CC BY
24
УДК 678.06: 691.175.5/.8
Хархуш А.А., Хоанг Т.Х., Сейткасымова А.А., Юртов Е.В.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОКСИДА МАГНИЯ НА ОГНЕ -И ТЕРМОСТОЙКОСТЬ НЕНАСЫЩЕННЫХ ПОЛИЭФИРНЫХ СМОЛ
Хархуш Анмар Аднан, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии; Хоанг Тхань Хай, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии;
Сейткасымова Алия Альбековна, магистрант 1 года обучения 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 MgO в качестве антипиренов способствует снижению скорости горения и увеличению образования коксового остатка наноматериала на основе полиэфирной смолы.
Ключевые слова: композиционные наноматериалы, антипирены, наночастицы оксида магния, наночастицы, горючесть, термостойкость.
THE EFFECT OF MAGNESIUM OXIDE CONCENTRATION ON THE FIRE RESISTANCE OF UNSATURATED POLYESTER RESIN
Harhoosh A.A., Hoang T.H, Seitkassymova A.A., 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 MgO 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 composite nanomaterials, flame retardants, magnesium oxide nanoparticles, zinc borate nanoparticles, heat resistance.
Полимерные композиционные материалы на основе ненасыщенных полиэфирных смол обладают такими особыми свойствами как высокая ударопрочность и химическая стойкость, но в то же самое время основными недостатками являются их низкая стойкость к открытому пламени и высоким температурам, а также в процессе горения выделяется большое количество токсичных продуктов [1]. Это является основным сдерживающим фактором их более широкомасштабного внедрения в области, предъявляющие высокие требования к показателям пожароопасности и горючести материалов.
Существует несколько основных подходов к снижению горючести полимерных материалов, наиболее эффективным из них является введение в состав композита замедлителей горения различной природы. Подбор состава и концентрации антипиренов является сложной задачей, решение которой осуществляется опытным путем и значительно зависит от материала и условий его эксплуатации. В настоящий момент в качестве антипиренов активно используются
галогенсодержащие соединения. Они эффективно снижают горючесть полимерных материалов, но в процессе горения полимерных композиционных материалов, включающих галогенсодержащие
соединения, выделяются токсичные вещества [2]. На сегодняшний день в качестве замедлителей горения для ПЭС используют фосфор- и галогенсодержащие соединения, однако первые значительно ухудшают прозрачность композита, а вторые увеличивают токсичность изделия как в процессе эксплуатации, так и в процессе горения. Соединения металлов со средним диаметром частиц менее 100 нм позволят решить проблему горючести и токсичности ПЭС в одно и то же время.
Неорганические металлсодержащие вещества (соли, гидроксиды и оксиды металлов) снижают горючесть материала и не образуют токсичных веществ в процессе горения полимерного композита. Однако использование данных антипиренов имеет ряд ограничений. Прежде всего для достижения высоких огнестойких характеристик полимерного композиционного материала необходимо вводить большое количество наполнителя, более 40 мас.%. Это приводит к ухудшению технологических и физико-механических характеристик
композиционных материалов. Перспективным направлением решения данной проблемы является создание полимерных материалов, содержащих наночастицы соединений металлов в качестве замедлителей горения и термической деструкции [3]. Влияние антипиренов на огнестойкость материалов
на основе НПЭС является сложным процессом, поэтому подбор анипиренов и создание композиционных материалов с их использованием является сложной задачей [4, 5]. Наноразмерные соединения магния применялись в качестве эффективных добавок, понижающих горючесть различных термопластов [6]. 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. В работе в качестве антипирена использовали наночастицы оксидов магния MgO. Наночастицы MgO получали методом осаждения из раствора с последующим отжигом образовавшегося осадка при температурах от 300 до 500°С.
Мв(Шз)2+КаОН^Мв(ОН)2.1+КаКОз
Для этого готовили водные растворы М§(ЫО3)2 с концентрацией 0,1М и 0,4М №ОН, затем они нагревались до температуры 90°С. Далее с помощью перестальтического насоса добавляли раствор №ОН по каплям (5 мл/мин) в раствор нитрата магния при перемешивании. Затем осадок отделяли и сушили при 100°С, далее выдерживали в муфельной печи в течение 2 ч при 400 °С, в соответствии с реакцией:
М§(ОН)2 ^ М§О + Н2О
В результате были образованы наночастицы М§О. С помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) было установлено, что средний размер наночастиц М§О равен 60±5 нм (рис.1).
