Регенеративный патрон на основе пероксо-модифицированного нано-TiO2

Актуальность

Количество пожаров стало меньше, но они стали смертоноснее из-за всё возрастающей суммарной токсичности продуктов горения. Это вынуждает газодымзащитников носить крайне тяжёлое снаряжение. Для уменьшения веса снаряжения, носимого сотрудниками экстренных оперативных служб, ЭОС (~30 кг + СИЗОД ~20 кг), мы придумали заменить металлические толстостенные баллоны со сжатым воздухом принципиально более лёгким регенеративным патроном. Но для этого надо было решить проблему взрывоопасности. Мы предположили, что в этом помогут  пероксокомплексы Ti(IV), которые принципиально более устойчивы, чем пероксиды щелочных металлов (не являющиеся координационными соединениями), а значит невзрывоопасны, вследствие чего можно попробовать использовать их в  регенеративном патроне на службе у профессионалов (что позволит заменить их тяжёлый баллон). А для быстрой дестабилизации понадобился нано-MnO₂.

Цель

Создать и первично проверить работоспособность нового пожаро- и взрывобезопасного регенеративного патрона на основе пероксокомплексов Ti(IV) в матрице нано-TiO₂ в полиакрилатном гидрогеле (с нано-MnO₂, катализирующим их разложение при работе).

Задачи

1. Создать 3D-модель корпуса патрона по прототипу и распечатать его из ПЛА.

2. Синтезировать серию золей нано-[TiO_x(O₂)_2–x(H₂O)_m].

3. Синтезировать по двум методикам катализатор – нано-MnO₂.

4. Изучить оптические свойства нано-[TiO_x(O₂)_2–x(H₂O)_m] методом электронной спектроскопии поглощения.

5. Изучить морфологию образцов методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).

6. Доказать, что при «активации» [TiO_x(O₂)_2–x(H₂O)_m] выделяется О₂ и связывается СО₂.

7. Определить «удельный объём выделяемого кислорода» для всех образцов.

8. Разработать способ постепенной контролируемой деструкции нано-[TiO_x(O₂)_2–x(H₂O)_m].

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• 3D-принтер Felix
• Спектрофотометр ПЭ-5400УФ
• Центрифуга-вортекс ELME LV-1006
• Весы CAS ХE-300
• Мешалка магнитная ЭКРОС
• Сканирующий зондовый микроскоп Phywe Compact
• Мультидатчик Releon Point Хим-1 с температурным датчиком и датчиком рН
• Капсулы с буфером Micro Essential Lab Hydrion ™
• Датчики объёма газа, содержания O₂, содержания CO₂; датчик O₂ (Vernier)

Описание

Сначала по прототипу («самоспас» для гражданского населения) создали макет корпуса регенеративного патрона и, распечатав его на 3D-принтере, внесли первое усовершенствование, заменив материал: металл (в прототипе) на биоразлагаемый, однако устойчивый к действию кислот, полилактид (ПЛА).

Далее синтезировали основной состав: пероксокомплексы Ti(IV) в матрице нано-TiO₂ в полиакрилатном гидрогеле; при этом установили, что наличие серной кислоты (эквимолярной нашему золю) увеличивает необходимую для золь-гель-перехода массовую долю полиакрилата натрия до 5,5%, а наличие пероксокомплексы Ti(IV) – до 9%.

Далее синтезировали нано-MnO₂ в воде и в изопропаноле.

По электронным спектрам поглощения золей TiO(O₂), опираясь также на литературные данные, подтвердили дестабилизацию пероксогрупп при подщелачивании.

С помощью СЗМ убедились в наноструктурированности всех полученных образцов, а также обнаружили, что вторая методика синтеза нано-MnO₂ (в изопропаноле) удачнее.

С помощью вышеперечисленных датчиковых систем «Научные развлечения» доказали почти стехиометрическое протекание реакции между пероксогруппами и углекислым газом, а также нашли инструмент ступенчатой контролируемой деструкции пероксогрупп – постепенное введение щёлочи после «пуска» катализатором (нано-MnO₂).

Установили, что оболочка желатиновой капсулы разрушается в среде нашего состава (т. е. её содержимое, щёлочь + нано-MnO₂, начинает «работать») через 17 мин.

Произвели окончательную сборку дыхательной системы, интегрировав наш корпус с регенерирующим составом в систему «самоспаса» для обывателей (капюшон, мешок для воздуха, соединительные элементы etc.); данная система была испытана в огневом отсеке.

В ходе дальнейшей оптимизации условий синтеза описанного состава неожиданно обнаружили трёхмерную сшивку полимеров при w(H₂O₂) = 18% с резкой стабилизацией пероксогрупп; изучили влияние TiOSO₄ на скорость этого процесса и рельеф-продукта. 

Результаты работы/выводы

1. Создана 3D-модель корпуса патрона по прототипу.

2. Корпус патрона успешно распечатан из ПЛА.

3. Синтезированы гидрозоли нано-[TiO_x(O₂)_2–x(H₂O)_m] с тремя значениями рН.

4. Установлена массовая доля полиакрилата натрия, необходимая для золь-гель перехода: в присутствии H₂SO₄ (5.4%) и «H₂SO₄+[TiO_x(O₂)_2–x(H₂O)_m]» (9%).

5. По ЭСП показано, что по мере повышения рН среды происходит гипсохромный сдвиг максимума полосы поглощения пероксокомплексов Ti(IV).

6. Методом СЗМ установлено, что все образцы TiO(O₂) и MnO₂ наноразмерны.

7. Доказано, что при эксплуатации нашего опытного экземпляра выделяется О₂.

8. Установлено, что объём О₂, производимого при введении нано-MnO₂ и NaOH, примерно равен максимальному теоретически возможному.

9. Работоспособность устройства проверена в атмосфере пиролизных газов.

10. Определены оптимальные соотношения веществ для изготовления патрона.

11. Впервые обнаружена трёхмерная сшивка полимеров в нашей системе при w(H₂O₂) = 18%, сопровождающаяся резкой стабилизациией пероксогрупп, и изучено влияние c₀(TiOSO₄) на скорость данного процесса и рельеф продукта.

Перспективы использования результатов работы

Доработать использование оболочек капсул и реализовать постепенное введение смеси NaOH и нано-MnO₂ для поддержания равномерной регенерации выдыхаемого воздуха.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

УМЦ ГОиЧС (совместная работа с инструктором В. До)

Награды/достижения

Конференция «Силаэдр»/«Авангард» – призёр; 

Конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» – призёр;

Конкурс социально значимых проектов (МДЮЦ ЭКТ) – лауреат

Мнение автора

«Мы надеемся доработать свой регенеративный патрон до реального широкого применения. Спасибо конференции за положительную экспертную оценку»