Получение углеродных мембран из полиакрилонитрильных полых волокон методом ИК-пиролиза
https://doi.org/10.17277/jamt.2024.03.pp.188-206
Аннотация
Предложен новый подход к получению углеродных мембран при помощи ИК-пиролиза половолоконных мембран из полиакрилонитрила (ПАН) и сополимеров акрилонитрила с метилакрилатом (ПАН-МА) и итаконовой кислотой (ПАН-ИА). Предложенный способ включает термостабилизацию мембран при 250 °С и последующий ИК-пиролиз. Установлено, что половолоконные мембраны, изготовленные из ПАН-ИА и ПАН, наименее подвержены разрушению при повышении температуры. Для образцов на основе ПАН-МА деформация половолоконных мембран в результате ИК-пиролиза регистрируется при температурах выше 200…300 °С. Исследование структуры углеродных мембран методом растровой электронной микроскопии выявило, что использование глицерина в качестве импрегнирующего агента (независимо от химического состава сополимеров акрилонитрила) приводит к менее регулярной и более дефектной структуре получаемых углеродных мембран. Установлено, что термостабилизация при 250 °С сохраняет структурную целостность и способствует получению механически стабильных углеродных мембран. Методом ИК-спектроскопии доказано, что ИК-излучение способствует существенному преобразованию структуры полимера. Показано, что 15-минутной предварительной обработки и пятиминутного пиролиза достаточно для эффективной стабилизации структуры мембраны.
Ключевые слова
Об авторах
А. Л. ЯскевичБеларусь
Яскевич Ала Леонидовна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник
ул. Сурганова, 13, Минск, 220072
Т. А. Глевицкая
Беларусь
Глевицкая Татьяна Александровна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник
ул. Сурганова, 13, Минск, 220072
А. А. Юшкин
Россия
Юшкин Алексей Александрович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории полимерных мембран
Ленинский пр., 29, Москва, 119991
С. А. Праценко
Беларусь
Праценко Светлана Анатольевна, кандидат химических наук, старший научный сотрудник
ул. Сурганова, 13, Минск, 220072
Е. А. Назаров
Беларусь
Назаров Евгений Артурович, младший научный сотрудник
ул. Сурганова, 13, Минск, 220072
М. Н. Ефимов
Россия
Ефимов Михаил Николаевич, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник
Ленинский пр., 29, Москва, 119991
Д. Г. Муратов
Россия
Муратов Дмитрий Геннадьевич, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Ленинский пр., 29, Москва, 119991
Т. В. Плиско
Беларусь
Плиско Татьяна Викторовна, кандидат химических наук, заведующий лабораторией
ул. Сурганова, 13, Минск, 220072
А. В. Бильдюкевич
Беларусь
Бильдюкевич Александр Викторович, доктор химических наук, академик, директор
ул. Сурганова, 13, Минск, 220072
Список литературы
1. Choudhury S, Fischer D, Formanek P, Simon F, et al. Porous carbon prepared from polyacrylonitrile for lithium-sulfur battery cathodes using phase inversion technique. Polymer. 2018;151:171-178. DOI:10.1016/j.polymer.2018.07.026
2. Wu Q, Liang H, Li M, Liu B, et al. Hierarchically porous carbon membranes derived from pan and their selective adsorption of organic dyes. Chinese Journal of Polymer Science. 2016;34(1):23-33. DOI:10.1007/s10118-016-1723-6
3. Adams JS, Itta AK, Zhang C, Wenz GB, et al. New insights into structural evolution in carbon molecular sieve membranes during pyrolysis. Carbon. 2019;141:238-246. DOI:10.1016/j.carbon.2018.09.039
4. Chu Y-H, Yancey D, Xu L, Martinez M, et al. Iron-containing carbon molecular sieve membranes for advanced olefin/paraffin separations. Journal of Membrane Science. 2018;548:609-620. DOI:10.1016/j.memsci.2017.11.052
5. Liu J, Calverley EM, McAdon MH, Goss JM, et al. New carbon molecular sieves for propylene/propane separation with high working capacity and separation factor. Carbon. 2017;123:273-282. DOI:10.1016/j.carbon.2017.07.068
