovich1990@gmail.com

докторант

Узбекистан, Ташкент

Список литературы

  1. Aggour Y.A., Aziz M.S. Degradation of polyacrylonitrile by low energy ion beam and UV radiation. Polymer Testing. 2000. Vol. 19. Pp. 261–267. doi: 10.1016/S0142-9418(98)00087-7.
  2. Aziz M.S., El-Mallah H.M. Influence of low energy Ar+ ion beam and UV-irradiation on A.C. electrical conductivity of polyacrylonitrile. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials. 2006. Vol. 55:5. Рр. 307–321. doi: 10.1080/009140390945169.
  3. Cardoso dos Santos L.G., Kawano Y. Degradation of polyacrylonitrile by X-ray radiation. Polymer Degradationand Stability. 1994. Vol. 44. Pp. 27—32.
  4. Chand S. Review carbon fibers for composites. J. Mater. Sci. 2000. Vol. 35 (6). Pp. 1303–1313. doi: 10.1023/A:1004780301489.
  5. Chung Deborah D.L. Carbon fiber composites. Boston, MA, USA: Butterworth-Heinemann, 1994. Pp. 3–65.
  6. Dalton S., Heatley F., Budd P.M. Thermal stabilization of polyacrylonitrile fibres. Polymer. 1999. Vol. 40. Pp. 5531–5543. doi: 10.1016/S0032-3861(98)00778-2.
  7. Ellringmann T., Wilms Ch., Warnecke M. Carbon fiber production costing: a modular approach. Textile Research Journal. 2015. Vol. 2. P. 86. doi: 10.1177/004051751 4532161.
  8. Fitzer E., Edie D.D., Johnson D.J. Carbon fibers-present state and future expectation; Pitch and mesophase fibers. Structure and properties of carbon fibers. In: Carbon fibers filaments and composites. 1st ed. J.L. Figueiredo, C.A. Bernardo, R.T.K. Baker, K.J. Huttinger (eds.). New York, NY, USA: Springer, 1989. Pp. 3–146.
  9. Hasegawa S., Shimizu T. ESR Studies on Pyrolyzed and Irradiated Polyacrylonitrile. Japan J. Appl. Phys. 1970. Vol. 9. P. 958. doi: 10.1143/JJAP.9.958.
  10. Huang Xiaosong. Fabrication and properties of carbon fibers. Materials. 2009. Vol. 2. Pp. 2369–2403. doi: 10.3390/ma2042369.
  11. Jeun Joon-Pyo, Kim Du-Young, Shin Hye-Kyoung et al. Advanced stabilization of PAN fibers for fabrication of carbon fibers by e-beamir radiation. In: Korean nuclear society spring meeting jeju (Korea, May 17–18, 2012). Pp. 820–821.
  12. Jo A.Y., Yoo S.H., Chung Y.-S., Lee S. Effects of ultraviolet irradiation on stabilization of textile-grade polyacrylonitrile fibers without photo-initiator for preparing carbon fibers. Carbon. 2019. Vol. 144. Pp. 440–448. doi: 10.1016/j.carbon.2018.12.012.
  13. Ju A.Q., Guang S.Y., Xu H.Y. Effect of comonomer structure on the stabilization and spinnability of polyacrylonitrile copolymers. Carbon. 2013. Vol. 54. Pp. 323–335. doi: 10.1016/j.carbon.2012.11.044.
  14. Kim So-Young, Lee Sungho, Park Sejoon et al. Continuous and rapid stabilization of polyacrylonitrile fiber bundles assisted by atmospheric pressure plasma for fabricating large-tow carbon fibers. Carbon. 2015. Vol. 94. Pp. 412–416. doi: 10.1016/j.carbon.2015.07.012.
  15. Lee Hwayoung, Lee Lo-Woon, Lee Seung-Wook et al. Effects of drawing process on the structure and tensile properties of textile-grade PAN fiber andits carbon fiber. e-Polymers. 2014. Vol. 14 (3). Pp. 217–224. doi: 10.1515/epoly-2013-0080.
  16. Lee Seung-Wook, Lee Hwa-Young, Jang Sung-Yeon et al. Efficient preparation of carbon fibers using plasma assisted stabilization. Carbon. 2013. Vol. 55. Pp. 361–365. doi: 10.1016/j.carbon.2012.10.062.
  17. Liu Weihua, Wang Mouhua, Xing Zhe, Wu Guozhong. The free radical species in polyacrylonitrile fibers induced by g-radiation and their decay behaviors. Radiation Physics and Chemistry. 2012. Vol. 81. Pp. 835–839. doi: 10.1016/j.radphyschem.2012.03.017.
  18. Miao Peikai, Wu Dimeng, Zeng Ke et al. Influence of electron beam pre-irradiation on the thermal behaviors of polyacrylonitrile. Polymer Degradation and Stability. 2010. Vol. 95. Pp. 1665–1671. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2010.05.028.
  19. Morales M.S., Ogale A.A. UV-induced crosslinking and cyclization of solution-cast polyacrylonitrile copolymer. J. Appl. Polym. Sci. 2013. Vol. 128 (3). Pp. 2081–2088. doi: 10.1002/app.38398.
  20. Morales M.S., Ogale A.A. Wet-spun, photoinitiator-modified polyacrylonitrile precursor fibers: UV-assisted stabilization. J. Appl. Polym. Sci. 2013. Vol. 130. Pp. 2494–2503. doi: 10.1002/APP.39442.
  21. Morales M.S., Ogale A.A. Carbon fibers derived from UV-assisted stabilization of wet-spun polyacrylonitrile fibers. J. Appl. Polym. Sci. 2014. Vol. 131. P. 40623. doi: 10.1002/APP.40623.
