Материалы с химически капсулирующими слоями микрочастиц активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат наук Шабанов Максим Петрович

• Шабанов Максим Петрович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Шабанов Максим Петрович

Список сокращений и обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Материалы с капсулирующим слоем из активного угля и полимеров на поверхности

1.2 Химическая прививка к поверхности угля

1.3 Обсуждение цели и задач исследования

Глава 2. Экспериментальная часть и результаты

2.1 Материалы и методы исследования

2.2 Синтез, состав и структура материалов с химически капсулирующим слоем активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ

2.2.1 Разработка суспензии микрочастиц угля сорбированными сольватами ПВХ с бензиловым спиртом

2.2.2 Подготовка поверхности подложки и формирование на ней покрытия из геля микрочастиц угля с сорбированным ПВХ в смеси бензилового спирта и триэтаноламина

2.2.3 Одновременная прививка ПВХ к углю и пришивка покрытия к подложке

2.2.4 Превращение капсулирующего слоя из угля с привитым ПВХ в слой с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ

2.2.5 Структура и электронная проводимость материалов с химически капсулирующим слоем угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ

2.3 Сорбционная способность слоя из активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ

2.3.1 Изотермы адсорбции паров бензола и воды в слой

2.3.2 Влияние подложки на сорбционную емкость слоев

2.3.3 Распределение сорбированных молекул между полимером и углем

2.3.4 Влияние сорбции органических молекул на люминесценцию слоев

2.3.5 Сорбция растворов кислот, гидроокисей и солей

2.4. Ионная и электронная проводимость капсулирующих слоев микрочастиц угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ с комплексами кислот, гидроокисей и солей

2.4.1. Движение ионов в проводниках со слоями микрочастиц угля с

привитыми этаноламиновыми производными ПВХ с комплексами кислот,

щелочей и солей

2.4.2 Движение ионов в поляризованных проводниках со слоями микрочастиц угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ

Заключение

Выводы

Список литературы

Список сокращений и обозначений

ПВХ - поливинилхлорид;

БС - бензиловый спирт;

ТГФ - тетрагидрофуран;

ТЭА - триэтаноламин;

ДМСО - диметилсульфоксид;

П-I, П-II, П-III - покрытия из микрочастиц угля с сорбированным ПВХ в смеси бензилового спирта и триэтаноамина после испарения ПВХ с соотношением уголь:ПВХ 1:1, 2:1, 3:1, соответственно;

КС-I, КС-II, КС-III - капсулирующие слои из угля с привитыми макромолекулами ПВХ с соотношением уголь:ПВХ 1:1, 2:1, 3:1, соответственно;

I, II, III - капсулирующие слои из угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ с соотношением уголь:ПВХ 1:1, 2:1, 3:1, соответственно;

суспензия-I, суспензия-II, суспензия-III - суспензии для получения слоев I, II, III, соответственно;

I(X), II(X), III(X) - соответствующие слои с сорбированным неорганическим веществом X с соотношением уголь:ПВХ 1:1, 2:1, 3:1, соответственно;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Материалы с химически капсулирующими слоями микрочастиц активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ»

Введение

Актуальность. Материалы с капсулирующими слоями из активного угля и полимеров на инертных и активных носителях с заданной формой и протяженностью находят применение в современных накопителях энергии, в топливных элементах, как сенсоры и электроды, как редоксидные сорбционно активные проводники, в реакционных электрохимических матрицах. Слои являются электрон-ионными проводниками и сорбентами. Такими слоями капсулируют изделия из полимерных материалов, кремния, стекла и металлов, волокна целлюлозных тканей и асбестового волокна. Свойства слоев зависят от отношения уголь-полимер и природы их взаимодействия, от природы подложки и от природы взаимодействия слоя с подложкой на границе фаз. Они предопределяются методами формирования слоя и его нанесения на подложку. Смеси угля с фенолформальдегидными, полиуретановыми, эпоксидными смолами, ПВХ и его производных в виде порошков или лаков наносят на подложку путем прессования, напыления или испарения растворителя. Для обеспечения прочности адгезии проводится специальная подготовка поверхности капсулируемого материала. Полимеры являются средой, в которую диспергированы частицы угля, и через них осуществляется сцепление слоя и подложки. Известные методы не предусматривают прививку полимеров к поверхности частиц угля в слое и химическое сшивание слоя с подложкой. В процессе эксплуатации материалы постепенно разрушаются по причине нарушения адгезии между углем и полимером и между слоем и подложкой. В этом аспекте разработка методов химического капсулирования, при которых диспергирование частиц угля в полимере будет происходить путем их прививки, а сцепление слоя с подложкой с их сшиванием через соответствующие группировки является актуальной проблемой.

Степень изученности проблемы. В литературе описаны способы сшивания слоев, из активного угля и этаноламиновых производных ПВХ с волокнами целлюлозных тканей и асбестового волокна через группировки из радикалов полимера и подложки на границе фаз. Информация об условия, при которых возможна прививка полимера к поверхности частиц угля практически отсутствует. Материалы с пришитым слоем были синтезированы путем нанесения на волокна суспензии активного угля в растворе ПВХ в смеси тетрагидрофурана, бензилового спирта и триэтаноламина с последующими связыванием участков ПВХ с подложкой через эфирные группы и превращением ПВХ в соответствующие производные. Можно было ожидать, что при измельчении угля с оксигруппами в стеках пор в указанной суспензии участки ПВХ будут сорбироваться на микрочастицах. Это может обеспечить проведение реакции между якорными ОН группами и группами из ПВХ одновременно с пришивкой ПВХ к реакционноспособной поверхности подложки с последующим превращение ПВХ в этаноламиновые производные.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью являлось синтез материалов с химически капсулированными слоями активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ, и определение их характеристик как как сорбентов, электродов и электрон- и ионных проводников.