6. Roy S, Das R, Gagrai MK, Sarkar S. Preparation of carbon molecular sieve membrane derived from phenolic resin over macroporous clay-alumina based support for hydrogen separation. Journal of Porous Materials. 2016;23(6):1653-1662. DOI:10.1007/s10934-016-0226-8
7. Xu S, Lin X, He Y, Wang Z, et al. Carbon membrane performance on hydrogen separation in H2H2O HI gaseous mixture system in the sulfur-iodine thermochemical cycle. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42(6):3708-3715. DOI:10.1016/j.ijhydene.2016.08.101
8. He X, Hägg M-B. Hollow fiber carbon membranes: investigations for CO2 capture. Journal of Membrane Science. 2011;378(1-2):1-9. DOI:10.1016/j.memsci.2010.10.070
9. Du L, Quan X, Fan X, Chen S, et al. Electroresponsive carbon membranes with reversible superhydrophobicity/superhydrophilicity switch for efficient oil/water separation. Separation and Purification Technology. 2019;210:891-899. DOI:10.1016/j.seppur.2018.05.032
10. Pan Y, Wang W, Wang T, Yao P. Fabrication of carbon membrane and microfiltration of oil-in-water emulsion: an investigation on fouling mechanisms. Separation and Purification Technology. 2007;57(2):388-393. DOI:10.1016/j.seppur.2007.04.024
11. Fu S, Sanders ES, Kulkarni SS, Wenz GB, et al. Temperature dependence of gas transport and sorption in carbon molecular sieve membranes derived from four 6FDA based polyimides: entropic selectivity evaluation. Carbon. 2015;95:995-1006. DOI:10.1016/j.carbon.2015.09.005
12. Lee HS, Baek GY, Jeong SY, Shin K, et al. Preparation of thin porous carbon membranes from polyacrylonitrile by phase separation and heat treatment. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2017;17(8): 5822-5825. DOI:10.1166/jnn.2017.14135
13. Development and characterization of polyacrylonitrile(PAN) based carbon hollow fiber membrane. Available from: https://www.semanticscholar.org [Accessed 29 April 2024]
14. Rodrigues SC, Whitley R, Mendes A. Preparation and characterization of carbon molecular sieve membranes based on resorcinol-formaldehyde resin. Journal of Membrane Science. 2014;459:207-216. DOI:10.1016/j.memsci.2014.02.013
15. He X, Lie JA, Sheridan E, Hägg M-B. Preparation and characterization of hollow fiber carbon membranes from cellulose acetate precursors. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2011;50(4):2080-2087. DOI:10.1021/ie101978q
16. Ma X, Swaidan R, Teng B, Tan H, et al. Carbon molecular sieve gas separation membranes based on an intrinsically microporous polyimide precursor. Carbon. 2013;62:88-96. DOI:10.1016/j.carbon.2013.05.057
17. Park HB, Lee SY, Lee YM. Pyrolytic carbon membranes containing silica: morphological approach on gas transport behavior. Journal of Molecular Structure. 2005;739(1-3):179-190. DOI:10.1016/j.molstruc.2004.08.028
18. Tena A, Rangou S, Shishatskiy S. Method of producing a thermally rearranged PBX, thermally rearranged PBX and membrane. United States patent 10,301,431. 28 May 2019.
19. Koros WJ, Zhang C. Ultra-selective carbon molecular sieve membranes and methods of making. United States patent. 15/170,529. 27 July 2016.
20. Bhave RR, Linneen NN. Carbon molecular sieve membrane for gas separations. United States patent 10758873 B2. 1 September 2020.
21. Hamm JBS, Ambrosi A, Griebeler JG, Marcilio NR, et al. Recent advances in the development of supported carbon membranes for gas separation. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42(39):24830-24845. DOI:10.1016/j.ijhydene.2017.08.071
22. Amirkhanov DM, Alekseeva OK, Kotenko AA, Kruchinina EV, et al. Analysis of the current state of processes for obtaining composite carbon gas-selective membranes formed under conditions of controlled carbonization of polymers. Membrani. 2006;4(32):19-39. (In Russ.)
