ПОЛУЧЕНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ НИТЕЙ И ПОЛЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ВОЛОКОН НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА И ОКСИДА АЛЮМИНИЯ
Аннотация
В настоящей работе изготовлены и исследованы композиционные нити состава «углерод-керамика». В качестве углеродной основы использованы волокна марки УКН-12к, полученные из полиакрилонитрила. Керамическое покрытие синтезировано из оксида алюминия. Изготовление композиционных нитей проводили в ходе повторяемого многостадийного процесса, включавшего приготовление водного золя гидроксида алюминия, его нанесение на углеродную основу и прокалку получаемых нитей в проточном реакторе в инертной атмосфере (Ar) при температуре 1000 °C. Методом рентгенофазового анализа было подтверждено, что получающееся из оксида алюминия керамическое покрытие состоит исключительно из его α-фазы. Следует отметить, что наличие оксида алюминия на поверхности углеродного волокна обеспечивает защиту углеродной основы и повышает смачиваемость, что значительно расширяет возможности как применения, так и модификации последнего. Согласно термогравиметрическим исследованиям, было установлено, что такое покрытие повышает термоустойчивость волокна на воздухе, а именно сдвигает температуру начала активного окисления на 120-150 °C вплоть до 550 °C. Также было обнаружено, что при более высоких температурах 800-1000 °C обеспечивается полное выгорание углеродной сердцевины, в результате чего формируются полые керамические волокна. Согласно данным растровой электронной микроскопии выявлено, что внутренний диаметр получаемых волокон соответствует диаметру использованного углеродного волокна и составляет в приведенных в работе примерах 5-7 мкм. Обнаружено, что морфология керамических волокон повторяет внешнюю структуру углеродного прекурсора, что можно использовать для изготовления как жгутов, так и войлока из полых керамических волокон, пригодных для изготовления мембран, высокотемпературных фильтров и композиционных материалов.
Литература
Yusof N., Ismail A.F. Post spinning and pyrolysis processes of polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fiber and activated carbon fiber: A review. J. Analyt. Appl. Pyrol. 2012. V. 93. P. 1-13. DOI: 10.1016/j.jaap.2011.10.001.
Sharma M., Gao S., Mäder E., Sharma H., Wei L.Y., Bijwe J. Carbon fiber surfaces and composite interphases. Composit. Sci. Technol. 2014. V. 102. P. 35-50. DOI: 10.1016/j.compscitech.2014.07.005.
Severini F., Formaro L., Pegoraro M., Posca L. Chemical modification of carbon fiber surfaces. Carbon. 2002. V. 40. N 5. P. 735-741. DOI: 10.1016/S0008-6223(01)00180-4.
Xia K., Lu C., Yang Y. Preparation of antioxidative SiC/SiO2 coating on carbon fibers from vinyltriethox-ysilane by sol–gel method. Appl. Surf. sci. 2013. V. 265. P. 603-609. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.11.056.
Das M., Basu A.K., Ghatak S., Joshi A.G. Carbothermal synthesis of boron nitride coating on PAN carbon fiber. J. Eur. Ceramic Soc. 2009. V. 29. N 10. P. 2129-2134. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2008.12.004.
Tang S., Hu C. Design, preparation and properties of carbon fiber reinforced ultra-high temperature ceramic composites for aerospace applications: a review. J. Mater. Sci. Technol. 2017. V. 33. N 2. P. 117-130. DOI: 10.1016/j.jmst.2016.08.004.
Corral E.L., Loehman R.E. Ultra‐high‐temperature ceramic coatings for oxidation protection of carbon–carbon composites. J. Am. Ceramic. Soc. 2008. V. 91. N 5. P. 1495-1502. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2008.02331.x.
Li S., Zhang Y.M., Zhou Y.F. Preparation and characterization of sol–gel derived zirconia coated carbon fiber. Surf. Coat. Technol. 2012. V. 206. N 23. P. 4720-4724. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2012.01.037.
Tkachenko L.A., Shaulov A.Yu., Berlin A.A. Protective heatresistant coatings of carbon materials. Neorgan. Mater. 2012. V. 48. N 3. P. 261–271. DOI: 10.1134/S0020168512030168.
Jewur S.S., Kuriacose J.C. Studies on the thermal decomposition of ferric acetate. Thermochim. Acta. 1977. V. 19. P. 195-200. DOI: 10.1016/0040-6031(77)85107-1.
Baklanova N.I., Zima T.M., Titov A.T, Isaeva N.V., Grashchenkov D.V., Solntsev S.S. Protective coatings for carbon fibers. Neorgan. Mater. 2006. V. 42. N 7. P. 823-829. DOI: 10.1134/S0020168506070107.
Chen R., Jiang Y., Xing W., Jin W. Preparation of palladium nanoparticles deposited on a silanized hollow fiber ceramic membrane support and their catalytic properties. Indust. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. N 14. P. 5002-5008. DOI: 10.1021/ie303104m.