В соответствии с этим решались следующие задачи:

• Разработать алгоритм процесса химического капсулирования подложек из ПВХ, целлюлозной ткани, асбестового полотна и никелевой ткани слоя активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ, включая:

о разработку суспензии микрочастиц угля с сорбированным ПВХ в смеси бензилового спирта и тетрагидрофурана с задаваемым с отношением массовых долей уголь : ПВХ = 1:1, 2:1 и 3:1;

о выбор способов подготовки поверхности подложки и нанесение

покрытия из геля микрочастиц угля с сорбированным ПВХ, о выявление условий одновременных прививки ПВХ к углю в геле и

геля к подложке; о превращение покрытия в химически капсулирующий слой; о установление состава, структуры, показателей люминесценции и электронной проводимости материалов со слоями.

• Определить способность к сорбции органических молекул из пара и жидкой фазы и концентрированных растворов HCl, H2SO4, NaOH, KOH, NaCl, KCl и Na2SO4 в слои на подложках, включая:

о установления характера заполнения пор полимера и угля; о измерение предельной сорбционной емкости слоев и распределение

сорбированных соединений между полимером и углем; о изучение влияния природы сорбируемых органических растворителей

и подложки на показатели люминесценции слоев; о определение свойств материалов с сорбированными HCl, H2SO4, NaOH, KOH, NaCl, KCl и Na2SO4 как диффузионных электродов;

• Установить возможность поведения материалов с сорбированными HCl, H2SO4, NaOH, KOH, NaCl, KCl и Na2SO4 как биполярных и монополяризованных электрон-ионных проводников между растворами электролитов в реакционных электрохимических матрицах, включая:

о определение условий начала движения Н+ и ОН- в биполярных проводниках со слоем на ПВХ материале и на никелевой ткани, образование H2 и О2 или Cl2 на разных концах проводника и установление зависимости скорости образования H2 и О2 или Cl2 от напряжения в цепи; о определение условий начала движения Н+ и ОН-, образования H2 и О2 и установление зависимости скорости их образования от напряжения в

цепи в моно-поляризованных проводниках со слоями на ПВХ материале, на целлюлозной ткани, асбестовом полотне и на никелевой ткани;

о оценку перспективности использования реакционных электрохимических матриц с моно-поляризованными проводниками для низкотемпературной проработки кислородом или водородом водно-нефтяных эмульсий с целью ее обессеривания и деметаллизации.

Объекты и предмет исследования. Объектом и предметом исследования являются алгоритм процесса химического капсулирования подложек из ПВХ, целлюлозной ткани, асбестового полотна и никелевой ткани слоя активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ, состав, структуры и строение слоев, особенностей сорбции бензола, гексана, воды и растворов HCl, H2SO4, NaOH, KOH, NaCl, KCl и Na2SO4 в слои на разных подложках, диффузионные электроды и электро-ионные проводники для реакционных электрохимических матриц и возможности их использования для создания прогрессивных методов низкотемпературный проработки нефти кислородом или водородом для ее обессеривания и деметаллизации.

Научная новизна. Впервые синтезированы материалы с химически капсулирующими слоями активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ на ПВХ - материала, целлюлозной, асбестовой и никелевой тканях. Установлены закономерности влияния состава, структуры и строения материалов на их характеристики как сорбентов, диффузионных электродов и электрон-ионных проводников.

Основные результаты, полученные в процессе исследования и выносимые на защиту:

- алгоритм процесса химического капсулирования подложек из ПВХ, целлюлозной ткани, асбестового полотна и никелевой ткани слоя активного угля с привитыми этаноламиновыми производными ПВХ,

- сорбция органических молекул из пара и жидкой фазы, и концентрированных растворов HCl, H2SO4, NaOH, KOH, NaCl, KCl и Na2SO4 в слои на подложках,

- диффузионные электроды и биполярные и моно-поляризованное электрон-ионные проводники между растворами электролитов в реакционных электрохимических матрицах.

Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность результатов основывается на использовании современных методов исследования и обработки результатов (в том числе методов химического, рентгенофазового анализа, ИК-Фурье и люминесцентной спектроскопии, адсорбции и вольтамперометрии).

Практическая значимость. Разработаны сорбционно активные электрохимические матрицы для переработки резервуарных нефтешламов. Данные материалы могут быть использованы для разработки технологии производства электрон-ионных проводников.

Апробация результатов исследования. Результаты исследования были доложены на конференциях

• Конференция молодых ученых, аспирантов и студентов ИФХЭ РАН «Физикохимия - 2017», «Физикохимия - 2018», «Физикохимия - 2019»;

• XVI Всероссийский симпозиум с международным участием «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости и адсорбционной селективности» 2017;

• Всероссийского симпозиума с международным участием «Физико-химические проблемы адсорбции в нанопористых материалах» 2018;

• Конгресс «Техноген - 2019», «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований»;

Публикации по теме исследования. По результатам работы были опубликованы 12 статей в научных журналах: 6 - в рецензируемых журналах по списку ВАК, и 6 - в иностранных журналах, цитируемый в Web of Science и Scopus.

