Научные основы получения функциональных углеродных материалов из каменноугольного пека и исследование коллоидной структуры пека из каменноугольной смолы.

Данный проект направлен на разработку фундаментальных основ управляемого синтеза углеродных функциональных материалов из каменноугольного пека на основе детального исследования коллоидной структуры пека и регулирования свойств материалов на молекулярном уровне. Наиболее востребованными углеродными материалами являются углеродное моноволокно и игольчатый кокс, получаемые термической обработкой каменноугольного пека. Эти углеродные материалы благодаря своим уникальным свойствам имеют применение в различных областях промышленности: металлургии, машиностроении, химической промышленности, авиационной и ракетно-космической технике, электротехнической промышленности, атомной энергетике, медицине и во многих других отраслях. Востребованность этих материалов обусловлено их особыми физико-химическими, физико-механическими и функциональными свойствами. Однако, до настоящего времени как углеродное волокно, так и игольчатый кокс в Российской федерации не производились из-за отсутствия отечественных технологий для получения таких материалов соответствующих современному мировому уровню по основным показателям. Актуальность решения научной проблемы состоит в том, что в настоящее время вся потребность в игольчатом коксе и в высококачественном углеродном моноволокне удовлетворяется за счет импорта, а каменноугольная смола, являющаяся исходным сырьем, сжигается или за бесценок экспортируется за рубеж. Остро стоит вопрос необходимости организовать производство высокотехнологичных углеродных функциональных материалов в стране на основе отечественных исследований. Каменноугольный пек является наиболее признанным исходным материалом для получения высококачественного углеродного волокна и игольчатого кокса качества «супер премиум» и достижение требуемых мировых показателей возможно только на основе проведения глубоких фундаментальных исследований, которые составят основу передовых технологий. Получение функциональных углеродных материалов на основе процесса карбонизации каменноугольного пека представляет собой сложный комплекс химических реакций образования углеродной мезофазы, включающий выделение в газовую фазу малых молекул (легких компонентов) и их крекинг, пиролиз и конденсацию молекул среднего размера, крекинг и конденсацию макромолекулярных компонентов, а также взаимодействие молекул промежуточных соединений. Углеродная мезофаза представляет собой жидкокристаллическое состояние пека образованного дискообразными нематическими жидкими кристаллами и она обычно образуется при термолизе изотропного расплавленного пека. В ходе непрерывного термолиза жидкие кристаллы упаковываются в сферические образования- сферолиты, которые постепенно увеличиваются в размерах и коалесцируют в объемную фазу с последующим образованием анизотропного кокса мозаичной, струйчатой (ленточный, протяженный), доменной, игольчатой и другие структуры. Объемная анизотропная мезофаза образованная из мезофазных сфер сохраняет текучесть и деформируемость до 770 К. В целом, параметры строения различных исходных пеков соответственно и различных типов мезофазного пека существенно влияют на структуру конечных продуктов карбонизации. При этом, установлено, что трудно предсказать, прогнозировать и достичь ключевых параметров уровня супер-премиум таких наиболее высокотехнологичных углеродных материалов, как углеродное моноволокно и игольчатый кокс, только на основании используемых общих характеристик или макроиндексов пека, как температура размягчения, групповой состав, степень ароматичности и молекулярно-массовое распределение, на которых базировались технологии первого поколения. Решение научной проблемы этого проекта состоит в том, чтобы понять свойства пека от его молекулярного состава до его состояния агрегации , т.е. коллоидной структуры, проанализировать наличие существования различных компонентов в коллоидной структуре и их физические изменения и химические реакции во время термической обработки, а также оценить и определить на молекулярном уровне, можно ли использовать определенный исходный пек и получаемый мезофазный пек в качестве предшественника для приготовления функциональных углеродных материалов с определенными требуемыми показателями (параметрами). Кроме того, необходимо выявить структурную эволюцию матрицы углеродных материалов, полученных из мезофазного пека, изменения их аморфных и графитированных микрокристаллических характеристик в процессе карбонизации. Успех решения поставленной научной проблемы обоснован на высокой научной компетенции участников международного проекта и применения имеющихся у коллективов полного набора современных физико-химических экспериментальных методов исследований. В ФИЦ угля и углехимии СО РАН будут приготовлены три типа образцов каменноугольного пека из смолы от трех производителей и для каждого из них будет выполнен комплекс исследований закономерностей образования коллоидной структуры пека и мезофазы из исходной смолы, всех стадий термохимических превращений пека в ряду первоначальный пек----образование мезофазы----анизотропный пек---сырой кокс--- игольчатый кокс с применением следующих физико-химических методов: термический анализ ДТА/ДТГ с ГХ-МС, ИК-, ЭПР-, ЯМР- , КР-спектроскопия, СЭМ, ПЭМ, РФА, РФА-МУР, EXAFS. Для образцов сырого и конечного игольчатого кокса дополнительно будут исследованы целевые показатели качества: зольность, пористая структура, удельная поверхность, плотность, электропроводность, механическая прочность и КТР. Таким образом новизна проекта состоит том, что впервые будут выполнены исследования структуры коллоидной структуры пека, генезиса и всех стадий термических превращений мезофазного каменноугольного пека для получения высокотехнологичных продуктов углеродного волокна и игольчатого кокса на высоком современном уровне с применением приведенного выше мощного набора физико-химических методов, т.е. сквозной и комплексный подход, современный инструментальный и методический уровень. Важным элементом новизны проекта также является поставленные впервые всей цепочки сравнительных исследований с образцами каменноугольных пеков разного коллоидного состава и структуры от трех разных производителей.