Получение волокон на основе полиакрилонитрила с добавлением наночастиц магнетита

Представлены результаты экспериментов по получению композиционных волокон на основе полиакрилонитрила (ПАН) и магнетита. Для этого были синтезированы наночастицы магнетита методом химической конденсации из растворов хлорида железа (III) с концентрацией 0,32 моль/л и сульфата железа с концентрацией 0,2 моль/л путем постепенного добавления 25 %-ного водного раствора аммиака. Показано, что простым методом осаждения можно синтезировать однородные наночастицы магнетита Fe₃O₄ с размерами частиц 8–25 нм, что подтверждено результатами рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии. Наночастицы магнетита были использованы затем для получения композиционных волокон ПАН/Fe₃O₄ путем добавления магнетита в 7 мас.%-ный раствор ПАН в диметилформамиде. Из суспензии ПАН/Fe₃O₄ в диметилформамиде методом электроспиннинга были получены волокна. По результатам сканирующей электронной микроскопии наночастицы магнетита равномерно распределены по поверхности волокон, при этом размер волокон составляет 288–658 нм. Сравнением волокон ПАН без добавления магнетита и ПАН/Fe₃O₄-волокон установлено, что добавление магнетита приводит к снижению диаметра волокон при одинаковых концентрациях полимера и условиях проведения процесса электроспиннинга. Согласно рентгенофазовому и элементному анализам волокон ПАН/Fe₃O₄, частицы магнетита в составе волокон не изменили свой химический состав и представляют собой однофазный магнетит в среде полимерной матрицы. Результаты проведенных исследований показывают возможность получения композиционных волокон на основе магнетита методом электроспиннинга. Полученные композиционные волокна могут представлять интерес для применения в различных практических областях науки и техники.

1. Wu K., Su D., Liu J., Saha R., Wang J.-P. Magnetic nanoparticles in nanomedicine: A review of recent advances. Nanotechnology. 2019. Vol. 30 (50). Рaper 502003. DOI: 10.1088/1361-6528/ab4241.

2. Mylkie K., Nowak P., Rybczynski P., Ziegler-Borowska M. Polymer-coated magnetite nanoparticles for protein immobilization. Materials. 2021. Vol. 14 (2). Paper 248. DOI: 10.3390/ma14020248.

3. Mikhailov Yu.M., Aleshin V.V., Zhemchugova L.V., Kovalev D.Yu. Transformations of iron (III) precursors in a wave of flameless RDX combustion. Int. J. SHS. 2018. Vol. 27. P. 162—166. DOI: 10.3103/S106138621803007X.

4. Arévalo-Cid P., Isasi J., Martín-Hernández F. Comparative study of core—shell nanostructures based on amino-functionalized Fe3O4/SiO2 and CoFe2O4/SiO2 nanocomposites. J. Alloys Compd. 2018. Vol. 766. No. 25. P. 609—618. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.06.246.

5. Katz E. Synthesis, properties and applications of magnetic nanoparticles and nanowires — a brief introduction. Magnetochemistry. 2019. Vol. 5 (4). Paper 61. DOI: 10.3390/magnetochemistry5040061.

6. Evdokimov S.I., Pan’shin A.M., Kanashvili M.Zh. Magnetic fluid: new technology. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2008. Vol. 49. No. 2. P. 78—81. DOI: 10.3103/S1067821208020028.

7. Han Ch., Cai W., Tang W., Wang G., Liang Ch. Protein assisted hydrothermal synthesis of ultrafine magnetite nanoparticle built-porous oriented fibers and their structurally enhanced adsorption to toxic chemicals in solution. J. Mater. Chem. 2011. Vol. 21. No. 30. P. 11188—11196. DOI: 10.1039/C1JM11048A.

8. Wang B., Sun Y., Wang H. Preparation and properties of electrospun PAN/Fe3O4 magnetic nanofibers. J. Appl. Polymer Sci. 2010. Vol. 115. P. 1781—1786. DOI 10.1002/app.31288.

9. Fokin N., Grothe T., Mamun A., Trabelsi M., Klöcker M., Sabantina L., Döpke Ch., Blachowicz T., Hütten A., Ehrmann A. Magnetic properties of electrospun magnetic nanofiber mats after stabilization and carbonization. Materials. 2020. Vol. 13 (7). Paper 1552. DOI: 10.3390/ma13071552.

