Электроформованный композиционный хемосорбент Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

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 материала, 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 тетрафторэти-лена 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 предвари-

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 низкокипя-щего 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 электроспиннингова-ния.

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 сухо-жарном шкафу при температуре 70 X 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-

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. Lu P., Ding B. Application of Electrospun Fibers // Recent Patents on

Nanotechnology. 2008. V. 2. № 3. P. 169-182.

2. 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., Umrikhi-na М.А., Tyurin A.I. ELECTROSPUN COMPOSITE CHEMI-SORBENT

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; chemo-sorbent; composite; electrospinning.