CC BY
110
УДК 542.06+678
А.М. Грицов, Е.Н. Субчева*, А.А. Серцова, Е.В. Юртов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 , корп. 1 *e-mail: subcheva.el@yandex.ru
РАЗРАБОТКА ТРУДНОГОРЮЧИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОЛИПРОПИЛЕН/ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТ С НАНОЧАСТИЦАМИ ГИДРОКСИДА МАГНИЯ
Получены гибридные композиционные материалы, содержащие две распределенные друг в друге матрицы полипропилена и полиметилметакрилата с включенными наночастицами гидроксида магния. Синтез проводили методом соосаждения, размер частиц контролировали сканирующей электронной микроскопией и рентгенофазовым методом анализа. Исследована горючесть полученных композиционных материалов, проведен анализ изменения свойств в зависимости от степени наполнения.
Ключевые слова: композиционный материал; полипропилен; полиметилметакрилат; наночастицы; огнестойкость
Горючесть полимеров является основным фактором, сдерживающим их широкое распространение. Все методы повышения огнестойкости полимерных материалов можно разделить на два основных направления: физические и химические [1]. Основа их действия сводится к ингибированию реакций в пламени, ингибированию реакций разложения
конденсированной фазы, изоляции топлива от воздействия источника тепла/огня, изоляции пламени от окислителя, охлаждению конденсированной фазы полимера, охлаждению пламени, изменению направленности химических реакций в конденсированной фазе в сторону снижения количества выделяющихся горючих газов, срыв пламени [2].
Существует несколько химических методов: введение активных или инертных наполнителей; введение антипиренов: активных (олигомерные или полимерные добавки, несовместимые или частично совместимые с полимерной матрицей) или инертных (только физическое взаимодействие с полимером); модификация ПМ частичным введением олигомеров или мономеров, приводящих к образованию коксовых поверхностных слоев; модификация поверхности (прививка определенных молекул или частиц на поверхность); огневая защита (пропитка, покрытия и пр.). Наиболее эффективным является метод внедрения антипиренов в полимерную матрицу на стадии производства.
Для защиты окружающей среды и охраны здоровья человека в последние годы значительно ужесточились требования к негорючим и трудногорючим материалам в отношении
количества и токсичности выделяемых дымовых газов, скорости распространения пламени и т.п. В этом плане актуальными становятся материалы, не содержащие замедляющих горение компонентов на галогенной основе.
Таким образом, наиболее перспективными могут считаться неорганические безгалогенные антипирены. Одними из самых распространенных являются гидроксиды металлов (в частности алюминия и магния). Ингибирование процесса горения происходит за счет высокой степени наполнения [3]. Данный способ является экологически безопасным. Так, при разложении гидроксида магния выделяется водяной пар, что способствует снижению температуры. Более того, пар вытесняет кислород воздуха. Степень наполнения замедлителями горения данного типа в промышленных масштабах начинается от 40% (в зависимости от размера частиц и удельной поверхности), что значительно ухудшает физические свойства при переработке полимерных материалов. При уменьшении размера частиц до нанометров степень наполнения также можно понизить.
Еще одной значительной проблемой при создании композиционных материалов полимер/гидроксид металла является
несовместимость наполнителя с полимерной матрицей. Существует несколько способов решения: модификация частиц наполнителя органическими соединениями (например, поверхностно-активными[4]), модификация
полимерной матрицы (добавление полимерных связующих[5])и т.д.
' у ■
л \ \ ' М у»' ^щ* .
укрм л > I"
I ^чЬл'ч-• • ^^^ -
1ЕГ 15кУ \Л10Т2тт ЦКП им. Д.14. Менделеева ЭвТб »15,000 1рт -' 2049 11 Маг 2014
а б
Рис. 1. Микрофотографии наночастиц гидроксида магния, полученные методом сканирующей электронной микроскопии при увеличении 30000 (а) и 15000 (б)
В данном случае модификация наночастиц гидроксида магния является довольно затруднительной (более того, значительно повысит стоимость антипирена), поэтому для равномерного распределения наночастиц была использована вторая матрица в композите.