23. Saufi SM, Ismail AF. Fabrication of carbon membranes for gas separation – a review. Carbon. 2004;42(2):241-259. DOI:10.1016/j.carbon.2003.10.022
24. Lei L, Pan F, Lindbråthen A, Zhang X, et al. Carbon hollow fiber membranes for a molecular sieve with precise-cutoff ultramicropores for superior hydrogen separation. Nature Communications. 2021;12(1):268. DOI:10.1038/s41467-020-20628-9
25. Zhang C, Kumar R, Koros WJ. Ultra-thin skin carbon hollow fiber membranes for sustainable molecular separations. AIChE Journal. 2019;65(8):e16611. DOI:10.1002/aic.16611
26. Haider S, Lie J, Lindbråthen A, Hägg M-B. Pilot–scale production of carbon hollow fiber membranes from regenerated cellulose precursor-part II: carbonization procedure. Membranes. 2018;8(4):97. DOI:10.3390/membranes8040097
27. Ghorpade RV, Lee S, Hong SC. Effect of different itaconic acid contents of poly(acrylonitrile-coitaconic acid)s on their carbonization behaviors at elevated temperatures. Polymer Degradation and Stability. 2020; 181:109373. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2020.109373
28. Wu S, Gao A, Wang Y, Xu L. Modification of polyacrylonitrile stabilized fibers via post-thermal treatment in nitrogen prior to carbonization and its effect on the structure of carbon fibers. Journal of Materials Science. 2018;53(11):8627-8638. DOI:10.1007/s10853-017-1894-8
29. Gutmann P, Moosburger-Will J, Kurt S, Xu Y, et al. Carbonization of polyacrylonitrile-based fibers under defined tensile load: influence on shrinkage behavior, microstructure, and mechanical properties. Polymer Degradation and Stability. 2019;163:174-184. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2019.03.007
30. Saha B, Schatz GC. Carbonization in polyacrylonitrile (PAN) based carbon fibers studied by ReaxFF molecular dynamics simulations. The Journal of Physical Chemistry B. 2012;116(15):4684-4692. DOI:10.1021/jp300581b
31. Yushkin AA, Efimov MN, Vasilev AA, Bogdanova YuG, et al. Modification of polyacrylonitrile membranes by incoherent IR radiation. Petroleum Chemistry. 2017;57(4):341-346. DOI:10.1134/S0965544117040089
32. Yushkin AA, Efimov MN, Vasil’ev AA, Ivanov VI, et al. Effect of IR radiation on the properties of polyacrylonitrile and membranes on its basis. Polymer Science, Series A. 2017;59(6):880-890. DOI:10.1134/S0965545X17060104
33. Lee WH, Bae JY, Yushkin A, Efimov M, et al. Energy and time efficient infrared (IR) irradiation treatment for preparing thermally rearranged (TR) and carbon molecular sieve (CMS) membranes for gas separation. Journal of Membrane Science. 2020;613: 118477. DOI:10.1016/j.memsci.2020.118477
34. Renschler CL, Sylwester AP, Salgado LV. Carbon films from polyacrylonitrile. Journal of Materials Research. 1989;4(2):452-457. DOI:10.1557/JMR.1989.0452
35. Chernikova EV, Poteryaeva ZA, Shlyakhtin AV, Prokopov NI, et al. Effects of synthesis conditions and the mechanism of homopolymerization of acrylonitrile on the thermal behavior of the resulting polymer. Polymer Science Series B. 2013;55(1-2):1-13. DOI:10.1134/S1560090412110012
36. Yushkin AA, Efimov MN, Malakhov AO, Karpacheva GP, et al. Creation of highly stable porous polyacrylonitrile membranes using infrared heating. Reactive and Functional Polymers. 2021;158:104793. DOI:10.1016/j.reactfunctpolym.2020.104793
37. Devasia R, Nair CPR, Sadhana R, Babu NS, et al. Fourier transform infrared and wide-angle X-ray diffraction studies of the thermal cyclization reactions of high-molar-mass poly(acrylonitrile-co-itaconic acid). Journal of Applied Polymer Science. 2006;100(4):3055-3062. DOI:10.1002/app.23705
