CC BY
23
УДК 678.06: 691.175.5/.8
Хархуш А.А, Сейткасымова А.А., Юртов Е.В.
ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ И ВСПУЧИВАЮЩЕГОСЯ АНТИПИРЕНА НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ НАНОКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НЕНАСЫЩЕННОЙ ПОЛИЭФИРНОЙ СМОЛЫ
Хархуш Анмар Аднан, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии
Сейткасымова Алия Альбековна, магистрант 2 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
В настоящей работе были получены композиционные наноматериалы на основе ненасыщенных полиэфирных смол с повышенными огнестойкими характеристиками. Были синтезированы наночастицы ZnO и Al2O3 и использованы в качестве антипиренов в комбинации со вспучивающейся огнезащитной добавкой для повышения огнестойкости полиэфирных материалов.
Ключевые слова: композиционные наноматериалы, антипирен, наночастицы ZnO и Al2O3, наночастицы, термостойкость.
THE INFLUENCE OF METAL OXIDES NANOPARTICLES AND INTUMESCENT FLAME RETARDANT ON THE BURNING RATE OF NANOCOMPOSITE MATERIALS BASED ON UNSATURATED POLYESTER RESIN
Harhoosh Anmar Adnan, Seitkassymova Aliya Albekovan, Yurtov Evgeny Vasilevich D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
In this work, polymer nanocomposites based on unsaturated polyester resin were obtained to withstandfire effect. The ZnO and Al2O3 nanoparticles were synthesized and used with intumescentflame retardants to enhance fre resistance of unsaturated polyester nanomaterials.
Keywords: nanomaterials, flame retardant, ZnO and AlO3 nanoparticles, nanoparticles, heat resistance.
В настоящее время композиционные материалы на основе ненасыщенных полиэфирных смол (НПЭС) имеют большой интерес в различных областях, таких как авиационная, автомобильная, строительная и железнодорожная. Несмотря на широкое применение НПЭС и ее преимуществ в экономическом плане, она характеризуются низким сопротивлением к открытому пламени и высоким температурам. В процессе горения полиэфирные смолы разрушаются с образованием токсичных газообразных соединений [1]. Выделение токсичных газов при горении материалов является главной причиной гибели людей в условиях пожара.
С целью повышения огне- и термостойкости полимеры модифицируют самыми различными способами. Чаще всего используют галогенсодержащие добавки в качестве антипиренов, однако они выделяют токсичные вещества, поэтому множество работ посвящено получению эффективных нетоксичных антипиренов. Существует несколько основных подходов для решения проблем воспламеняемости и токсичности этих материалов. Использование системы из нескольких антипиренов является одним из наиболее перспективных [2]. Влияние антипиренов на огнестойкость материалов на основе НПЭС является сложным процессом, поэтому подбор анипиренов и создание композиционных материалов с их использованием является сложной задачей [3].
Соединения металлов, как известно, снижают горючесть полимеров при их добавлении в матрицу. Однако использование огнезащитных добавок в большом количестве нарушают целостность полимерной матрицы и ее свойства, такие как механические, ухудшаются. Применение нанометровых
аналогов этих соединений решают данные проблемы благодаря высокой удельной площади частиц.
Эффективная система антипиренов, как правило, должна состоять из частиц соединений металлов нанометрового диапазона и традиционного антипирена. В данной работе в качестве традиционного антипирена использовалось полифосфат меламина (ПФМ). Наночастицы оксидов переходных металлов, такие как оксиды титана, алюминия, цинка, железа, лантана и других, являются хорошими синергетическими агентами при совмещении с некоторыми вспучивающимися огнезащитными добавками, такими как выше упомянутый ПФМ.
