CC BY
42
Успехи в х&мии и ехнологии. ТОМ XXX. 2016. № 12
УДК 678.5.06-416:539.21
Д.С. Добровольский, 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: nammaterial@,mail.m
ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА КРЕМНИЯ И ОКСИДА ЦИНКА НА КАРБОНИЗАЦИЮ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА
В работе представлены результаты исследований по изучению влияния наночастиц оксида цинка и оксида кремния на величину коксового остатка полиметилметакрилата (ПММА). С этой целью были получены композиционные материалы, содержащие наночастицы оксида цинка, оксида кремни, оксида кремния, модифицированного поверхностно активным веществом (ПАВ), а также оксида цинка покрытого оксидом кремния. Исследование величины коксового остатка образцов композитов на основе ПМАА проводили согласно ГОСТ 19932-99. Установлено, что максимальный эффект на термостойкость ПММА оказывают наночастицы оксида кремния, модифицированные ПАВом.
Ключевые слова: оксид цинка, оксид кремния, антипирены, композит, полиметилметакрилат, коксовое число.
Важной характеристикой процесса
термоокислительной деструкции композиционных полимерных материалов является величина образующегося карбонизированного остатка [1]. Числено она характеризует массу остатка, образовавшегося под действием температуры на композиционный материал, отнесенного к его первоначальной массе. Коксовый остаток (КО) или коксовая «шапка» создает барьер между пламенем и полимером, что в свою очередь определяет возможность минимизации или полного прекращения дальнейшего горения композитов [2]. Коксовое число характеризует способность углеводородсодержащих веществ к карбонизации и служит одним из критериев их термостойкости.
В работе получали композиционные материалы на основе полиметилметакрилата (ПММА). В качестве наполнителей применяли наночастицы оксида цинка (средний размер 50нм),наночастицы оксида кремния (средний размер 20 нм), наночастицы оксида цинка, покрытые оболочкой оксида кремния (средний размер 60 нм) и наночастицы оксида кремния, модифицированные цетил триметиламмоний бромидом (СТАВ). Синтез наночастиц оксидов цинка и кремния осуществлялся
согласно методикам, описанным в работах [3,4]. Покрытие частиц оксида цинкаоболочкой оксида кремния проводили методом химического осаждения из раствора метасиликата натрия хлороводородной кислотой, в котором наночастицы оксида цинка выступали в качестве центров кристаллизации.
Композиционные материалы на основеПММА получали методом радикальной полимеризации [5]. Количество вводимого наполнителя составляло 1 масс.%. Исследование величины карбонизированого остатка проводилось согласно ГОСТ 19932-99. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Из полученных результатов видно, что наибольший вклад в значение коксового числа вносит оксид кремния, модифицированный ПАВом. При его введениивыход карбонизированных продуктов разложенияувеличивается до 4,9 %, по сравнению с чистым полиметилметакрилатом. Наименьшее значение наблюдается при добавлении чистого оксида кремния и оксида цинка с оболочкой оксида кремния. Значения для данных композиций равны 3,0 и 3,1 %, соответственно.
Таблица 1. Значение коксового числа
композиционных материалов на основе полиметилметакрилата с различными добавками.
Добавка Масса композита до термической деструкции, г Масса остатка композита после термической деструкции, г Коксовое число, %
Без наполнителя 0,50 0,0 0,0
Оксид кремния 0,49 0,015 3,1
Оксид кремния с ПАВ-ом 0,50 0,025 4,9
Оксид цинка 0,50 0,020 3,9
ZnO@SiO2 0,50 0,015 3,0
Успехи в химии и ехрологии. ТОМ XXX. 2016. № 12
Различия между значениями
карбонизированного остатка для композиций, содержащих оксид цинка и оксид кремния не существенны. Это говорит об одинаковом влиянии данных наполнителей на процессы карбонизации полимера. Значение коксового числа, полученное для композиций, содержащих модифицированные ПАВом частицы оксида кремния больше значения КО для аналогичных частиц без ПАВ. Скорее всего, это связано с изменением заряда поверхности частиц, их меньшей агломерации и более равномерному распределению в матрице ПММА.
Таким образом, полученные результаты работы показывают различное влияниедобавок на образование карбонизированного остатка ПММА. Наиболее эффективной добавкой являются наночастицы оксида кремния, модифицированные ПАВом. Увеличение выхода карбонизированного остатка обуславливается равномерным
распределением частиц, а так же механизмом сшивки и карбонизации макромолекул полиметилметакрилата под действием высоких температур при введении данного наполнителя.
Юртов Евгений Васильевич член-корреспондент РАН, профессор, доктор химических наук. Ректор РХТУ им. Д.И.Менделеева, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии, 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
Добровольский Денис Сергеевич студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева Россия, г. Москва
Литература
1. Sertsova A. A., Koroleva M. Yu., Yurtov E. V., Pravednikova O. B., Dutikova O. S., Gal'braikh L. S. Fireresistant polymer nanocomposites based on metal oxides and hydroxides// Theoretical Foundations of Chemical Engineering- 2010, - Vol. 44, - No. 5, -pp. 772-777.
2. 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.
3. Серцова А.А., Королева М.Ю., Юртов Е. В. Синтез наноразмерных добавок для уменьшения горючести полимерных материалов//Успехи в химии и химической технологии. Сб. научных трудов.—М. РХТУ им. Д.И. Менделеева. - Том ХХ11-№8.-2008.
4. Добровольский Д.С., Маракулин С.И., Серцова А.А., Юртов Е.В. Получение наночастиц оксида кремния методом контролируемого осаждения из раствора // сб. тезисов докладов сателлитной конференции XX Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. - Волгоград: ВолгГТУ - Т.1.- 2016- с. 223-224.
5. 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, с. 130-132.
Denis S. Dobrovolsky, Stanislav I. Marakulin, Alexandra A. Sertsova, Evgeny V.Yurtov * D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: nanomaterial@mail.ru
THE INFLUENCE OF SILICON OXIDE AND ZINC OXIDE NANOP ARTICLES ON THE POLYMETILMETHACRYLATE COKE RESIDUE FORMATION
Abstract
Paper presents the results studies on the influence of nanosized additives on value of carbon residue of poly (methyl methacrylate) (PMMA). To this purpose composites were prepared with contained a nanoparticles of zinc oxide, pure silica and one the modified surface-active substance (i.e. surfactant), and also the zinc oxide with a silicon oxide shell. Research the value of coke composite samples as one of the most important factors determining the stability of the polymer material with thermal exposure, in according with GOST 19932-99. The work established that the maximum effect on thermal stability of PMMA has achieved thanks surfactant of modificate silica.
Key words: Zinc oxide, silicon oxide, flame retardants, composites, poly (methyl methacrylate), coke number.
