ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА МЕТОДОМ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО СОЛЬВОЛИЗА
Аннотация
В работе представлены результаты комплексного исследования влияния структуры углеродных волокон и типа исходного полимерного композита на качество извлеченного волокна, полученного методом низкотемпературного сольволиза. Были проанализированы характеристики исходных и извлеченных углеродных волокон с применением широкого спектра экспериментальных методов, включая структурные (рентгенофазовый анализ, электронная микроскопия, спектроскопия комбинационного рассеяния) и термические исследования. Сольволиз проводили в смеси H2SO4(конц.):H2O2(конц.): H2O в массовом соотношении 2,5:3:1 соответственно при температуре кипения раствора. Время рециклинга составляло 1 ч с заменой раствора каждые 20 мин. Результаты электронной микроскопии показали, что вне зависимости от типа полимерной системы, на поверхности волокон практически не наблюдается остатков связующего. С помощью синхронного термического анализа было показано, что основная потеря массы всех образцов извлеченного волокна происходит при температуре выше 600°С. Исходные углеродные волокна с гладкой структурой поверхности показывают большую термостабильность, чем волокна с рельефной структурой (температура потери массы 5% - 650°С и 620°С соответственно). При этом, вне зависимости от полимерного связующего, извлеченные волокна той же марки обладают более низкими значениями потери массы. С целью оценки деструктивного влияния сольволизного раствора в процессе извлечения, методом спектроскопии комбинационного рассеяния были изучены структурные изменения поверхности углеродных волокон. Степень графитизации оценивалась по соотношению площадей пиков D (дефектная составляющая) и G (графитовая составляющая). Было показано снижение степени графитизации после проведения сольволиза для обоих типов углеродных волокон. Методом рентгенофазового анализа определены размеры кристаллитов образцов углеродных волокон. Результаты показали уменьшение кажущейся толщины Lc и поперечного размера кристаллита La для всех образцов после сольволиза.
Для цитирования:
Трухинов Д.К., Лебедева Е.А., Иванова Е.В., Истомина Т.С., Астафьева С.А. Эффективность извлечения углеродного волокна методом низкотемпературного сольволиза. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 4. С. 59-66. DOI: 10.6060/ivkkt.20256804.7162.
Литература
Smith M. New developments in carbon fiber. Reinf. Plast. 2021. V. 62. N 5. P. 266-269. DOI: 10.1016/j.repl.2017.07.004.
Karnik S.R., Gaitonde V.N., Campos Rubio J., Esteves Correia A., Abrão A.M., Paulo Davim J. Delamination analysis in high speed drilling of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) using artificial neural network model. Mater. Des. 2008. V. 29. N 9. P. 1768-1776. DOI: 10.1016/j.matdes.2008.03.014.
Zabini O., Ahmadi M., Liu Ch., Mahmoodi R., Li Q., Naebe M. Development of a low cost and green micro-wave assisted approach towards the circular carbon fibre composites. Compos. B: Eng. 2020. V. 184. 107750. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.107750.
Khayyam H. Jazar R.N., Nunna S., Golkarnarenji G., Badii K., Fakhrhoseini S.M., Kumar S., Naebe M. PAN precursor fabrication, applications and thermal stabiliza-tion process in carbon fiber production: Experimental and mathematical modeling. Prog. Mater. Sci. 2020. V. 107. 100575. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2019.100575.
Zaritovskii A.N., Kotenko E.N., Grishchuk S.V., Gla-zunova V.A., Volkova G.K. Graphites and graphite-like materials as microwave acceptors in the synthesis of car-bon nanostructures. ChemChemTech[Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2025. V. 68. N 3. P. 64-75. DOI: 10.6060/ivkkt.20256803.7098.
Verma S., Balasubramaniam B., Gupta R.K. Recycling, reclamation and remanufacturing of carbon fibres. Curr. Opin. Green Sustain. Chem. 2018. V. 13. P. 86-90. DOI: 10.1016/j.cogsc.2018.05.011.