10. Zhu J., Wei S., Rutman D., Haldolaarachchige N., Young D.P., Guo Zh. Magnetic polyacrylonitrile—Fe/FeO nanocomposite fibers — electrospinning, stabilization and carbonization. Polymer. 2011. Vol. 52. P. 2947—2955. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.04.034.

11. Storck J.L., Grothe T., Mamun A., Sabantina L., Klöcker M., Blachowicz T., Ehrmann A. Orientation of electrospun magnetic nanofibers near conductive areas. Materials. 2020. Vol. 13 (1). Paper 47. DOI:10.3390/ma13010047.

12. Liu G.-L., Zhang Y.-M., Tian D., Zhou B.-Z., Lu Zh.—Q., Wang Ch.-X. Last patents on bubble electrospinning. Recent Pat. Nanotechnol. 2020. Vol. 14. Iss. 1. P. 5—9. DOI: 10.2174/1872210513666191107123446.

13. Furlan D.M., Morgado D.L., Oliveira J.A., Faceto A.D., Moraes D.A., Varanda L.C., Frollini E. Sisal cellulose and magnetite nanoparticles: formation and properties of magnetic hybrid films. J. Mater. Res. Technol2019. Vol. 8. No. 2. P. 2170—217. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.02.005.

14. Xia S., Song L., Hohn N., Wang K., Grott S., Opel M., Schwartzkopf M., Roth S.V., Müller-Buschbaum P. Spraycoating magnetic thin hybrid films of PS—b—PNIPAM and magnetite nanoparticles. Adv. Funct. Mater. 2019. Paper 1808427. DOI: 10.1002/adfm.201808427.

15. Ganonyan N., He J., Temkin A., Felner I., Gvish R., Avnir D. Ultralight monolithic magnetite aerogel. Appl. Mater. Today. 2021. Vol. 22. Paper 100955. DOI: 10.1016/j.apmt.2021.100955.

16. Raju R.R., Liebig F., Klemke B., Koetz J. Ultralight magnetic aerogels from Janus emulsions. RSC Adv. 2020 Vol. 10. No. 13. P. 7492—7499. DOI: 10.1039/c9ra10247g.

17. Костишин В.Г., Остафийчук Б.К., Мокляк В.В., Нуриев А.В. Мессбауэровские исследования магнитных полимерных нанокомпозитов на основе магнетита и поливинилового спирта. Матер. электрон. техники. 2013. No. 4. С. 22—29. DOI: 10.17073/1609-3577-2013-4-22-29.

18. Lesbayev A.B., Elouadi B., Borbotko T.V., Manakov S.M., Smagulova G.T., Boiprav O.V., Prikhodko N.G. Influence of magnetite nanoparticles on mechanical and shielding properties of concrete. Euras. Chem.-Technol. J. 2017. Vol. 19. P. 223—229. DOI: 10.18321/ectj666.

19. Lesbayev A.B., Elouadi B., Lesbayev B.T., Manakov S.M., Smagulova G.T., Prikhodko N.G. Obtaining of magnetic polymeric fibers with additives of magnetite nanoparticle. Proc. Manufact. 2017. Vol. 12. P. 28—32. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.08.005.

20. Mansurov Z.A. Recent achievements and future challenges in nanoscience and nanotechnology. Euras. Chem.- Technol. J. 2020. Vol. 22. P. 241—253. DOI: 10.18321/ectj994.

21. JCPDS Card 03-065-3107. International Centre for Diffraction Data: PA, USA, Newtown Square.

22. Taufiq A., Jannah M.A., Hidayat A., Hidayat N., Mufti N., Susanto M., Susanto H. Structural and magnetic behaviors of magnetite/polyvinyl alcohol composite nanofibers. Mater. Sci. Eng. 2019. Vol. 515. Paper 012081. DOI: 10.1088/1757-899X/515/1/012081.

23. Gan Y.X., Yu Ch., Panahi N., Gan J.B., Cheng W. Processing iron oxide nanoparticle-loaded composite carbon fiber and the photosensitivity characterization. Fibers. 2019. Vol. 7 (3). Paper 25. DOI: 10.3390/fib7030025.

24. Blachowicz T., Ehrmann A. Most recent developments in electrospun magnetic nanofibers: A review. J. Eng. Fibers and Fabrics. 2020. Vol. 15. P. 1—14. DOI: 10.1177/1558925019900843.