Размерный эффект при использовании гидроксидов металлов в качестве антипиренов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Г. В. Козлов, Г. Е. Заиков, О. В.Стоянов,

А. Ф. Яруллин

РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГИДРОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ

В КАЧЕСТВЕ АНТИПИРЕНОВ

Ключевые слова: горение, антипирены, полимеры, гидроксиды металлов, размерный эффект.

В статье показано влияние масштабов на горючесть полимеров при использовании в качестве антипиренов гидроксидов металлов.

Keywords: combustion, flame retardants, polymer, metal hydroxides, the size effect.

The article shows the effects ofpoverty on the flammability ofpolymers using as flame retardants of metal hydroxides.

Введение

В настоящее время разрабатывается много способов повышения огнестойкости полимерных материалов с помощью специальных добавок, называемых антипиренами. Они действуют на различные пути возникновения и распространения горения - на сам материал, теплоту горения и приток воздуха. В качестве таких эффективных антипиренов могут быть использованы гидроксиды металлов [1,2].

Экспериментальная часть

Авторы [3] использовали гидроксид алюминия А1(ОН)3 для повышения огнестойкости полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и получили достаточно интересный результат. При добавке к ПЭВП 5 масс. % А1(ОН)3 скорость горения &гор снижается примерно в 4 раза, но дальнейшее увеличение содержания А1(ОН)3 до 50 масс. % не изменяет величину §гор. Рассмотрим возможные причины такого эффекта.

Результаты и их обсуждение

В настоящем сообщении в качестве базового использовано предположение, что причиной снижения §гор при введении А1(ОН)3 в ПЭВП является появление межфазных границ раздела, при достижении фронтом горения которых начинается действие А1(ОН)3 в качестве антипирена. Оценить суммарную площадь указанных границ на единицу объема композиции ПЭВП/А1(ОН)3 8гр можно следующим образом. Объемное содержание А1(ОН)3 фн можно рассчитать по формуле [4]:

М т

Фн = —, (1)

Рн

где Wн - массовое содержание А1(ОН)3, рн - его плотность, равная 2400 кг/м3.

Как известно [4], одним из основных факторов, влияющих на свойства полимерных композиций, является агрегация исходных частиц наполнителя. Радиус агрегата Яагр указанных частиц можно оценить согласно эмпирическому уравнению

[4]:

КаФ = 48,5фН'2 ,мкм. (2)

Далее можно определить значения объема ¥агр и площади поверхности Багр агрегатов частиц

наполнителя согласно известным геометрическим

формулам для сферы и оценить величину S следующим образом:

евк

гр

фА,

3Фн

R ,г„

(3)

Отметим, что уравнение (3) получено в рамках евклидовой геометрии, т.е., агрегат частиц наполнителя рассматривается как идеальная сфера с абсолютно гладкой поверхностью, т.е., принимается, что размерность указанной

поверхности ёп=2,0. Однако на практике частицы наполнителя формируют агрегаты с фрактальной поверхностью, чья размерность ёп>2 [4]. Оценить величину Бгр (8фрр) в этом случае можно следующим

образом. Сначала определяется удельная

поверхность 8и агрегатов частиц наполнителя согласно уравнению [4]:

3 (4)

S,,

PhR а,

а затем рассчитывается величина йп с помощью следующего соотношения [3]:

8и = 410^;-, (5)

где ё - размерность евклидова пространства, в котором рассматривается фрактал (очевидно, в нашем случае ё=3), Би дается в м2/г, Яагр - в мкм.

Фрактальный вариант позволяет оценить величину 8фрр следующим образом:

СФ„

Sr„

3Фн

Rdr„

(6)

В таблице 1 приведены рассчитанные указанным выше способом значения Яагр, и £м.

Таблица 1 - Структурные характеристики

композиций ПЭВП/А1(ОН)3

фн Razpi мкм dn Su, м2/г евк г„ > отн. ед. St|i„, отн. ГР ’ ед.

0,021 7,1 2,57 178 1,0х10'3 0,47х10-4

0,042 9,9 2,49 126 1,41 х10'3 0,46х10-4

0,084 14,0 2,42 89 2,0х10-3 0,47х10-4

0,167 19,8 2,37 63 2,81х10-3 0,47х10-4

0,208 22,1 2,36 57 3,10х 10-3 0,44х10-4

Как и следовало ожидать, усиление

Sr„

V

аїр

процесса агрегации частиц А1(ОН)3 (увеличение В-агр) приводит к снижению 8и и, следовательно, йп. В таблице также приведены величины 8ервк и 8фрр,

рассчитанные в евклидовом и фрактальном приближении. Как следует из этих данных, наблюдается рост 8ервк примерно в три раза в

интервале Wн=5-50 мас. %. Это предполагает такое же снижение $гор, что не соответствует экспериментальным данным [3]. Для 8ффр

выполняется условие 8фрр =сош1, что полностью

согласуется с экспериментом (&гор=сош1) [3].

Следовательно, последнее условие определяется агрегацией частиц А1(ОН)3 и соответствующим изменением структуры их поверхности, характеризуемой размерностью йп. Соотношение (6) наглядно демонстрирует достоинства применения в качестве антипиренов наночастиц. Однако не

следует забывать, что последние еще сильнее подвержены агрегации, чем частицы микронных размеров.

Литература

1. Асеева, Р. М. Горение полимерных материалов / Р. М. Асеева, Г. Е. Заиков М., Наука, 1981. - 278 с.

2. Каблов, В. Ф. Исследование влияния содержания наполнителей на свойства огнезащитного покрытия на основе фосфорборсодержащего олигомера / В. Ф. Каблов, С. Н. Бондаренко, Л. А. Василькова, О. В. Стоянов, Г. Е. Заиков // Вестник Казан. технол. ун-та. -2012. - Т. 15, №5. - С. 74-77.

3. Борукаев Т. А., Хацукова Р. Б. Материалы VI Междунар.

научн.-практ. конф. «Новые полимерные

композиционные материалы». Нальчик, КБГУ. - 2010. -С. 126-131.

4. Козлов, Г. В. Структура и свойства дисперсно-наполненных полимерных композитов: фрактальный анализ / Г. В. Козлов, Ю. Г. Яновский, Ю. Н. Карнет // М.: Альянстрансатом, 2008. - 363 с.

© Г. В. Козлов - канд. хим. наук, НИИ прикладной математики и автоматизации КБНЦ РАН; Г. Е. Заиков - д-р хим. наук, проф. Института биохимической физики РАН, [email protected]; О. В. Стоянов - д-р техн. наук, проф., зав. каф. технологии пластических масс КНИТУ, stoyanov@mаil.ru; А. Ф. Яруллин - асс. каф. технологии пластических масс КНИТУ.