3. Результаты эксперимента и их обсуждение

Стремление добиться более равномерного распределения зарядов и лучших электрохимических свойств привело к созданию катионобменных мембран «Поликон К», для которых в качестве армирующей системы служила ткань на основе новолачных фенолформальдегидных (НФФ) волокон, а в качестве связующего – сульфофенолкатионит резольного типа.

При поликонденсационном способе получения мембран одной из начальных стадий изготовления является пропитка армирующей волокнистой основы. Критерием эффективности пропитки является равномерность и достаточность распределения полимерного катионообменного связующего по поверхности и в объеме волокнистого наполнителя. При этом необходимо учитывать, что выбор параметров процесса зависит не только от типа наполнителя, но и соотношения в системе волокнистая основа - матрица.

Для достижения высоких характеристик готовых материалов необходимо не только подбор активного наполнителя, но и соотношения в системе волокнистая основа – матрица при котором максимально реализуются физико-химические свойства готовых материалов.

Таблица 1

Физико-химические характеристики мембран “Поликон К”

Показатель	Соотношение компонентов волокно : матрица, %
	70:30	60:40	50:50	40:60	30:70
Статическая обменная емкость, мг-экв/г	3,0	3,2	3,4	3,8	3,9
Влагосодержание, %	44	46	51	58	58
Равномерность распределения компонентов	Неравномерное распределение компонентов	Равномерно	Равномерно	Равномерно	удаление избытка связующего в процессе изготовления

В результате проведенных исследований (табл. 1) показано, что возможность введения армирующей ткани в матрицу имеет ограничения и составляет от 40 до 60 % по массе. При введении армирующей ткани более 60% наблюдается неравномерность распределения связующего по поверхности, образование участков ткани с недостатком пропиточного состава, что отрицательно сказывается на свойствах материалов (снижается обменная ёмкость, функциональные характеристики, расслоение при эксплуатации). А при соотношении волокно : матрица - 30:70 связующее не удержится в структуре ткани и его не поглощенная часть удаляется из системы в виде капель, при этом достигаются высокие показатели, но с экономической и экологической точки зрения не обоснован расход сырья. Проведенные исследования показывают целесообразность использования при синтезе соотношения волокно : матрица - 40 : 60, которое обеспечивает достижение статической обменной емкости 3.8 мг-экв/г, монолитную структуру, высокие функциональные показатели.

Для дальнейших исследований использовали материалы “Поликон К”, синтезированные при соотношении компонентов волокно : катионообменное связующее - 40:60.

О протекании процесса диффузии мономеров при изготовления мембран в структуру волокон армирующей ткани судить по данным растровой электронной микроскопии (рис. 1).

Показано, что волокна имеют однородное поперечное сечение с равномерным распределением связующего. При пропитке происходит диффузия молекул мономеров в волокно практически по всему поперечному сечению. Синтез и отверждение полимерного связующего осуществляются по-разному в ядре, оболочке и на поверхности волокна в зависимости от плотности, доступности и активности функциональных групп макромолекул волокна. При пропитке происходит диффузия молекул мономеров в волокно практически по всему поперечному сечению. Синтез и отверждение полимерного связующего в последующих операциях осуществляется по-разному в ядре, оболочке и на поверхности волокна в зависимости от доступности и активности к взаимодействию функциональных групп макромолекул волокна. В результате формируется сложная структура - полиструктура. Такая структура обеспечивает повышенную устойчивость материала к механическим воздействиям.

Синтез полимерного связующего из мономеров в тонких слоях волокна резко ускоряется. При этом степень конверсии возрастает на 40% за счет того что ткань приобретает ионообменные свойства.

а	б

Рис. 1 Микрофотография структуры: а – волокна армирующей ткани; б - поперечного среза материала «Поликон» на основе несульфированного НФФ волокна, где 1 – волокно, 2 – ионообменная матрица.

Показано, что при поликонденсационном способе формируется сложная структура – полиструктура, состоящая как из самого волокна, так диффундировавшего ионообменного связующего с градиентом распределения последнего. Во-вторых, получаемый композиционный материал имеет значительно большее количество сульфогрупп, выступающих в роли зарядов, и противоионов, находящихся не только в структуре ионообменной матрицы, как это имеет место в промышленных мембранах, но и на границе раздела фаз волокно/матрица, а также непосредственно в структуре волокон армирующей ткани.

Было изучено влияние химической природы и структурных особенностей волокнистой подложки на кинетику и термодинамику процессов методом дифференциально-сканирующей калориметрии (рис. 2).

О тмечено, что у материалов, модифицированных ультрадисперсными добавками, меняется характер тепловыделения, оно становится менее мощным, особенно это ярко выражено на Fe, по сравнению с немодифицированным «Поликон К», обладающим разветвленной, более сшитой трёхмерной структуры.

Рис. 2 Данные скорости кинетики процесса синтеза и отверждения:

1-НФФ+ ПС 2- НФФ+ПС+ Ni 3- НФФ+ПC+ Fe

а

б

в

Рисунок 3 – Аппроксимация гауссовскими пиками экспериментальных данных, полученных дифференциальной сканирующей калориметрией материалов «Поликон К» с ультрадисперсными добавками:

а – 0 % ультрадисперсных добавок; б – 1,5 % Fe; в – 1,5% Ni

Таблица 2

Влияние волокнистого наполнителя на формирование полимерной матрицы материалов “Поликон К”

Волокнистые наполнители, обработанные мономеризационным составом сульфокатионита	Синтез и отверждение	ΔН, Дж/г
	ТН-ТК ТМАХ, 0C
НФФ волокно+ мономеризационный состав	58-89 84	113.9
НФФ волокно+ мономеризационный состав + Cu	57-89 83	105.8
НФФ+волокно+мономеризационный состав+Fe	60-89 84	89.9
НФФ+волокно+мономеризационный состав+Ni	60-89 84	110.4
НФФ+волокно+мономеризационный состав+Si	60-88 83	107.4