ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА НА ОГНЕ- И ТЕРМОСТОЙКОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НЕНАСЫЩЕННОЙ ПОЛИЭФИРНОЙ СМОЛЫ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 678.06: 691.175.5/.8

Буй Х.Х., Хоанг В.А., Хархуш А. А., Хоанг Т.Х., Юртов Е.В.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА НА ОГНЕ- И ТЕРМОСТОЙКОСТЬ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НЕНАСЫЩЕННОЙ ПОЛИЭФИРНОЙ СМОЛЫ

Буй Хань Хоа, студент 4 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Хоанг Вьет Ань, студент 4 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Хархуш Анмар Аднан, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Хоанг Тхань Хай, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии;

Юртов Евгений Васильевич, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

В настоящей работе были получены огне- и термостойкие композиционные наноматериалы на основе полиэфирных смол. Установлено, что использование наночастиц ZnO в качестве антипиренов способствует снижению скорости горения и увеличению образования коксового остатка наноматериала на основе полиэфирной смолы.

Ключевые слова: композиционные наноматериалы, антипирены, наночастицы оксида цинка, наночастицы, горючесть, термостойкость.

STUDY THE EFFECT OF ZINC OXIDE NANOPARTICLES WITH MELAMINE POLYPHOSPHATE ON FIRE- AND HEAT-RESISTANT NANOMATERIALS BASED ON UNSATURATED POLYESTER RESIN

Bui K.H., Hoang V.A., Harhoosh A.A., Hoang T.H., Yurtov E.V. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

Fire-and heat resistant composite nanomaterials based on polyester resins were obtained. It has been established that the use of ZnO nanoparticles as flame retardants reduces the burning rate and increases the formation of the coke residue of the nanomaterial based on polyester resin.

Keywords: composite nanomaterials, flame retardants, zinc oxide nanoparticles, heat resistance.

Композиционные материалы на основе НПЭС представляют большой интерес в области создания надежных материалов для авиационной, автомобильной, строительной и железнодорожной отраслей. Тем не менее, такие материалы характеризуются низкой устойчивостью к открытому пламени и высоким температурам. При горении полиэфирные смолы подвергаются деструкции с образованием токсичных газообразных

углеводородных соединений[1]. Существует несколько основных подходов к проблеме снижения горючести и повышения термической стабильности полимерных композиционных материалов, в том числе наиболее эффективным и экономически выгодным является введение в композиты антипиренов различной природы. Интенсивное развитие в этой области получили исследования, направленные на разработку новых типов замедлителей горения - антипиренов[2]. В настоящее время многие исследования направлены на создание новых добавок, способствующие увеличению огнестойкости композитов. При этом для повышения огнестойкости материала необходимо использовать наполнители в больших количествах, что ухудшает физические свойства материала. Поэтому обычные наполнители макро- и микрометрового размера заменяют на наноразмерные частицы [3-4].

Сегодня наночастицы ZnO являются одной из самых популярных наночастиц оксида металла, обычно используемых в антипиренах [5]. Их действие преимущественно основано на эффекте каталитической сшивки частей полимера, образующихся в ходе термической деструкции, и

создании защитного барьера за счет большего количества коксообразующих агентов. Также еще другим перспективным направлением решения данной проблемы является исползование полифосфата меламина. Полифосфат меламина действует на процесс горения в конденсированной и газовой фазе. В конденсированной фазе за счет изменения реакций пиролиза полимера и уменьшения количества газообразных горючих веществ (благодаря дегидратации и формированию коксового слоя). В газовой фазе формир активные радикалы (РО2^, РО^ и НРО^), и взаимодействуя с радикалами Н^ и ОН^, что приводит к обрыву цепи радикального механизма деструкции[6].

В работе ZnO наночастицы в сочетание с полифосфатом меламина используются в качестве наполнителей для повышения огне-термостойких свойств нанокомпозитных материалов[7].

Наночастицы ZnO получали методом осаждения из раствора с последующим отжигом образовавшегося осадка при температурах от 300 до 500°С.

2П(Шз}2 + №ОН ^ Zn(OH)2| + 2№Шз

Для этого к 200 мл 2 М раствора №ОН при постоянном перемешивании с помощью верхнеприводной мешалки (скорость мешалки 1100 об/мин) приливали по каплям 200 М раствор 2п(ЫО3)2 в объеме 200 мл. После выпадения осадка белого цвета смесь центрифугировали при скорости 3500 об/мин в течение 5 мин и несколько раз промывали дистиллированной водой и спиртом до достижения нейтрального значения рН среды. Осадок сушили в сушильном шкафу при 60°С в течение 24 часа. Осадок

выдерживали в печи в течение 2 ч при 500 °С в соответствии с реакцией:

2П(ОЫ}2 ^2лО + Н2О В результате были образованы наночастицы 2пО. С помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) было установлено, что наночастицы 2пО обладают стержнеобразной формой с длиной 490 ±20пт и диаметром 170±20пт.