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Материалы с капсулирующим слоем из активного угля и полимеров на поверхности

Материалы с капсулирующими слоями из активного угля и полимеров находят широкое применение в медицине, в химической технологии, в катализе, в адсорбционных процессах, в электрохимических устройствах, накопителях и преобразователях энергии и в ряде других отраслей.

В медицине используются материалы с капсулированными слоями из нанотрубок [1]. Они перспективны как в терапии (в доставке лекарств, генной доставке и др.), так и в анализе и биопредставлении. Они также используются для повышения эффективности известных медицинских препаратов. С одной стороны частицы угля сами по себе могут ингибировать инфекцию (например, герпеса), а с другой стороны существенно улучшают местную доставку и, следовательно, эффективность обычного противовирусного препарата, например, ацикловира [2].

Описана возможность применения капсулированных углеродных квантовых точек в фотовосстановлении С02. Актуальность таких материалов может быть проявлена при росте угрозы глобального потепления, а также в случаях необходимости поддержки уровня кислорода для дыхания в условиях невозможности его поддержания растениями. Непосредственно для фотовосстановления углекислого газа предполагается применять металлоорганические каркасы, однако сильная рекомбинация заряда и ограниченный отклик видимого света значительно ограничивают их применение без каких-либо модификаций. Поскольку углеродные квантовые точки могут действовать как электронные рецепторы и фотосенсибилизаторы, в статье предлагается разработка гибридных фотокатализаторов из углеродных точек и металлоорганических каркасов для улучшения активности последних в восстановлении С02. Показано, что они демонстрируют значительно большую

фотокаталитическую активность по сравнению с немодифицированными металлоорганическими каркасами. Было показано, что размещение сокатализаторов вблизи внутренних металл-оксо-кластеров может способствовать эффективной передаче заряда и разделению в гибридных фотокатализаторах за счет появления переходных узлов в каркасах. В работе используются квантовые точки, которые химически не связаны с полимерной матрицей. При этом следует отметить, что химическая связь квантовых точек с полимером может существенно повлиять на свойства, и, соответственно, на эффективность материала [3].

Одно из наиболее перспективных направлений в использовании углеродно-полимерных материалов - создание сорбционных электродов, которые могут использоваться при создании ионисторов, батарей, топливных элементов и пр.

[4].

При этом использование углерод-полимерных систем давно для приготовления электродов описано относительно давно [5]. В работе сравнивались стекло-углеродные и углеродно-полимерные композитные электроды для электрохимических аналитических систем.

Такой углеродно-полимерный материал получали смешением частиц углерода с тефлоном, фторопластом, полиэтиленом, полипропиленом, ПВХ, хлоропреном с последующим прессованием. В работе было показано, что углеродно-полимерные электроды сравнимы со стеклоуглеродными, лучше в отношении уровня шума, времени стабилизации, доступного диапазона потенциалов. Но на тот момент имели недостатки в отношении того, что требуется более высокий потенциал окисления «модельных соединений» и в отношении кинетики электронного обмена.

Сорбционные электроды на основе полимера и активного угля используются для удаления тяжелых металлов. Полученные материалы показывают свою эффективность в удалении ионов ^2+ [6]. Данные материалы эффективно сорбируют ионы ртути, что доказывается методом ИК-спектроскопии. Кроме того, активный уголь способствует увеличению сорбции ртути примерно в 100

12

раз по сравнению с полимером без активного угля. При этом остается открытым вопрос о возможной продолжительности использования материала для очистки вод. Очевидно, что сорбция в углеродную фазу материала приводит к периодическим структурным изменениям в электроде, и при отсутствии химического связывания фаз количество циклов очищения может быть ограничено.

Электрод на основе углерода и полимера для удаления ионов ^2+получают следующим образом. Процесс капсулирования углерода проводят на стадии полимеризации (конденсации). Для получения полимера синтезируют полисульфидную резину, в процессе синтеза добавляют активный уголь [7].

Такие электроды могут быть использованы для определения различных металлов. Описано использование упорядоченных мезопористых углеродных квантовых точек, которые позволяют обнаруживать ионы Fe3+ и определять содержание по тушению люминесценции [8].

Такие материалы используются для очищения вод не только от тяжелых металлов, но и от органических красителей. Материалы для электродов на основе ПВХ и угля с добавлением хитозана получают следующим образом. ПВХ растворяют в ТГФ, смешивают с порошками угля и хитозана, перемешивают. Затем сушат, прессуют под давлением. Данный материал содержит 5% ПВХ и является хорошим сорбентом и проводником. Такой материал может применяться для электрохимического разложения красителя метиленового синего как загрязняющего агента, что было подтверждено в работе [9].

В литературе описаны различные способы получения электродов для очистки сточных вод от красителей из материала на основе углерода и полимера [10]. Для приготовления электрода смешивают порошки ПВХ и активного угля в соотношении 1:19, добавляют ТГФ. Полученная смесь интенсивно перемешивается, выдерживается и прессуется под давлением. Полученный электрод соединяется с серебряной проволокой, помещенной в стеклянную трубку.

При использовании углеродно-полимерных материалов в качестве электродов, а также в качестве проводников и полупроводников, важно исследовать электронную и ионную проводимость материалов. В [11] описывается зависимость электропроводности композита из эпоксидной смолы и графита от содержания последнего. Такую зависимость можно условно разделить на 3 участка. При небольшом добавлении графита электропроводность слабо повышается при увеличении содержания графита. При постепенном увеличении содержания частицы графита начинают контактировать между собой, что приводит к резкому росту проводимости. После прохождения перколяционного порога (то есть, когда частицы образуют сетку из графита для прохождения электрического тока), дальнейшее добавления углерода слабее влияет на проводимость.