Wang J.W., Li L., Zhang J.W., Xu X., Chen C. β-Sialon ceramic hollow fiber membranes with high strength and low thermal conductivity for membrane distillation. J. Eur. Ceramic Soc. 2016. V. 36. N 1. P. 59-65. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.09.027.
Faiz R., Fallanza M., Ortiz I., Li K. Separation of olefin/paraffin gas mixtures using ceramic hollow fiber mem-brane contactors. Indust. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. N 23. P. 7918-7929. DOI: 10.1021/ie400870n.
Tan X., Li K. Oxygen production using dense ceramic hollow fiber membrane modules with different operating modes. AIChE j. 2007. V. 53. N 4. P. 838-845. DOI: 10.1002/aic.11116.
Tao K., Cao L., Lin Y., Kong C., Chen L. A hollow ceramic fiber supported ZIF-8 membrane with enhanced gas separation performance prepared by hot dip-coating seeding. J. Mater. Chem. A. 2013. V. 1. N 42. P. 13046-13049. DOI: 10.1039/C3TA13371K.
Xu G., Wang K., Zhong Z., Chen C., Webley P.A., Wang H. SiC nanofiber reinforced porous ceramic hollow fiber membranes. J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. N 16. P. 5841-5846. DOI: 10.1039/C3TA15348G.
Dashti A., Asghari M. Recent progresses in ceramic hollow‐fiber membranes. Chem. Bio. Eng. Rev. 2015. V. 2. N 1. P. 54-70. DOI: 10.1002/cben.201400014.
Pan Y., Wang B., Lai Z. Synthesis of ceramic hollow fiber supported zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) membranes with high hydrogen permeability. J. Membrane Sci. 2012. V. 421. P. 292-298. DOI: 10.1016/j.memsci.2012.07.028.
Maneeratana V., Sigmund W. M. Continuous hollow alumina gel fibers by direct electrospinning of an alkox-idebased precursor. Chem. Eng. J. 2008. V. 137. N 1. P. 137-143. DOI: 10.1016/j.cej.2007.09.013.
Zhang Y., Li J., Li Q., Zhu L., Liu X., Zhong X., Meng J., Cao X. Preparation of CeO2–ZrO2 ceramic fibers by electrospinning. J. Colloid Interf. Sci. 2007. V. 307. N 2. P. 567-571. DOI: 10.1016/j.jcis.2006.12.048.
Flores O., Bordia R. K., Nestler D., Krenkel W., Motz G. Ceramic fibers based on SiC and SiCN systems: current research, development, and commercial status. Adv. Eng. Mater. 2014. V. 16. N 6. P. 621-636. DOI: 10.1002/adem.201400069.
Sun Y., Li J.Y., Tan Y., Zhang L. Fabrication of aluminum nitride (AlN) hollow fibers by carbothermal reduction and nitridation of electrospun precursor fibers. J. Alloys Comp. 2009. V. 471. N 1-2. P. 400-403. DOI: 10.1016/j.jallcom.2008.03.099.
Li J. Y., Tan Y., Xu F.M., Sun Y., Cao X.Q., Zhang Y.F. Hollow fibers of yttria-stabilized zirconia (8YSZ) prepared by calcination of electrospun composite fibers. Mater. Lett. 2008. V. 62. N 16. P. 2396-2399. DOI: 10.1016/j.matlet.2007.12.011.
Huang K., Dong Z., Li Q., Jin W. Growth of a ZIF-8 membrane on the inner-surface of a ceramic hollow fiber via cycling precursors. Chem. Commun. 2013. V. 49. N 87. P. 10326-10328. DOI: 10.1039/C3CC46244G.
Wang Z., Ge Q., Shao J., Yan Y. High performance zeolite LTA pervaporation membranes on ceramic hollow fibers by dipcoating− wiping seed deposition. J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. N 20. P. 6910-6911. DOI: 10.1021/ja901626d.
Tang Y., Wang J., Li X., Xie Z., Wang H., Li W., Wang X. Polymer‐Derived SiBN Fiber for High‐Temperature Structural/Functional Applications. Chem. – A Eur. J. 2010. V. 16. N 22. P. 6458-6462. DOI: 10.1002/chem.200902974.
Karaeva A.R., Urvanov S.A., Kazennov N.V., Mitberg E.B., Mordkovich V.Z. Features of carbon nanotubes ob-tained in presence of metallocenes of group VIII elements. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 12. P. 4-9 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20206312.6у.
Mordkovich V.Z., Urvanov S.A., Kravchenko V.D., Kazennov N.V., Zhukova E.A., Karaeva A.R. Modifica-tion of carbon fiber–polyurethane interface with carbon nanotubes. Mater. Res. Innovat. 2016. V. 20. N 1. P. 14-17. DOI: 10.1080/14328917.2015.1131419.
