Σύνθεση προηγμένων πολυμερών και διεργασίες/τροποποιήσεις σύνθετων υλικών με βάση τον άνθρακα

Abstract

H διατριβή επικεντρώνεται στη σύνθεση πρόδρομων ενώσεων ινών άνθρακα (Carbon Fibers - CF) με βάση πρώτες ύλες χαμηλού κόστους και όσο το δυνατόν πιο φιλικές στο περιβάλλον. Αποσκοπεί στην ενσωμάτωση επιθυμητών χαρακτηριστικών χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την απόδοση, την ποιότητα, τη λειτουργικότητα και την ωφέλιμη ζωή του τελικού προϊόντος, με στόχο την ελαχιστοποίηση των επιβλαβών επιπτώσεων των διάφορων ενώσεων στην ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον, επιλέγοντας οικολογικά υλικά ή πρακτικές σύνθεσης και χρησιμοποιώντας λιγότερους φυσικούς πόρους. Μέσα σε αυτά τα πλαίσια, έγινε προσπάθεια αξιοποίησης της λιγνίνης, ενός φυσικού πολυμερούς, που βρίσκεται σε αφθονία στη φύση. Έτσι, πραγματοποιείται σύνθεση πρόδρομων ενώσεων ινών άνθρακα μέσω κλασικού ριζικού πολυμερισμού και οργανικών αντιδράσεων με βάση τη λιγνίνη, βασικό παραπροϊόν της χαρτοβιομηχανίας. H λιγνίνη είναι βιοπολυμερές που συναντάται στο ξύλο και είναι ένα από τα βασικά συστατικά που του προσδίδει αντοχή. Μέχρι σήμερα χρησιμοποιείται ευρέως, κυρίως για καύση προς παραγωγή ενέργειας. Στην προσπάθεια εύρεσης νέων οικολογικών πρώτων υλών εξετάζεται τα τελευταία χρόνια η χρήση της λιγνίνης ως πρόδρομη ένωση CF με σκοπό την αύξηση της προστιθέμενής της αξίας. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα της λιγνίνης, που την καθιστούν πολλά υποσχόμενη πρόδρομη ένωση για CF είναι α) το υψηλό ποσοστό σε άνθρακα (60%) που διαθέτουν τα μακρομόριά της, λόγω των φαινυλοπροπανικών ομάδων και β) ότι αποτελεί μια πολύ οικονομική, ανανεώσιμη και εύκολα διαθέσιμη από την φύση πρώτη ύλη. Παρόλα αυτά, αρκετά μειονεκτήματα της λιγνίνης που οφείλονται στα αρχικά στάδια της απομόνωσής της, επηρεάζουν τη διαδικασία ινοποίησης και τη σταθεροποίησή της στη συνέχεια. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να παρουσιάσει διαφορετικές πορείες για βελτίωση της παραγωγής πρόδρομων ινών άνθρακα, χρησιμοποιώντας εναλλακτικές πρόδρομες ενώσεις και κατάλληλη ρύθμιση των διεργασιών (π.χ. σταθεροποίηση). Αυτή η μελέτη έχει ως σκοπό να εισάγει τη λιγνίνη ως αποτελεσματικό πρόδρομο ινών άνθρακα, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και αυξάνοντας τον όγκο της. Κυρίως όμως εστιάζει στη διεξαγωγή πρωτοπόρων διαδικασιών με γραμμές ροής και βελτιωμένο έλεγχο μέσω μιας μονάδας για πιλοτική συνεχή παραγωγή πολυμερικών ινών. Στην παρούσα εργασία, ίνες λιγνίνης-πολυμερών με διαμέτρους της τάξης των μm συντίθενται επιτυχώς μέσω ξηρής ινοποίησης και ινοποίησης τήγματος. Η ξηρή ινοποίηση (dry spinning) είναι η διαδικασία δημιουργίας ινών που μετατρέπει ένα διάλυμα πολυμερούς με υψηλή τάση ατμών σε μία στερεή ίνα με ελεγχόμενη εξάτμιση διαλύτη στη γραμμή ινοποίησης. Σε αυτή την εργασία, συντίθενται διαφορετικοί τύποι πολυμερικών ινών μέσω της ξηρής ινοποίησης. Αυτές οι ίνες χαρακτηρίζονται με ποικίλες τεχνικές χαρακτηρισμού. Όμως, σε αυτή τη μελέτη χρησιμοποιείται κυρίως η μέθοδος της ινοποίησης τήγματος (melt spinning), η οποία είναι και η πλέον αποτελεσματική για συνεχή παραγωγή πολυμερικών ινών. Η ινοποίηση τήγματος είναι η διαδικασία παραγωγής ινών κατά την οποία από στερεά υλικά δημιουργείται ένα ρευστό πολυμερικό τήγμα το οποίο εκβάλλεται από τη μήτρα εκβολής, συνήθως με κυλινδρικό στόμιο, και ακολούθως έρχεται σε επαφή με μικρούς κυλίνδρους έλασης, όπου ελάσσεται, επιμηκύνεται και οδεύει προς περιτύλιξη. Σε αυτό το στάδιο δοκιμάζονται ποικίλες συνθέσεις έτσι ώστε να διερευνηθεί η παραγωγή ενός σύνθετου υλικού που να περιέχει λιγνίνη και το οποίο να είναι ταυτόχρονα ινοποιήσιμο και ικανοποιητικά κατεργάσιμο σε επόμενα στάδια. Στη συνέχεια ελέγχεται η σταθεροποίηση και ανθρακοποίηση χρησιμοποιώντας ποικίλες μεθόδους, θερμικές και χημικές, όπως για παράδειγμα θερμική οξειδωτική σταθεροποίηση, θερμική σταθεροποίηση σε αδρανή ατμόσφαιρα, και χημική σταθεροποίηση – σουλφονίωση. Έπειτα εξετάζεται η δύναμη εφελκυσμού των παραχθέντων ινών, κατασκευάζοντας κατάλληλα σύνθετα ρητίνης – πολυμερικών ινών σύμφωνα με συγκεκριμένο πρότυπο (dog-bones). Τα δοκίμια αυτά υποβάλλονται σε δοκιμές εφελκυσμού και έτσι υπολογίζεται η δύναμη εφελκυσμού, ενώ συγκρίνονται τα μέτρα ελαστικότητας μεταξύ των διαφορετικών ινών, ώστε να βγει συμπέρασμα σχετικά με το πως συνδέεται η χημική σύνθεση της ίνας και οι μηχανικές της ιδιότητες. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι μηχανικές ιδιότητες αυτών των συνθέτων αποδείχθηκαν της ίδιας τάξης μεγέθους ή και καλύτερες από την πλειοψηφία των συνθέτων φυτικών ινών, σύμφωνα με τη βιβλιογραφία. Ακόμα, ερευνάται η ηλεκτροχημική τροποποίηση εμπορικών ινών άνθρακα (ηλεκτροχημική οξείδωση), όπως επίσης γίνονται και ορισμένα πειράματα ηλεκτροπολυμερισμού μεθακρυλικού οξέος στην επιφάνεια των ινών και διερεύνηση της επίδρασης αυτών των τεχνικών στις μηχανικές τους ιδιότητες.