Во многих случаях важно добиться высокой электропроводности материала из углерода и полимера. В [12] была проведена работа по улучшению электропроводности композитов и было показано, что небольшие добавки нанотрубок в композит могут значительно повышать электропроводность, причем их добавки могут вызывать анизотропию электропроводности.

В литературе описывается возможность электрического транспорта в материалах на основе углерода и полимера. Такой материал получают из ПММА и углеродных квантовых точек, в котором. Графитовые точки получают из наноалмазов, выдерживая их при 1650 °С в вакууме. Для введения функциональных групп наноточки дополнительно выдерживают при 400 °С на воздухе. Частицы диспергируют в растворителе, затем добавляют раствор ПММА. После перемешивания материал наносится на стекло и сушится [13].

Композиты из полимера и углерода представляют огромную ценность как материалы, обладающие особенными механическими свойствами. В [14] исследуются материалы, наполненные нанотрубками и углеродным волокном на предмет воздействия влаги и температуры. Было показано, что добавки нанотрубок и углеволокна влияют на сорбцию воды, и, соответственно, на процесс гидротермального старения. Исходя из небольших добавок

наполнителей строются модели, предсказывающие свойства материала, которые могут реализоваться при большем количестве компонентов, причем использование совместно двух наполнителей может улучшать механические свойства материала.

Углеродно-полимерные материалы активно используются для получения прочных термостойких волокон [15]. Материалы могут быть получены из полиэтиленимида с добавлением модифицированных углеродных наночастиц с использованием технологии расплава. Как нанотрубки, так и волокна показывают сходные тенденции в механических характеристиках наполненных полимерных волокон. Максимальная прочность на растяжение достигается, при концентрации нанотрубок 0,1 % и волокон 1 %, как в неориентированных нанокомпозитных волокнах, так и в волокнах после дополнительного высокотемпературного ориентационного волочения. Добавление наполнителей позволяют увеличить предел прочности и модуль Юнга.

Углеродно-полимерные слои используют как материалы для изготовления биосенсоров. Для создания биосенсоров внедряют карбонизированные углеродно-полимерные наноструктуры на подложках из металлизированного диоксида кремния в качестве шага к их интеграции на КМОП-микросхемах (комплементарный металлоксиддный полупроводник) [16]. Были созданы углеродные конусы на полимерно-металлической подложке, которые могут быть использованы в качестве биосенсоров .

Полимерные структуры были сформированы с использованием 3D-печати на основе 2-фотонной полимеризации. Карбонизация полимерных структур достигается в две стадии термического отжига: сначала в окислительной атмосфере, затем в инертной. После отжига происходит усадка конструкций. Корни структур образовывают круглое основание, что может быть связано с оплавлением полимера термохимическим взаимодействием золота под структурами, которые выдержали травление аргоновым распылением.

Углеродно-полимерные биосенсоры могут быть получены методами электроспининга и полимеризации. Такой материал может быть использован в

практическом применении для обнаружения различных органических веществ, например, гидрохинона [17].

Углеродно-полимерные материалы как правило составляют основу в приготовлении электродов для батарей и аккумуляторов [18]. В [19] получают бислой из полимера, углерода, кремния и оксида кремния для покрытия электродов в литий-ионных батареях.

Показано, что такие материалы могут обеспечить высокую плотность энергии при компромиссном объемном расширении. То есть такое покрытие может служить для продления срока службы литий-ионных батарей. Такие полуэлементы сохраняют 80% своей емкости после 1100 циклов разрядки-зарядки.

Также в современных работах по литий-ионным батареям используются методы покрытия углеродным слоем за счет выдерживания полимера при высокой температуре. В [20] получают электрод из ТЮ2 с полимер-углеродным покрытием по следующей схеме. Полиакрилонитрил растворяют в в диметилформамиде, добавляют порошок ТЮ2. Полученную суспензию наносят на медную фольгу, выдерживают при температуре 500 °С. При этом часть ПАН превращается в углерод. Показано, что использование такого подхода (по сравнению с коммерческими электродами из ТЮ2) увеличивает количество циклов заряда-разряда.

Материалы на основе углерода в различных аллотропных модификациях и полимеров активно используется в промышленности. Такие материалы как правило получают прессованием угля с различными связующими компонентами, такими как угольный пек, нефтяной битум, смола, лигносульфонат, крахмал, различные полимеры и многие другие материалы. Выбор связующего вещества обусловлен, как правило, требованиями к получаемым материалам и экономическими соображениями [21].

Существуют различные общие схемы промышленного получения материалов на основе ПВХ и углерода [22]. Так называемая технология плавления, которая активно применяется в промышленности включает в себя методы экструзии,

литья под давлением, смешивания с помощью различных приборов, горячее прессование, глазирование. Такие технологии привлекательны по причине отсутствия необходимости нескольких стадий и применения растворителей. При получении полимерных нанокомпозитов по такой технологии компоненты изначально перемешиваются и измельчаются в шаровой дробилке, шнековом смесителе, валковой мельнице.