Shutova Yu.S., Ukhin K.O., Slobodinyuk D.G., Kisel’kov D.M., Slobodinyuk A.I. Low viscosity epoxy binder. Khimia. Ekologia. Urbanistika. 2024. V. 2. P. 141-144 (in Russian).
Teptereva G.A., Pakhomov S.I., Chetvertneva I.A., Karimov E.H., Egorov M.P., Movsumzade E.M., Evstigneev E.I., Vasiliev A.V., Sevastyanova M.V., Voloshin A.I., Nifantyev N.E., Nosov V.V., Dokichev V.A., Babaev E.R., Rogovina S.Z., Berlin A.A., Fakhreeva A.V., Baulin O.A., Kolchina G.Yu., Voronov M.S., Staroverov D.V., Kozlovsky I.A., Kozlovsky R.A., Tarasova N.P., Zanin A.A., Krivoborodov E.G., Karimov O.Kh., Flid V.R., Loginova M.E. Renewable natural raw materials. structure, properties, application prospects. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 9. P. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.
Taylor J.H. Troisi G., Soltani S.M. Application of chemically-activated recycled carbon fibres for aqueous-phase adsorptions - part I: Optimisation of activation pro-cess. Chem. Eng. J. Adv. 2024. V. 18. P. 100591. DOI: 10.1016/j.ceja.2024.100591.
Lebedeva E.A., Astaf’eva S.A., Istomina T.S., Trukhinov D.K., Il’inykh G.V., Slyusar N.N. Applica-tion of Low-Temperature Solvolysis for Processing of Re-inforced Carbon Plastics. Russ. J. Appl. Chem. 2020. V. 93. P. 845-853. DOI: 10.1134/S1070427220060117.
Klyachkin Yu.S., Tereshatov V.V., Val’tsifer V.A., Senivhev V.Yu., Imankulova S.A. Low-temperature sec-ondary reprocessing of cross-linked polyurethanes. Russ. J. Appl. Chem. 1997. V. 70. N 10. P. 1672-1673.
Hagnell M.K., Åkermo M. The economic and mechanical potential of closed loop material usage and recycling of fibre-reinforced composite materials. J. Clean. Prod. 2019. V. 223. N 20. P. 957-968. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.03.156.
Christelle Morin C, Loppinet-Serani A., Cansell F., Aymonier C. Near- and supercritical solvolysis of carbon fibre reinforced polymers (CFRPs) for recycling carbon fibers as a valuable resource: State of the art. J. Supercrit. Fluids. 2012. V. 66. P. 232-240. DOI: 10.1016/j.supflu.2012.02.001.
Pimenta S., Pinho S.T. Recycling carbon fibre reinforced polymers for structural applications: Technology review and market outlook. J. Waste Manag. 2011. V. 31. N 2. P. 378-392. DOI: 10.1016/j.wasman.2010.09.019.
Ma Y., Kim D., Nutt S.R. Chemical treatment for disso-lution of amine-cured epoxies at atmospheric pressure. Polym. Degrad. Stab. 2017. V. 146. P. 240-249. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2017.10.014.
Xu P., Li J., Ding J. Chemical recycling of carbon fibre/epoxy composites in a mixed solution of peroxide hydrogen and N,N-dimethylformamide. Compos. Sci. Technol. 2013. V. 82. N 18. P. 54-59. DOI: 10.1016/j.compscitech.2013.04.002.
Feraboli P., Kawakami H., Wade B., Gasco F., DeOto L., Masini A. Recyclability and reutilization of carbon fi-ber fabric/epoxy composites. J. Compos. Mater. 2011. V. 46. N 12. P. 1459-1473. DOI: 10.1177/0021998311420604.
Li J., Xu P., Zhu Y., Ding J., Xue L., Wang Y. A promising strategy for chemical recycling of carbon fi-ber/thermoset composites: Self-accelerating decomposition in a mild oxidative system. Green Chem. 2012. V. 14. N 12. P. 3260-3263. DOI: 10.1039/C2GC36294E.
