ИСТИНА

Известно, что растворители под высоким давлением, например, такие как сверхкритический диоксид углерода (СК СО2), являются удобным инструментом при создании и модификации пористых сред. Преимущества СК СО2 в подобных процессах обусловлены его уникальными свойствами: способностью сорбироваться до высоких степеней набухания многими полимерами, абсолютной смачивающей способностью по отношению к пористым структурам (в том числе неорганическим), не ограниченной эффектами поверхностного натяжения, и полным самопроизвольным уходом из матрицы по завершении процесса создания/модификации (импрегнации) — поскольку СО2 является газом при нормальных условиях. Последний аспект — решение проблемы остаточного растворителя — весьма важен для приложений, требующих высокой степени чистоты получаемых новых материалов, таких, как электрохимические, а также биомедицинские. Создание недорогих полимерных материалов, обладающих высокой протонной проводимостью и в то же время непроницаемых для других катионов, является актуальной задачей, например, в разработке мембран для электрохимических приложений. Такие материалы крайне востребованы, в том числе, при создании проточных окислительно-осстановительных батарей, где одной из острых проблем является кроссовер электроактивных катионов через мембрану и, как следствие, потеря части заряда батареей и сопутствующее снижение энергоэффективности в цикле заряд-разряд. Для решения этой проблемы мы разрабатываем селективные пористые полимерные матрицы, которые, с одной стороны, могли бы удерживать жидкий или твердый (в том числе полимерный) электролит в порах, а с другой, являться эффективным барьером для крупных катионов (особенно при использовании композитов), как за счет малого размера пор, так и за счет электростатического отталкивания (при использовании полиэлектролитов в качестве основы мембраны или функциональной добавки). Причем, для создания и модификации пористых сред, а также создания на их основе композитов, весьма перспективными нам представляются в целом применяемые нами подходы, связанные с использованием сред вблизи критической точки, в том числе в сверхкритической области, таких как СК СО2. Использование добавляемых к СК СО2 сорастворителей в нашей практике существенно расширяет арсенал исследователя. В рамках текущего проекта РНФ нами исследуются способы создания пор в полимерных матрицах различной природы (полибензимидазолы, полиолефины и др.) путем их экспозиции в сверхкритической среде с последующей быстрой декомпрессией, в результате которой происходит фазовое разделение в системе, сопровождающееся нуклеацией и ростом полостей с газовой фазой в толще полимера. В частности, удается получать пористые полимерные мембраны с размерами пор порядка единиц/десятков нм путем выдерживания полимеров и полимерных композитов в среде сверхкритического СО2 (при повышенных давлении и температуре) и последующей контролируемой декомпрессии. Композитные материалы удается эффективно получать импрегнацией полимерных матриц растворами прекурсоров в СК СО2. С другой стороны, растворы в СК СО2 используются нами для контролируемой импрегнации и модификации и неорганических высокопористых материалов. В частности, важной электрохимической задачей является создание частично гидрофобизованного газодиффузионного электрода. Традиционно эта задача решается привнесением фторполимеров, таких как Тефлон, в структуру электрода, например, пористую матрицу углеродного тканого или нетканого материала. К сожалению, обычный Тефлон нерастворим без деструкции в технологически приемлемых растворителях. С другой стороны существует растворимый в СК СО2 аморфный сополимер на основе политетрафторэтилена Тефлон АФ 2400. В рамках работ первого этапа мы провели систематические исследования получаемых методом привнесения из растворов в СК СО2 покрытий Тефлон АФ 2400 на углеродную ткань, которая может служить функциональной основой улучшенного электрода полимерсодержащего топливного элемента. Нами исследовались электрические и геометрические характеристики покрытий, был проанализирован их элементный состав и стабильность. В результате исследований было доказано, что сверхкритический диоксид углерода, действительно, в силу своих необычных свойств, позволяет проникать наносимому фторполимеру однородно вглубь ткани и образовывать равномерное покрытие вокруг отдельных индивидуальных волокон углеродной ткани. Результаты проведенных исследований позволяют также установить оптимальные пределы варьирования загрузки фторполимера Тефлон АФ 2400 при использовании описанного метода для изготовления газодиффузионных слоев полимерсодержащих топливных элементов: полимерэлектролитных, щелочных и фосфорнокислотных, а также положительного электрода литий-воздушных аккумуляторов.