CC BY
54
24. Su,C. R. Bismuth Nanotubes/ C. R. Su, J.M. Li, Novel Bismuth Nanotubes // Chim. Phys. Lett., 2002, V.19, №12.-Р.1785-1787
25. Yang, B. A Room-Temperature Route to Bismuth Nanotube Arrays/ B. Yang, C. Li, H. Hu, X. Yang, Q. Li, Y. Qian// Eur. J. Inorg. Chem. 2003.-Р. 3699-3702
26. Wang, D. Formation of antimony nanotubes via a hydrothermal reduction process/ D. Wang, D. Yu, Y. Peng, Z. Meng, S. Zhang, Y. Qang // Nanotechnology 2003, V.14.-P.748-751
27. Асанов, У.А. Физико-химические процессы в плазме искрового разряда, создаваемого в жидких диэлектриках. Бишкек. 2002.-С. 262.
УДК 678.5.06-416:539.21
А.А. Серцова, М.Ю. Королева, Е.В. Юртов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
СИНТЕЗ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДОБАВОК ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ГОРЮЧЕСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Fe2O3, Mg(OH)2, ZnO, and Ni (COO)2 particles within the nanometer range have been synthesized by precipitation in aqueous solutions. The precipitated compounds were aggregated single crystals in the size range of 15-300 nm. The influence of these nanoparticles on the flame retardantation of polymeric materials was investigated.
Синтезированы наночастицы соединений металлов Fe2O3, Mg(OH)2, ZnO и Ni (COO)2 Синтез данных соединений проводился в водной среде. Получаемый продукт представлял собой агрегированные частицы размером от 15 до 300 нм. Проверено влияние данных наноразмерных добавок на горючесть полимерных материалов.
Требования по пожарной безопасности различных материалов становятся более жесткими с каждым годом. Поэтому возникает необходимость снижения горючести имеющихся веществ и создание новых материалов с более высокой температурой воспламенения и более низкой скоростью горения.
Для полимерных материалов разработано два способа защиты от пламени и высокотемпературных потоков. Первый способ состоит в использовании огнезащитных покрытий на поверхности материалов, второй метод заключается во введение огнезамедляющих добавок во внутреннюю структуру и создание композиционных материалов. Однако каждый из данных способов не лишен недостатков. Один из наиболее важных недостатков при использовании первого способа - это возможность отслаивания покрытия при эксплуатации или при воздействии источника горения. При использовании второго способа необходимо учитывать возможность изменения химических, механических, прочностных и др. свойств материала, что может заметно сузить области его применения. Следует отметить, что несмотря на имеющиеся недостатки, второй способ снижения горючести полимерных материалов является более перспективным, так как защитное действие вводимых добавок не снижается при эксплуатации изделий.
В качестве огнезамедляющих добавок могут быть использованы такие соединения, как гидроксид алюминия, оксид кремния, гидроксид магния, соли магния, тальк, глины, вещества, содержащие хлор и бром (в т. ч. хлорпарафины), производные сурьмы, борат цинка, эфиры фосфорных кислот, фосфорсодержащие полиолы и др. Как показали исследования ряда авторов, при введении таких добавок в нанокристаллическом состоянии эффективность их действия значительно возрастает [1, 2].
В данной работе были проведены исследования влияния соединений металлов -оксида железа ^2О3), оксида цинка (ZnO), гидроксида магния (Mg(OH)2) и ацетата никеля (№ (COO)2) на горючесть поливинилхлорида.
Синтез наночастиц ¥е2О3, Синтез оксида железа проводился в щелочной среде при воздействии гидроксида аммония и протекании следующей химической реакции:
2FeClз + 3га4ОИ = Ре203 + 3тз + 6ИС1
Для проведения синтеза использовали раствор хлорида железа, который добавляли в водный раствор аммиака. Процесс проводили при интенсивном перемешивании и температуре 60 °С. Практически сразу же после смешивания реагентов наблюдалось выпадение рыже-коричневого осадка. Время старения осадка варьировалось от 2 до 20 минут, что по литературным данным [3] соответствует образованию наночастиц Fe2O3 размером от 7 до 50 нм . После старения осадка дисперсия наночастиц оксида железа центрифугировалась со скоростью 4500 об/мин в течении 5 мин. Полученный осадок промывался три раза дистиллированной водой и высушивался при комнатной температуре.