Другим популярным методом является синтез полимерных нанокомпозитов «in situ», то есть полимеризация мономера с изначально включенным нанонаполнителем (при этом предпочтительно, чтобы катализатор реакции был сосредоточен на поверхности внедренных частиц, чтобы частицы «обрастали» полимером) [23]. В качестве наполнителя могут быть использованы углеродные нанотрубки, фуллерены, углеродные квантовые точки. Поскольку фуллерен хорошо растворяется в органических растворителях, то можно подобрать такой растворитель, в котором будут растворяться как полимер, так и наполнитель, таким образом, можно достичь максимальной равномерности распределения и однородности материала. Наиболее предпочтительна в таких случаях анионная или радикальная полимеризация [24].

При синтезе материала с углеродными нанотрубками в качестве наполнителя часто возникает проблема равномерного распределения наполнителя, препятствия их агрегирования. Обычно она решается выбором подходящего растворителя и функционализации нанотрубок, в результате чего становится возможна лучшая адгезия полимера к нанотрубкам и, вследствие этого, равномерное распределение. Для введения функциональных групп в нанотрубки используют азотную кислоту, персульфат аммония, перманганат калия, гипохлорит натрия, озон и др. [25].

При получении материала, наполненного углеродными нанотрубками можно выделить следующие недостатки при использовании в промышленном масштабе. Во-первых, неравномерное распределение нанотрубок в полимерной матрице, во-вторых, метод требует ультразвуковой обработки (что в принципе не является проблемой для лаборатории, но может значительно усложнить

технологический процесс). В третьих, использование растворителя может оказать «смягчающее» действие: изменить реологические характеристики полимера, к тому же возникает необходимость удаления растворителя из системы.

Существуют способы достижения высокой электропроводности в материале при относительно небольшое количество углерода (1-5%) [26]. Предлагается способ синтеза при котором уголь обволакивает частицы полимера с помощью метода коагуляции в субстрате. Это способствует относительно высокой проводимости и сорбционной способности материала. Коагуляция частиц угля при этом обеспечивается за счет удаления молекул ПАВ при их сцепленинии с молекулами желатина на поверхности, то есть происходит дестабилизация суспензии у поверхности частиц.

Такие материалы могут быть использованы в качестве сорбционных электродов, биполярных электродов, иметь низкие значения сопротивления и модулируемые физико-химические характеристики. Такие характеристики обусловлены высокодисперсностью частиц углерода, которые эффективно обволакивают частицы полимера, при этом сложно говорить об износостойкости материала в виду отсутствия химического связывания.

Возможно также получение полимерно-углеродных покрытий с помощью плазмы [27]. Поверхность материала из сополимера этилена и пропилена бомбардируется углеродной плазмой. В результате получается покрытие, которое наделяет слабую подложку защитной поверхностью, что приводит к уменьшению трения и износа.

Углеродно-полимерные материалы могут также применяться в различных узких областях. В [28] материал, полученный методом набухания обладает способностью частично поглощать свет при пропускании. Таким образом, получается покрытие которое дает эффект мутности и глянца.

В статье указывается два способа получения материала: метод «набухания» и метод перемешивания. В первом случае в качестве среды берут вещество, в

котором хорошо растворяются наночастицы углерода (бутилацетат, циклогексан, толуол), он используется как «агент для набухания».

В случае метода смешения к полиметилметакрилату добавляют наночастицы угля, всё перемешивается в сосуде. Затем добавляется бутилацетат и смесь интенсивно перемешивается. Затем промывают этанолом, центрифугируют, сушат.

В случае материала, полученного методом смешения, часть наночастиц углерода оказалась не капсулированной в полимере, а распределенной в среде, таким образом, покрытие не обладает указанными свойствами, а просто частично затемняет: частицы углерода не дают синергетический эффект с полимерными частицами, а просто поглощают часть света.

Покрытия на основе полимера и углерода могут использоваться для защиты от электромагнитного излучения [29]. В данной работе получали лак диспергированием и мощным перемешиванием углерода (графит и черный уголь в соотношении 3:1) в растворе полимера. Данный лак наносился кистью или валиком на подложку, прозрачную для электромагнитного излучения тонким слоем (до 160 мкм). Было показано, что данный слой защищает от электромагнитного излучения в диапазоне 30 МГц - 30 ГГц.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шабанов Максим Петрович, 2021 год

Список литературы

[1] Rahman M.S. Functionalized and Encapsulated Carbon Nanotubes might be a Good Replacement of Present Inconvenience // Recearchgate.net. -2020. DOI 10.13140/RG.2.2.34233.11360

[2] Yadavalli T., Ames J., Agelidis A., Suryawanshi R., Jaishankar D., Hopkins J., Thakkar N., Koujah L., Shukla D. Drug-encapsulated carbon (DECON): A novel platform for enhanced drug delivery // Science Advances. -2019. - V. 5. - P. 1-12. DOI 10.1126/sciadv.aax0780

[3] Li S., Ji K., Zhang M., He C., Wang J., Li Zh. Boosting Photocatalytic CO2 Reduction of Metal-Organic Frameworks by Encapsulating Carbon Dots // Nanoscale. -2020. - V. 12. DOI 10.1039/D0NR01696A

[4] Iurchenkova A.A., Fedorovskaya E., Asanov I., Arkhipov V.E., Popov K.M., Baskakova K.I., Okotrub A. MWCNT buckypaper/polypyrrole nanocomposites for supercapasitor application // Electrochimica Acta. - 2020. - V. 335. - P. 135700. DOI 10.1016/j.electacta.2020.135700.

