CC BY
45
УДК 678.5.06-416:539.21
С.А. Шевель, С.И. Маракулин, А.А. Серцова, ЕВ Юртов *
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 *e-mail: [email protected]
СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ БОРАТА ЦИНКА СТЕРЖНЕОБРАЗНОЙ ФОРМЫ
В работе представлены результаты исследований, направленных на разработку методов получения наночастиц бората цинка стержнеобразной формы. В основе синтеза был взят метод, основанный на процессах хемосорбции, протекающих в жидких средах с использованием в качестве прекурсоров наностержней оксида цинка различных размеров и формы и борной кислоты. Визуализация полученных образцов осуществлялась при помощи просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии, качественный состав продукта оценивали при помощи рентгенофазового анализа. Установлено, что формированию структур бората цинка способствует использование в качестве основы синтеза стержней оксида цинка с наименьшими размерами.
Ключевые слова: наностержни оксида цинка, наностержни бората цинка, антипирены, полифункциональный наполнитель
Наиболее эффективным способом снижения горючести полимерных материалов является использование в качестве наполнителей специальных соединений - антипиренов [1]. Одним из широко используемых промышленных антипиренов на сегодняшний день является гидратированный борат цинка.
Дегидратация бората цинка начинается при температуре 290 °С. При этом в диапазоне температур 290°С - 450°С борат цинка теряет порядка 14 % своей массы за счет высвобождения слабосвязанной и кристаллизованной воды [2]. В отличие от большинства других антипиренов (оксиды металлов, фосфоро- и галогенсодержащие вещества) борат цинка способствует формированию твердого остатка в горящем полимере. Этот остаток является огнестойким и может предотвратить дальнейшее прогорание композита.
Кроме того, этот слой уменьшает выброс горючих газов, поскольку при горении и окислении полимеров; бораты цинка разлагаются эндотермическии и высвободившееся тепло поглощается испаренной водой, эта испаренная вода разбавляет кислород и газообразные горючие компоненты. Частицы цинка в конденсированной фазе вызывают выработку алифатических
углеводородов, а не бензола и других ароматических соединений, которые вызывают увеличение сшивающих реакций и приводит к увеличению дымоподавления [3].
Помимо состава используемого в качестве антипирена вещества важную роль на огне- и термостойкие характеристики композита играет его дисперсность, а форма наполнителя способна оказывать армирующий эффект на матрицу полимерного материала. Таким образом, важной задачей является синтез наночастиц бората цинка стержнеобразной формы, с целью создания на его основе эффективного полифункционального наполнителя.
В качестве методов синтеза был выбран способы, описываемый в работе [4], согласно которому основой синтеза бората цинка служат частицы оксида цинка, полученные методами химического осаждения из раствора. Изображения полученных в работе стержней оксида цинка, используемых в качестве прекурсора для бората цинка, представлены на рисунке 1. Качественный состав полученных образцов исследовали при помощи рентгенофазового анализа. Результаты исследований представлены на рисунке 2.
Рис. 1. А - СЭМ изображение оксида цинка с размерами стержней 3x0,5 мкм, Б - СЭМ изображение оксида цинка с размерами стержней 2x0,3 мкм, А - СЭМ изображение оксида цинка с размерами стержней 80x400 нм.
Рис.2. РФА анализ образцов бората цинка, полученных на основе А - стержней оксида цинка с размерами 2x0,3 мкм, Б ■
стержней оксида цинка с размерами 80x400 нм.
Согласно полученным данным, при использовании в качестве прекурсоров стержней оксида цинка размером 3x0,5 мкм и формирование структуры бората цинка не происходит. На рентгенограмме образца, полученного из оксида цинка размером 2x0,3 мкм, изображенной на рисунке 2.Б, присутствуют пики, характерные только оксиду цинка и борной кислоте. При использовании в качестве основы синтеза стержней оксида цинка меньшего размера (80x400 нм) на рентгенограмме (рис. 2.А) помимо пиков слабой интенсивности, характерных для используемых в синтезе реагентов, появляются пики, относящиеся к структуре бората цинка.
На рисунке 3 изображены снимки образцов бората цинка, сделанные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Полученные частицы бората цинка имеют стержнеобразную форму. Средний диаметр стержней составляет порядка 90 нм, а длина - 400 нм.
На основании полученных данных, можно сделать вывод, что частицы оксида цинка, используемые в качестве основы для получения стержней бората цинка, в ходе процессов хемосорбции взаимодействуют с анионами борной кислоты, образуя на поверхности частиц связь «оксид цинка - оксид бора», формируя структуру бората.
Полученные в результате работы образцы бората цинка стержнеобразной формы могут быть использованы в качестве эффективных полифункциональных наполнителей для
полимерных материалов, как в чистом виде, так и в качестве синергетической добавки для фосфоросодержащих антипиренов. Оказывая, при введении в матрицу, огнезамедляющий эффект за счет состава и дисперсности частиц, а так же увеличивая физико- механические свойства конечных композиционных материалов, за счет армирования матрицы.
Рис.3. СЭМ изображение образцов бората цинка, полученных на основе наностержней оксида цинка с размером частиц 80x400 нм.
Работа выполнена при поддержке ФГБУ «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» в рамках договора (соглашения) № 9883ГУ2015 от 10.03.2016 о предоставлении гранта на выполнение научно-исследовательских работ.
Юртов Евгений Васильевич член-корреспондент РАН, профессор, доктор химических наук. Заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И.Менделеева, Россия, г. Москва
Серцова Александра Анатольевна доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, кандидат химических наук. Россия, г. Москва
Маракулин Станислав Игоревич аспирант, заведующий лабораторией кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д.И.Менделеева Россия, г. Москва
Шевель Сергей Александрович студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева Россия, г. Москва
Литература
1. Серцова А. А., Маракулин С.И., Юртов Е.В. Наночастицы соединений металлов - замедлители горения для полимерных композиционных материалов. Российский химический журнал, 2015,т.59,№3, с.78-85.
2. Annamalai Pratheep Kumar, Dilip Depan, Namrata Singh Tomer. Nanoscale particles for polymer degradation and stabilization—Trends and future perspectives. Progress in Polymer Science 34 (2009) 479-515.
3. Матвеев М.Д., Маракулин С.И., Серцова А.А., Юртов Е.В. «Влияние микро- и наночастиц бората цинка на горючесть композиционных материалов на основе полиметилметакрилата» // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том 29, № 6- РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2015, с. 99-101.
4. Маракулин С.И., Серцова А.А.,. Юртов Е.В. Получение наночастиц бората цинка // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том 27, № 6 (146) - РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2013, с. 107-109.
Sergey A. Shevel\ Stanislav I. Marakulin, Alexandra A. Sertsova, Evgeny V. Yurtov * D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: [email protected]
SYNTHESIS OF NANORODS OF ZINC BORATE Abstract
The paper presents the results of research aimed at developing methods for obtaining nanorods of zinc borate. The method of synthesis was based on chemisorption processes occurring in the liquid media using as precursors nanorods of zinc oxide with different sizes and shapes, and boric acid. Visualization of the samples was carried out by transmission and scanning electron microscopy, the qualitative composition of the product was evaluated by X-ray difraction. It has been established that formation of structures of zinc borate is possible using of zinc oxide nanorods with the smallest dimensions.
Key words: zinc oxide nanorods, zinc borate nanorods, flame retardants, polyfunctional fillers.