Синтез наночастиц Mg(ОН)2. Получение гидроксида магния протекало в соответствии со следующей химической реакцией:
Ме8 О + 2Ма0И = Ме(0Н)2 + N^8 О
Водный раствор гидроксида натрия добавляли в водный раствор сульфата магния при интенсивном перемешивании. Синтез проводился при 90 °С в течение 1 часа. Полученный продукт центрифугировали со скоростью 5000 об/мин в течении 6-7 мин для выделения осадка и промывали 3- 5 раз. Осадок высушивали при комнатной температуре в течение нескольких суток. В процессе сушки происходило образование крупных сросшихся агломератов, которые размельчались при использовании диспергатора.
Синтез наноразмерного ZnO. Механизм получения наноразмерного оксида цинка соответствует протеканию следующих химических реакций:
гп2+ + он- = гп(ои)2 гп(он)2 + он- = гпо2" + но гпо2" + 2и2о = гпо + 2ои-
В водный раствор сульфата цинка добавляли раствор NaOH. Процесс проводили при 60 °С и интенсивном перемешивании в течение 1,5 часов. Величина рН поддерживалась на уровне 9,5-10,5 введением дополнительного количества гидроксида натрия. Затем раствор центрифугировали со скоростью 5000 об/мин в течении 5 мин и промывали водой. Полученный осадок высушивали при комнатной температуре.
Синтез наночастиц никеля из Ш (СОО)2. Ацетат никеля использовался в виде готового промышленно выпускаемого реактива. Образование наночастиц никеля происходило в результате высокотемпературного разложения в процессе формирования полимерного волокна.
Формирование волокон полимера с наноразмерными добавками. Исследование влияние наноразмерных добавок соединений металлов на горючесть полимерных материалов проводилось при использовании в качестве полимера - поливинилхлорида (ПВХ). Для формирования волокон на основе данного полимера использовались две смеси, следующих составов:
Смесь 1: 1,6 ПВХ + 1,4 ДОФ + 0,5 НЧ
Смесь 2: 1,6 ПВХ + 1,4 ДОФ + АСАМФ + 0,2 НЧ
где ДОФ - диоктилфталат (ди-2-этилгексилфталат) - пластификатор, АСАМФ - антипирен на основе аммонийной соли фосфоновой кислоты, НЧ - наноразмерная добавка.
Компоненты смешивались в данных количествах и загружались в специальный аппарат, температура в котором составляла 220 °С В данном аппарате смесь выдерживалась в течение ~10 с, а затем происходило вытягивание материала в виде в волокна диаметром около 3 мм.
Оценка эффективности огнезащитного действия добавок наноразмерных соединений металлов. При оценке горючести полимерного материала с добавками наночастиц анализировались такие параметры, как скорость затухание пламени, интенсивность и цвет дымовыделения, коксование. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Табл. 1. Характеристики волокон с наноразмерными добавками
Сис- тема Нанораз- мерная добавка Ориенти- ровочный размер частиц, нм Цвет полимерного волокна Интенсивность и цвет дымо-выделения Коксование
1 Mg(OH)2 55 Белый Слабое, белый Быстрое, не капает
2 Mg(OH)2 55 Белый Не интенсивное, белый Хуже, чем в системе 1
1 Fe2O3 30 Рыжий Сильное, белый Не капает
2 Fe2O3 30 Рыжий Слабое, белый Лучше, чем в системе 1
1 ZnO 250-300 Белый Слабое, серый Нет данных (волокно плохо формуется)
2 ZnO 250-300 Белый Слабое Нет данных (волокно плохо формуется)
1 Ni (COO)2 15 Зеленый Интенсивное, черный Плохое, капает
2 Ni (COO)2 15 Светло- зеленый Не интенсивное, белосерый Быстрое, капает незначительно
Полученные результаты показывают, что оксид железа и гидроксид магния наиболее эффективно снижают горючесть исследованного полимерного материала. Для выбора вида наноразмерных добавок и их концентрации необходимо получить количественные характеристики эффективности огнезамедляющего действия этих добавок -кислородный индекс, коэффициента коксования и др.
Список литературы
1. Weil, D.E. Flame Retardants in Commercial Use or Development for Polyolefins/ Weil D.E., Levchik S.V. // Journal of Fire Sciences 2008, Vol. 26.-Р. 5-43
2. Daimatsu Kazuki Preparation and physical properties of flame retardant acrylicresin containing nano-sized aluminum hydroxide/ Daimatsu Kazuki, Sugimoto Hideki, Kato Yasunori, et.al. // Polymer Degradation and Stability, 2007, Vol. 92.-Р. 1433-1438
3. Martinez-Mera, I. Synthesis of magnetite (Fe3O4) nanoparticles without surfactants at room temperature/ Martinez-Mera I., Espinosa-Pesqueira M.E., Perez-Hernandez R., Arenas-Alatorr J. // Materials Letters, 2007, Vol. 61.- Р. 4447—4451.