[5] Kauffmann J., Linders C., Patriarche G., Smyth M. A comparison of glassy-carbon and carbon—polymer composite electrodes incorporated into electrochemical detection systems for high-performance liquid chromatography // Talanta. - 1988. -V. 35. - P. 179-182. DOI 10.1016/0039-9140(88)80061-4

[6] Kim E.-A., Seyfferth A., Fendorf S., Luthy R. Immobilization of Hg(II) in Water with Polysulfide-Rubber (PSR) Polymer-Coated Activated Carbon // Water research. -2010. - V. 45. - P. 453-460. DOI 10.1016/j.watres.2010.08.045

[7] Kim E.-A., Seyfferth A., Fendorf S., Luthy R. Immobilization of Hg(II) in Water with Polysulfide-Rubber (PSR) Polymer-Coated Activated Carbon // Water research.

- 2010. - V. 45. - P. 453-460. DOI 10.1016/j.watres.2010.08.045

[8] Dong Y., Ma J., Liu C., Bao Y. Ordered mesoporous silica encapsulated carbon quantum dots and its application in Fe3+ detection // Ceramics International. -2020.

- V. 46. DOI 10.1016/j.ceramint.2020.01.131

130

[9] Riyanto, Prawidha A Preparation of Carbon-Chitosan-Polyvinyl Chloride (CC-PVC) Material and its Application to Electrochemical Degradation of Methylene Blue in Sodium Chloride Solution // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2018. - V. 288. - P. 012127. DOI 10.1088/1757-899X/288/1/012127

[10] Riyanto, Nisaa C. Preparation of carbon-polyvinyl chloride (C-PVC) and its application for electrodes to electrochemical degradation of batik wastewater // Journal of Physics: Conference Series. - 2017. - V. 909. - P. 012075. DOI 10.1088/1742-6596/909/1/012075

[11] Kausar A., Taherian R. Electrical Conductivity in Polymer Composite Filled With Carbon Microfillers // . -2019. - V. . - P. . DOI 10.1016/B978-0-12-812541-0.00002-1

[12] Planes E., Gloaguen F., Flandin L. Carbon-polymer composites with extreme electrical conductivity // Journal of Applied Polymer Science. -2015. - V. 132 (30). -P. 42274. DOI 10.1002/app.42274

[13] Grimaldi Cl., Kecsenovity E., Majidian M., Kuznetsov V., Magrez A., Forró L. Electrical transport in onion-like carbon—PMMA nanocomposites // Applied Physics Letters. - 2019. - V. 114. - P. 103102. DOI 10.1063/1.5085936

[14] Glaskova-Kuzmina T., Aniskevich A., Papanicolaou G., Portan D.V., Zotti A., Borriello A., Zarrelli M. Hydrothermal Aging of an Epoxy Resin Filled with Carbon Nanofillers // Polymers. -2020. - V. 12. - P. 1153. DOI 10.3390/polym12051153

[15] Ivan'kova E., Vaganov G., Popova E., Elokhovskiy V., Kasatkin I. Structure-Property Relationship of Polyetherimide Fibers Filled with Carbon Nanoparticles // ACS Omega. -2020. - V. 5(19). - P. 10680-10686. DOI 10.1021/acsomega.9b04102

[16] Haque M., McFarlane N., Lavrik N., Hensley D. Carbonized Polymer Nanostructures for Biosensing // ASMC. -2019. - V. . - P. 1-5. DOI 10.1109/ASMC.2019.8791748

[17] Fu Y., An Q., Ni R., Zhang Yu., Li Yo., Ke H. Preparation of Polyaniline-Encapsulated Carbon/Copper Composite Nanofibers for Detection of Polyphenol

Pollutant // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. -2018. - V. 559. DOI 10.1016/j.colsurfa.2018.09.065

[18] Zhao Y., Choe S. A highly efficient reduced order electrochemical model for a large format LiMn2O4/Carbon polymer battery for real time applications // Electrochimica Acta. - 2015. - V. 164. - P. 97-107. DOI 10.1016/j.electacta.2015.02.182.

[19] Guo J., Zhao G., Xie T., Dong D., Ma C., Su L., Gong L., Lou X., Guo X., Wang J., Zhu Y. Carbon/Polymer Bilayer-Coated Si-SiO x Electrodes with Enhanced Electrical Conductivity and Structural Stability // ACS Applied Materials. Interfaces. - 2020. - V. 12 (16). - P. 19023-19032. DOI 10.1021/acsami.0c02445

[20] Shen X., Chen M., Hong X., Wang W., Qiao Z., Chen J., Fan S., Yu J., Tang C. Synthesis and Anodic Performance of TiO2-carbonized PAN electrode for Lithium ion batteries // Chemical Physics. - 2019. - V. 530. - P. 110639. DOI 10.1016/j.chemphys.2019.110639

[21] Технология брикетирования каменного/бурого угля, кокса // http://bioresurs.com/briketirovanie-uglj a/pressovanie-ugolnoj -pyli

[22] Kuvshinova S., Burmistrov V., Koifman O., Novikov I PVC carbon nanostructure composite materials: Approaches to their fabrication and properties // Nanotechnologies in Russia. - 2015. - V. 10. - P. 1-12. DOI 10.1134/S1995078015010103

[23] Hussain F., Hojjati M., Okamoto M., Gorga R.E. Review article: Polymer-matrix nanocomposites, processing, manufacturing, and application: an overview // Journal of Composite Materials. -2006. - V. 40. - P. 1511-1575. DOI