200 пт
Рисунок 1. ПЭМ-изображение наночастиц М§0
В процессе получения композиционных наноматериалов на основе полиэфирных смол для обеспечения высоких эксплуатационных, термо- и огнестойких характеристик материала необходимо равномерное распределение антипирена (наночастиц оксидов) в матрице полимера [7].
При получении нанокомпозитов на основе ПЭС наночастицы оксида магния добавляли в различных концентрациях к полимеру, затем смесь подвергали воздействию уьлтразвука в течение 15 минут. Далее образцы получали с использованием инициатора и
ускорителя отверждения, перемешивая при 400 об/мин и температуре 60°С в течение 4 часов. На рис.2 показаны образцы наноматериалов на основе полиэфирной смолы, содержащие 1, 3, 5, 7 мас.% наночастиц М§О.
113 Л»)
Рис. 2. Образцы материалов на основе полиэфирной смолы с концентрациями наночастиц Mg0 1, 3, 5, 7 мас.%
В работе исследовали влияние наночастиц оксида магния в различных концентрациях на огне-и термостойкие характеристики композиционных наноматериалов на основе полиэфирной смолы. Оценивали теплостойкость, степень карбонизации, скорость горения и другие характеристики. В таблице 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 М§О в концентрациях 1, 3, 5, 7 мас.%, соответственно.
Таблица 1. Исследование скорости горения полученных
композиционных материалов
№ Состав образцов Скорость распространения пламени (мм/ с)
1 ПЭС 0.5
2 ПЭС+ 1% МяО 0,16
3 ПЭС+ 3% МяО 0,12
4 ПЭС+ 5% МяО 0,11
5 ПЭС+ 7% МяО 0,12
На рисунке 3 приведены результаты исследования карбонизированного остатка в абсолютных значениях коксового числа (КЧ) композиционных наноматериалов на основе ПЭС, Из полученных данных следует, что использование ПЭС с 5 мас.% М§О увеличивает КЧ до 59%. Увеличение КЧ, следовательно повышение термостойкости материала, наблюдались для всех композиционных материалов, содержащих наночастицы М§О в качестве антипиренов.
70
fifl
■
40 ■
30
20
10
n
ПЭС ПЭС+IKMeO ПЭС+3%М£0 n3C+5%MgO ПЭС+7ЯМеО
Рис. 3. Значение величины КЧ для композиционных наноматериалов на основе ПЭС
По полученным в работе результатам, можно сделать вывод о том, что наибольшее увеличение огне- и термостойкости достигается при содержании в ПЭС наночастиц оксида магния 5 мас.%.
Список литературы
1. 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.
2. Aznar-Alemany O., Aminot Y., Vilà-Cano J., KöckSchulmeyer M. Halogenated and organophosphorus flame retardants in European aquaculture samples
//Science of The Total Environment. — 2018. — Vol.612. - P.492-500.
3. Taguet A., Cassagnau P., Lopez-Cuesta J.-M. Structuration, selective dispersion and compatibilizing effect of (nano)fillers in polymer blends // Progress in Polymer Science, Vol. 39, 2014, p. 1526-1563.
4. 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.
5. Sousa S.P.B., Ribeiro M.C.S., Novoa P.R.O., Pereira C.M., Ferreira A.J.M. Mechanical behaviour assessment of unsaturated polyester polymer mortars filled with nano-sized Al2O3 and ZrO2 particles. Ciencia & Tecnologia dos Materiais Vol. 29. Issue 1. 2017. P.167-171.
6. Jeon IY, Baek JB. Nanocomposites derived from polymers and inorganic nanoparticles. Materials 2010;3:3654-74.
7. Сербин С.А., Маракулин С.И., Серцова А.А., Юртов Е.В. Влияние типов замедлителей горения на горючесть и оптические свойства полиметилметакрилата // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том 29, № 6. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2015. C. 130-132.