Рис 1 СЭМ-изображения наночастиц ZnO

При получении нанокомпозитов на основе ПЭС смешали наночастицы оксида цинка с полифосфатом меламина в различных концентрациях к полимеру. Смесь добавляли в ПЭС, затем подвергали воздействию уьлтразвука в течение 15 минут. Далее образцы получали с использованием инициатора и ускорителя отверждения, перемешивая при 400 об/мин и температуре 55°С в течение 5 часов.

В работе исследовали влияние наночастиц оксида цинка в различных концентрациях на огне- и термостойкие характеристики композиционных наноматериалов на основе полиэфирной смолы. Оценивали теплостойкость, степень карбонизации, скорость горения и другие характеристики. На рисунке 1 приведены результаты исследования скорости горения композиционных наноматериалов на основе полиэфирной смолы. Установлено, что наибольшее влияние на уменьшение скорости горения и увеличение количества карбонизированного остатка оказывают наночастицы 2пО в концентрациях 1, 2, 3 масс.%, соответственно

На рисунке 2 приведены результаты исследования величины коксового числа (КЧ) композиционных материалов на основе НПЭС, содержащие ZnO и ПФМ. Показана эффективность использования ПФМ и ZnO для повышения КЧ и соответственно повышению огне- и термостойкости композитов. Установлено, что наилучший результат показала композиция НПЭС, содержащая 6 масс.% ПФМ и 1 масс.% ZnO с КЧ равным 63,12 %. Совместное использование ПФМ и ZnO проявляет синергетный эффект, т.е. способствует образованию большего количества кокса при термодеструкции, по сравнению с использованием только ПФМ или ZnO.

0,58 0,53 0,43 0,43 0,38 0,33 0,23 0,23 0,18 0,13 0,03

образцы с 1% ZnO образцы с 2% ZnO образцы с 3% ZnO

Рис.

68 >63

о

о

i;

S4S

43

Чистая 3 4 5 6

смола Концентрация ПФМ{масс%)

2. Зависимость скорости горения от концентрации ПФМ и наночастиц оксида цинка

образцы с 2% ZnO

образцы с 1% ZnO

Чистая 3 4 5 6

смола концентрация ПФМ (%)

Рис. 3. Зависимость величины КЧ от концентрации ПФМ и наночастиц оксида цинка По полученным в работе результатам, можно сделать вывод о том, что наибольшее увеличение огне-и термостойкости достигается при содержании в ПЭС ПФМ 6 масс. % и наночастиц оксида цинка 1 масс. %.

Список литературы

1. Laachachi, A., Leroyb, E., Cocheza, M., et al., Use of Oxide Nanoparticles and Organoclays To Improve Thermal Stability and Fire Retardancy of Poly(Methyl Methacrylate), Polym. Degrad. Stab., 2005. - V.48. -P.344-352

2. Sertsova A.A., Marakulin S.I., Yurtov E.V. Metal compound nanoparticles: Flame retardants for polymer composites // Russian Journal of General Chemistry, 2017. - V.87, N.6. - P.1395-1402.

3. Серцова А.А., Королева М.Ю., Юртов Е.В., Праведникова О.Б., Дутикова О.С., Гальбрайх Л.С. Огнестойкие roлимеpные нанокомпозиты на основе оксидов и гидроксидов металлов // Химическая технология, 2009. - Т. 10, № 12. - С.706-712.

4. Pravednikova O.B., Dutikova O.S., Karelina I.M., Gal'braikh L.S., Koroleva M.Y., Sertsova A.A., Yurtov E.V. Effect of nano-sized metal compounds on the flameproof properties of plasticized polyvinyl chloride // Fibre Chemistry, 2009. - V.41, № 2. - P.80-84.

5. Yadav M. S., Singh N., Kumar A. Synthesis and characterization of zinc oxide nanoparticles and activated charcoal based nanocomposite for supercapacitor electrode application // Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2018. - V.29. - P. 6853-6869

6. Lopez C., Rodriguez-Paez J. E. Synthesis and characterization of ZnO nanoparticles: effect of solvent and antifungal capacity of NPs obtained in ethylene glycol // Applied Physics A, 2017. - Vol. 123. - P. 1-16

7. Jeon IY, Baek JB. Nanocomposites derived from polymers and inorganic nanoparticles // Materials, 2010. -V.3: - P.3654-3674.