[24] Yevlampieva N., Dmitrieva T., Melenevskaya E., Zaitseva I., Ryumtsev E. Interaction of polystyrene and fullerene C60 in benzene: Composition and molecular properties of the product // Polymer Science Series A. - 2007. - V. 49(3). - P. 284291. DOI 10.1134/S0965545X0703008X

[25] Schierz A., Zänker H. Aqueous suspensions of carbon nanotubes: Surface oxidation, colloidal stability and uranium sorption // Environmental Pollution. -2009. - V. 157(4). - P. 1088-1094. DOI 10.1016/j.envpol.2008.09.045

[26] Hagg Ch., Besenhard J.O., Skyllas-Kazacos M. Novel carbon polymer electrodes for battery applications // Battery Conference on Applications and Advances. The Fourteenth Annual. - 1999. - P. 349-354. DOI

[27] Weisweiler W., Schlitter K. Surface Modification of Carbon Fibres by Plasma Polymerization // In book: Carbon Fibers Filaments and Composites. - 1990. - P. 263-274. DOI 10.1016/0040-6090(92)90117-T

[28] Hu L., Yang Z., Zhang., Liu Z., Xia P., Deng K., Gong L., Jiang L., Zhang H. Fabrication and evaluation of dual function PMMA/nano-carbon composite particles for UV curable anti-glare coating // Progress in Organic Coatings. -2016. - V. 101. -P. 81-89. DOI 10.1016/j.porgcoat.2016.07.020

[29] Barsukov V., Senyk I., Kryukova O., Butenko O. Composite Carbon-Polymer Materials for Electromagnetic Radiation Shielding // Materials Today: Proceedings. -2018. - V. 5. - P. 15909-15914. DOI 10.1016/j.matpr.2018.06.063

[30] Oudry P., Chevalier M., Gombart E. Makeup composition comprising a black colour mixture of pigments // Patent N US8506976. -2013.

[31] Лисичкин Г.В., Фадеев А.Ю., Сердан А.А., Нестеренко П.Н., Мингалев П.Г., Фурман Д.Б. Химия привитых поверхностных соединений. Под ред. Лисичкина Г.В. // М.: Физматлит. - 2003. - С. 68-87.

[32] Zharnikov M., Sauter E,. Ludwigs S., Zojer E., Nascimbeni G., Trefz D., Wrochem F. Dithiocarbamate anchoring group as flexible platform for interface engineering // Physical Chemistry Chemical Physics. - 2019. - V. 21. - P. 2251122525. DOI 10.1039/C9CP03306H

[33] Pastore M., Angelis F. Computational modelling of TiO 2 surfaces sensitized by organic dyes with different anchoring groups: Adsorption modes, electronic structure and implication for electron injection/recombination // Physical chemistry chemical physics. - 2011 - V. 14. P. 920-928. DOI 10.1039/c1cp22663k.

[34] Sottiudom S., Srikulkit K. Preparation and Electrical Properties of Activated Carbon Grafted with Polyaniline Nanofiber // Key Engineering Materials. - 2018. -V. 773. - P. 62-66. DOI 10.4028/www.scientific.net/KEM.773.62

[35] Zhang G., Wang J., Qin B., Jin X., Wang L., Li Y., Sun X. Room-temperature rapid synthesis of metal-free doped carbon materials // Carbon. - 2017. - V. 115. - P. 28-33. DOI 10.1016/j.carbon.2016.12.093

[36] Gallegos A., Lopez S., Brousse T., Pacheco C.D., Fuentes-Quezada E., Mosqueda H., Orozco G. Electrochemical study of H3PMo12 retention on Vulcan carbon grafted with NH2 and OH groups // Journal of Solid State Electrochemistry. -2015. - V. 20. - P. 1-13. DOI 10.1007/s10008-015-2994-5

[37] Dong L., Pan S., Wang Z., Hou L., Zhou G., Chen G. Lignite-Activated Carbon Grafted PAA Combined with Conventional Drinking Water Treatment Processes for the Emergency Removal of Trace Pb(II) Pollution // Water Air Soil Pollution. - 2020. - V. 231(5). - P. 1-12 . DOI 10.1007/s11270-020-04607-w

[38] Bezerra D.P., da Silva F.W.M., de Moura P.A.S., Sapag K., Vieira R.S., Rodriguez-Castellon E., de Azevedo D.C.S. Adsorption of CO2 on Amine-Grafted Activated Carbon // Adsorption Science & Technology. - 2014. - V. 32(2). - P. 141151. DOI 10.1260/0263-6174.32.2-3.141

[39] Zhang C., Song W., Sun G., Xie L., Wang J., Li K., Sun Ch., Liu H., Snape C.E., Drage T. CO2 Capture with Activated Carbon Grafted by Nitrogenous Functional Groups // Energy and Fuels. - 2013. - V. 27(8). - P. 4818-4823. DOI 10.1021/ef400499k

[40] Zhao Y.-S., Xie Y.-L., Li Y. New Adsorbent Using Hydrothermal Carbon Grafted With Murexide for Adsorption Performance of Uranium(VI) // Journal of Nuclear and Radiochemistry. - 2018. - V. 40. - P. 54-61. DOI 10.7538/hhx.2017.YX.2016076

[41] Reinecke H., Mijangos C. PVC modification with bifunctional thiol compounds // Polymer Bulletin. - 1996. - V. 36. - P. 13-18. DOI 10.1007/BF00296002