Shaydurova G.I., Shevyakov Ya.S., Vasiliev I.L., Gatina E.R., Kulikova Yu.V. Assessment of the possibility of carbon fiber composite recycling using chemical methods. Izv. Vuzov. Priklad. Khimiya Biotekhnol. 2018. V. 8. N 3. P. 135–140 (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-3-135-140.
Wang Y., Cui X., Ge H., Yang Y., Wang Y., Zhang C., Li J., Deng T., Qin Z., Hou X. Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Epoxy Resin Composites via Selective Cleavage of the Carbon–Nitrogen Bond. ACS Sustain. Chem. Eng. 2015. V. 3. N 12. P. 3332-3337. DOI: 10.1021/acssuschemeng.5b00949.
Ma Y., Nutt S. Chemical treatment for recycling of amine/epoxy composites at atmospheric pressure. Polym. Degrad. Stab. 2018. V. 153. P. 307-317. DOI: 10.1016/ j.polymdegradstab.2018.05.011.
Navarro C.A., Kedzie E.A., Ma Y., Michael K.H., Nutt S.R., Williams T. Mechanism and Catalysis of Oxidative Degradation of Fiber-Reinforced Epoxy Composites. Top. Catal. 2018. V. 61. P. 704-709. DOI: 10.1007/s11244-018-0917-2.
Zhou J.L., Cheng C., Zhang H., Sun Z.Y., Zhu S., Yu M.H. Dissolution behaviour of polyethersulfone in di-glycidyl ether of bisphenol-A epoxy resins. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2017. V. 213. P. 012038. DOI: 10.1088/1757-899X/213/1/012038.
Strel’nikov V.N., Senichev V.Y., Slobodinyuk A.I., Savchuk A.V., Volkova E.R., Makarova M.A., Nechaev A.I., Krasnosel’skikh S.F., Ukhin K.O. Preparation and Properties of Frost-Resistant Room-Temperature-Curable Compounds Based on Oligoethertetraurethane Diepoxides of Various Chemical Structures. Russ. J. Appl. Chem. 2018. V. 91. N 3. P. 463-468. DOI: 10.1134/S1070427218030199.
Zhang B., Chen T. Study of Ultrasonic Dispersion of Graphene Nanoplatelets. Materials. 2019. V. 12. N 11. DOI: 10.3390/ma12111757.
Srisuriyachot J., McNair S.A.M., Chen Y., Barthelay T., Gray R., Bénézech J., Dolbnya I.P., Butler R., Lunt A.J.G. Carbon fibre lattice strain mapping via microfocus synchrotron X-ray diffraction of a reinforced composite. Carbon. 2022. V. 200. N 5. P. 347-360. DOI: 10.1016/j.carbon.2022.08.041.
Ryu Z., Rong H., Zheng J., Wang M., Zhang B. Microstructure and chemical analysis of PAN-based activated carbon fibers prepared by different activation methods. Carbon. 2002. V. 40. N 7. P. 1144-1147. DOI: 10.1016/S0008-6223(02)00105-7.
Sidorina A.I., Safronov A.M. Study of the resistance of carbon fibers to oxidation. Tr. VIAM. 2022. V. 7. N 113. P. 63-73 (in Russian). DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-7-63-73.
Khabibullina I.A., Sitnikov N.N., Kazakov V.A., Sigalaev S.K. Simultaneous thermal analysis and raman spectroscopy as complementary methods of diagnostics of carbon allotropic forms. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 8. P. 34-39. DOI: 10.6060/tcct.20165908.35y.
Govorov A.V., Galiguzov A.A., Tikhonov N.A., Malakho A.P., Rogozin A.D. Study of Different Types of Carbon Fiber Oxidation Kinetics. Refract. Ind. Ceram. 2016. V. 56. P. 605-609. DOI: 10.1007/s11148-016-9897-6.