38. Matveev D, Vasilevsky V, Volkov V, Plisko T, et al. Fabrication of ultrafiltration membranes from nontoxic solvent dimethylsulfoxide: benchmarking of commercially available acrylonitrile co-polymers. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2022;10(1): 107061. DOI:10.1016/j.jece.2021.107061
39. Ju A, Guang S, Xu H. Effect of comonomer structure on the stabilization and spinnability of polyacrylonitrile copolymers. Carbon. 2013;54:323-335. DOI:10.1016/j.carbon.2012.11.044
40. Ouyang Q, Cheng L, Wang H, Li K. Mechanism and kinetics of the stabilization reactions of itaconic acidmodified polyacrylonitrile. Polymer Degradation and Stability. 2008;93(8):1415-1421. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2008.05.021
41. McKelvey S. Phase separation, vitrification, and the manifestation of macrovoids in polymeric asymmetric membranes. Journal of Membrane Science. 1996;112(1): 29-39. DOI:10.1016/0376-7388(95)00197-2
42. Bildyukevich AV, Hliavitskaya TA, Nevar TN. Influence of spinning modes on the structure and properties of polyethersulfone hollow-fiber ultrafiltration membrane. Membranes and Membrane Technologies. 2022;4(4):195-205. DOI:10.1134/S2517751622040023
43. Bildyukevich AV, Plisko TV, Usosky VV. The formation of polysulfone hollow fiber membranes by the free fall spinning method. Petroleum Chemistry. 2016;56(5):379-400. DOI:10.1134/S0965544116050042
44. Kujawski W, Adamczak P, Narebska A. A fully automated system for the determination of pore size distribution in microfiltration and ultrafiltration membranes. Separation Science and Technology. 1989;24(7-8):495-506. DOI:10.1080/01496398908049787 45. Faraji S, Yardim MF, Can DS, Sarac AS.
45. Characterization of polyacrylonitrile, poly(acrylonitrile-covinyl acetate), and poly(acrylonitrile-co-itaconic acid) based activated carbon nanofibers. Journal of Applied Polymer Science. 2017;134(2):app.44381. DOI:10.1002/app.44381
46. Araújo T, Parnell AJ, Bernardo G, Mendes A. Cellulose-based carbon membranes for gas separations – unraveling structural parameters and surface chemistry for superior separation performance. Carbon. 2023;204:398-410. DOI:10.1016/j.carbon.2022.12.062
47. Yushkin AA, Balynin AV, Nebesskaya AP, Chernikova EV, et al. Acrylonitrile-acrylic acid copolymer ultrafiltration membranes for selective asphaltene removal from crude oil. Membranes. 2023;13(9):775. DOI:10.3390membranes13090775
48. Kim D, Kwon Y, Lee J-H, Kim S-J, et al. Tailoring the stabilization and pyrolysis processes of carbon molecular sieve membrane derived from polyacrylonitrile for ethylene/ethane separation. Membranes. 2022;12(1):93. DOI:10.3390/membranes12010093
49. Hameed N, Sharp J, Nunna S, Creighton C, et al. Structural transformation of polyacrylonitrile fibers during stabilization and low temperature carbonization. Polymer Degradation and Stability. 2016;128:39-45. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2016.02.029
Рецензия
Для цитирования:
Яскевич А.Л., Глевицкая Т.А., Юшкин А.А., Праценко С.А., Назаров Е.А., Ефимов М.Н., Муратов Д.Г., Плиско Т.В., Бильдюкевич А.В. Получение углеродных мембран из полиакрилонитрильных полых волокон методом ИК-пиролиза. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2024;9(3):188-206. https://doi.org/10.17277/jamt.2024.03.pp.188-206
For citation:
Yaskevich A.L., Hliavitskaya T.A., Yushkin A.A., Pratsenko S.A., Nazarov E.A., Efimov M.N., Muratov D.G., Plisko T.V., Bildyukevich A.V. Production of carbon membranes from porous polyacrylonitrile hollow fibers via IR pyrolysis. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2024;9(3):188-206. https://doi.org/10.17277/jamt.2024.03.pp.188-206
JATS XML