  22. Mukundan T., Bhanu V.A., Wiles K.B. et al. A photocrosslinkable melt processible acrylonitrile terpolymer as carbon fiber precursor. Polymer. 2006. Vol. 47. Pp. 4163–4171. doi: 10.1016/j.polymer.2006.02.066.
  23. Naskar A.K, Walker R.A., Proulx S. et al. UV-assisted stabilization routes for carbon fiber precursors produced from melt-processible polyacrylonitrile terpolymer. Carbon. 2005. Vol. 43 (5). Pp. 1065–1072. doi: 10.1016/j.carbon.2004.11.047.
  24. Naskar A.K., Walker R.A, Proulx S. et al. UV-assisted stabilization of melt-processible pan carbon precursor fibers. In: Abstracts of 55th Southeast Regional Meeting of the American Chemical Society (Atlanta, GA, United States, November 16–19, 2003). P. 869.
  25. Park S., Yoo S-H., Kang H. et al. Comprehensive stabilization mechanism of electron-beam irradiated polyacrylonitrile fibers to shorten the conventional thermal treatment. Sci. Rep. 2016. No. 6. P. 27330. doi: 10.1038/srep27330.
  26. Paulauskas F.L., White T.L., Sherman D.M. Apparatus and method for oxidation and stabilization of polymeric materials. US patent, 0263295 A1. 2009.
  27. Peebles L.H. Carbon fibers: Structure and formation. New York, NY, USA: CRC Press, 2017. 218 р. ISBN: 9781315891323.
  28. Yoo Seung Hwa, Park Sejoon, Park Youngkyu et al. Facile method to fabricate carbon fibers from textile-grade polyacrylonitrile fibers based on electron-beam irradiation and its effect on the subsequent thermal stabilization process. Carbon. 2017. Vol. 118. Pp. 106–113. doi: 10.1016/j.carbon.2017.03.039.
  29. Badawy S.M., Dessouki A.M. Cross-linked polyacrylonitrile prepared by radiation-induced polymerization technique. J. Phys. Chem. B. 2003. Vol. 107 (41). Pp. 11273–11279. doi: 10.1021/jp034603j.
  30. Hye Kyoung Shin, Mira Park, Hak-Yong Kim, Park Soo-Jin. An overview of new oxidation methods for polyacrylonitrile based carbon fibers. Carbon Letters. 2015. Vol. 16. No. 1. Pp. 11–18. doi: 10.5714/CL.2015.16.1.011.
  31. Shin Hye Kyoung, Jeun Joon Pyo, Phil Hyun Kang. The characterization of polyacrylonitrile fibers stabilized by electron beam irradiation. Fibers and Polymers. 2012. Vol. 13. No. 6. Pp. 724–728. doi: 10.1007/s12221-012-0724-5.
  32. Shin Hye Kyoung, Park Mira, Kang Phil Hyun, Choi Heung Soap. Preparation and characterization of polyacrylonitrile-based carbon fibers produced by electron beam irradiation pretreatment. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2014. Vol. 20 (5). Pp. 3789–3792. doi: 10.1016/j.jiec.2013.12.080.
  33. Son Su-Young, Jo A Young, Jung Gun Young et al. Accelerating the stabilization of polyacrylonitrile fibers by UV irradiation. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2019. Vol. 73. Pp. 47–51. doi: 10.1016/j.jiec.2019.01.012.
  34. Takata T., Hiroi I. Coloration in acrylonitrile polymers. Journal of Polymer Science. Part A. 1964. Vol. 2 (4). Pp. 1567–1585.
  35. Yuan Huiwu, Wang Yansheng, Yu Hong Wei et al. Effect of UV irradiationon PAN precursor fibers and stabilization process. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2011. Vol. 26. Pp. 449–454. doi: 10.1007/s11595-011-0247-8.
  36. Zhou L., Lu Y., Zhao W. et al. Effects of gamma ray irradiation on poly(acrylonitrile-co-methyl acrylate) fibers. Polymer Degradation and Stability. 2016. Vol. 128. Pp. 149–157. doi: 10.1016/j.polymdegradstab.2015.12.015.
  37. Zhao Wenwei, Yamamoto Yukio, Tagawa Seiichi. Regulation of the thermal reactions of polyacrylonitrile by γ-irradiation. Chem. Mater. 1999. Vol. 11. Pp. 1030–1034.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Молекулярная структура прекурсора полиакрилонитрила [32]

Скачать (28KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структура окисленного ПАН в результате стабилизации на воздухе, отражающая различную степень окисления молекул [4]

Скачать (46KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Структура свободных радикалов, использованная для компьютерного моделирования [3]

Скачать (14KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Механизм термостабилизации ПАН-волокон, облученных электронами [25]

Скачать (467KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схема образования вторичных свободных радикалов при воздействии γ-излучения на сополимер ПАН [9]

Скачать (111KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Механизм инициирования циклизации γ-облученных ПАН-волокон при термообработке [36]

Скачать (279KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Механизм инициирования циклизации термообработанных прекурсоров ПАН после электронно-лучевого обучения [18]

Скачать (102KB)
Метаданные