Синтез наночастиц М§(ОЫ)2 проводили методом соосаждения. Для контроля размера частиц использовали поверхностно-активное вещество - полиэтиленгликоль (ПЭГ). Синтез проводили при постоянном перемешивании 600 об/мин и ультразвуковом воздействии для уменьшения коагуляции образующихся частиц. По данным СЭМ размер образующихся частиц составлял порядка 230 нм (рис. 1, 2), толщина отдельной пластинки составляет около 20-30 нм.
Создание композитов проводилось в две стадии. Первая осуществлялась полимеризацией в мономер (метилметакрилат) добавляли наночастицы М§(ОЫ)2 при постоянном перемешивании на магнитной мешалке, а затем производилась полимеризация. На второй стадии полученный композит добавлялся в расплавленный полипропилен. Таким образом, после взаимного растворения композиционный материал содержал ПП/ПММА/М§(ОЫ)2. Количественное содержание гидроксида магния варьировалось от 20 до 60% масс. (таблица 1).
Выбор второй матрицы в композиционный материал на основе полипропилена осуществлялся по данным о температурах плавления полимеров. Близкие температуры плавления позволяют получать равномерное распределение в полученном композите.
Полученные композиционные материалы являются перспективными в качестве трудногорючих материалов.
ЖП-?5П-5йа
Размер частиц, нм Рис. 2. Распределение частиц по размерам
Таблица 1
Доля компонентов в композитах
№ ПП (% масс.) ПММА (% масс.) Мв(ОЫ)2 (% масс.)
1. 70 10 20
2. 60 10 30
3. 50 10 40
4. 40 10 50
5. 30 10 60
В работе были определены значения кислородного индекса, коксового числа, скорости горения согласно ГОСТ 12.1.044 - 89, ГОСТ 19932-99 и ГОСТ 21207-81, соответственно. Исследованы процессы деструкции полученных полимерных систем в температурной области начала интенсивного разложения полимеров -около 350°С (в течении 30 минут). Кислородный индекс соответствует минимальному содержанию кислорода в атмосфере, при котором поддерживается горение материала. В работе были замерены показатели кислородного индекса для полимерных композиций на основе полипропилена.
Грицов Александр Максимович, студент 5 курса кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Субчева Елена Николаевна, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Серцова Александра Анатольевна к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Юртов Евгений Васильевич чл.-корр. РАН, д.х.н., зав.кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Кестельман В.Я. Физические методы модификации полимерных материалов. М.: Химия, 1980. 223 с.
2. Кодолов В. И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов.-М.: «Химия», 1976, 160 с.
3. SchmidtR., AmbergM. In city Feuerldscher //Kimststoffe.-1998.-V.88.-№ll.-C.2058-2061
4. H.Md. Akil, M.F.A. Rasyid, J. Sharif Effect of Compatibilizer on Properties of Polypropylene Layered Silicate Nanocomposite //Procedia Chemistry.-2012.- V.4.-P. 65 - 72
5. F. Laoutid, O. Persenaire, L. Bonnaud et al. Flame retardant polypropylene through the joint action of sepiolite and polyamide 6//Polymer Degradation andStability.-2013.-V.98.-P.1972-1980
A.M. Gritsov, E.N.Subcheva*, A.A.Sertsova, E.V. Yurtov
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: subcheva.el@yandex.ru
PREPARATION OF FIRERESISTANCE COMPOSITE MATERIALS POLYPROPYLENE/POLYMETHYLMETHACRYLATE WITH NANOPARTICLES OF MAGNESIUM HYDROXIDE
Abstract
Hybrid composites containing two dispersed in each other and the polypropylene matrix of polymethyl methacrylate with incorporated the nanoparticles of magnesium hydroxide was obtained. Synthesis was performed by coprecipitation, particle size was monitored by scanning electron microscopy and X-ray analysis method. Flammability obtained composites was investigated, as well as analysis of changes in properties depending on the degree of filling was held.
Key words: composite material; polypropylene; polymethyl methacrylate; nanoparticles; fire resistance.