[42] Reinecke H., Mijangos C. PVC modification with pyridine groups. Synthesis, characterization and transformation to ionomers // Macromolecular Chemistry and Physics. - 1998. - V. 199. - P. 2199-2204. DOI 10.1002/macp.1998.021991017

[43] Herrero M., Tiemblo P., Labarta J., Mijangos C., Reinecke H. PVC modification with new functional groups. Influence of hydrogen bonds on reactivity, stiffness and specific volume // Polymer. - 2002. - V. 43. - P. 2631-2636. DOI 10.1016/S0032-3861(02)00064-2

[44] Paul A., Grady B., Ford W. PMMA composites of single-walled carbon nanotubes-graft-PMMA // Journal of Applied Polymer Science. - 2014. - V. 131. - P. 1-12 . DOI 10.1002/app.39884

[45] Цивадзе А.Ю., Фридман А.Я., Волощук А.М., Морозова Е.М., Соколова Н.П., Бардышев И.И., Горбунов А.М., Петухова Г.А., Полякова И.Я., Шапохина О.П. Система: целлюлозная ткань с наполненными активным углем ПВХ-покрытием и пористым полупроводниковым слоем с зависимостью электропроводности от адсорбционного насыщения и сольватации // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2013. - Т. 49(5). - С. 512-516.

[46] Цивадзе А.Ю., Фридман А.Я., Волощук А.М., Морозова Е.М., Соколова Н.П., Петухова Г.А., Бардышев И.И., Горбунов А.М., Дорохов А.В., Полякова И.Я., Шапохина О.П., Соловьева И.В. ПВХ-материалы с сорбционно-активной поверхностью нанопленок этанолоцикламов // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2009. - Т. 45(6). - С. 611-616.

[47] Фридман А.Я., Цивадзе А.Ю., Морозова Е.М., Соколова Н.П., Волощук А.М., Петухова Г. А., Бардышев И.И., Горбунов А.М., Новиков А.К., Полякова И.Я., Титова В.Н., Явич А.А., Петрова Н.В. Слои цикламозамещенного ПВХ с аквакомплексами гидроксида натрия с азакрауновыми лигандами на целлюлозной ткани, наполненной активным углем // Журнал физической химии. - 2016. - Т. 90(3). - С. 418-423. DOI 10.7868/S0044453716030109

[48] Shabanov M.P., Tsivadze A.Yu, Fridman A., Gorbunov A.M., Averin A.A. Formation principles of layers from active carbon microparticles with grafted amine

derivatives of PVC on substrate // Carbon - Science and Technology. - 2019. - V. 11(1). - P. 5-13.

[49] Цивадзе А.Ю., Аверин А.А., Фридман, Шабанов М.П., Морозова Е.М., Петухова Г. А., Новиков А.К., Бардышев И.И., Полякова И.Я., Горбунов А.М., Титова В.Н., Явич А.А. Формирование и свойства привитых к активному углероду электрон- и ионпроводящих слоев N-замещенных производных ПВХ // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2019. - Т. 55(6). - С. 610-619. DOI 10.1134/S0044185619050267

[50] Ray S.C., Saha A., Jana N.R., Sarkar R. Fluorescent carbon nanoparticles: synthesis, characterization and bioimaging application // Journal of Physical Chemistry. -2009. - V. 113. - P. 18546-18551. DOI 10.1021/jp905912n

[51] Calleja F.B., Roslaniec Z. Block Copolymers // CRC Press. - 2000. - P. 368-373.

[52] Dewa K., Ono K., Matsukawa Y., Takahashi K., Saito Y., Matsushita Y., Aoki H., Era K., Aoki T., Yamaguchi T. Determining the structure of carbon black using Raman spectroscopy and X-ray diffraction // Tanso. - 2016. - V. 274. - P. 132-138. DOI 10.7209/tanso.2016.132

[53] Лукин В.Д., Новосельский А.В. Циклические адсорбционные процессы: Теория и расчет // Л.: Химия. - 1989. - С. 27.

[54] Фенелонов В.Б. Пористый углерод // Новосибирск. - 1995. - Т. - С. 328.

[55] Красовицкий Б.М, Болотин Б.М. Органические люминофоры // М.: Химия. - 1984. - С. 336.

[56] Шахпаронов М.И. Введение в современную теорию растворов // М.: Высшая школа. - 1976. - С. 296.

[57] Цивадзе А.Ю. , Фридман А.Я., Морозова Е.М., Соколова Н.П., Волощук А.М., Петухова Г. А., Бардышев И.И., Новиков А.К., Горбунов А.М., Полякова И.Я., Титова В.Н., Явич А.А., Петрова. Н.В. Ионопроводящие пористые слои комплексов гидроксида натрия с этанолоцикламами на модифицированной поверхности ПВХ-покрытия на ткани // Журнал физической химии. - 2015. - Т. 89(2). - С. 286-297.

[58] Цивадзе А.Ю., Фридман А.Я., Волощук А.М., Морозова Е.М., Соколова Н.П., Бардышев И.И., Горбунов А.М., Новиков А.К., Петухова Г.А., Полякова И.Я., Титова В.Н., Явич А.А. Реакционные электрохимические матрицы на основе электропроводных ионопроводящих адсорбционно-активных тканей // Электрохимия. - 2017. - Т. 53(1). - С. 46-55.

[59] Francis W. Chapter. Petroleum Oils - Reforming Processes // In book: Fuels and Fuel Technology. - 1965. - P. 366. DOI 10.1016/B978-0-08-025250-6.50041-9