В данной работе наночастицы Al2O3 и ZnO были получены и использованы в качестве катализаторов процесса образования кокса и полифосфат меламина. ПФМ в процессе горения способствует образованию вспученного коксового слоя, увеличивающегося в объеме до 50 раз по сравнению с коксом, образованном при горении обычных антипиренов. При комбинировании этих огнезащитных добавок в настоящей работе было обнаружено, что наночастицы оксида алюминия и цинка при использовании их в небольших количествах способствуют увеличению образования коксового остатка в полимерном материале, содержащий ПФМ. Кокс, образованный на поверхности композита, содержащего систему антипиренов, представляет из себя более плотный, твердый остаток с меньшим количеством трещин по сравнению с композитами с одной добавкой в виде ПФМ.
Наночастицы А1^3 и ZnO были получены методом химического осаждения из раствора. Для синтеза наночастиц А1^3 и ZnO за основу выбраны
способы, описанные в [4,5]. На первом этапе были получены наночастицы А1(ОН)3 и Zn(OH)2, соответственно. На втором этапе гидроксиды алюминия и цинка термически разлагались с образованием наночастиц оксида алюминия и оксида цинка. Нанокомпозиты на основе НПЭС получали добавлением наночастиц оксидов с концентрацией 2 мас.% и полифосфата меламина с концентрациями 3, 4, 5, 6 мас.% в полимерную матрицу. Полученную смесь подвергали воздействию ультразвука в течение 15 минут для равномерного распределения частиц в матрице. Далее были получены образцы при последовательном добавлении инициатора и ускорителя отверждения при перемешивании со скоростью 400 об/мин. Полученные композиционные материалы выдерживались при температуре 60 °С в течение 4 часов.
На схеме 1 представлены образцы наноматериалов на основе полиэфирной смолы, содержащие 3, 4, 5, 6 мас.% ПФМ и 2 мас.% наночастиц оксидов металлов (2лЮиА1203).
-_/
4Г Ф
НЭПО 2%гпО+ ПФМ(з,4,5,б]% НЭПС+ 2%А1гОз+ ПФМ|з,4,5,б)5б
Рис. 1. Методика получения композиционных наноматериалов В данной работе изучали влияние наночастиц оксидов цинка и алюминия и ПФМ на скорость горения нанокомпозиционных материалов. Al2O3 и ZnO выступали в качестве катализаторов образования коксового слоя в процессе горения композита, который защищает поверхность материала от пламени, окислителя и горючих газов. К тому же наночастицы выступают в роли физического керамического барьера в процессе горения. На рисунке 1 представлены зависимости значений скорости горения при различных массовых концентрациях ПФМ и при 2 мас.% содержании Al2O3 или ZnO. Скорость горения композита уменьшается при увеличении концентрации ПФМ. Это значит, что огнестойкость материала увеличивается с увеличением концентрации вспучивающегося антипирена в присутствии небольшого количества наночастиц оксидов алюминия или цинка. Лучшие результаты показали образцы
композитов с содержанием ПФМ 4, 5 и 6 мас.% с наночастицами А12О3 2 мас.% (0,137, 0,132 и 0,126 мм/сек, соответственно) и 6 мас.% ПФМ с 2 мас.% ZnO (0,133 мм/сек). Наилучший результат показал образец с содержанием 4 мас.% ПФМ и 2 мас.% Al2O3 в отношении двух параметров - скорости горения и общего содержания антипиренов в полимерной матрице. То есть достигается минимальная скорость горения при минимально возможной концентрации наполнителей. То есть повышается огнестойкость материала и при этом практически не ухудшаются механические свойства, так как процентное содержание наполнителей минимально возможное.
1Мн
о
исяодиая 3% ПФМ 44.:. ПФМ 5« ПФМ ft". ПФМ
концерн! рацин ПФМ
Рис. 2. Зависимость скорости горения от концентрации ПФМ в полиэфирной матрице Таким образом, наночастицы Al2O3 и ZnO в сочетании со вспучивающимся антипиреном ПФМ повышают огнестойкость композиционного материала на основе НПЭС. Данное улучшение наблюдается благодаря синергетическому действию огнезащитных добавок и каталитическому действию наночастиц, также как и образованию ими керамического физического барьера на поверхности композита.
Список литературы
1. Laachachi, A., Leroyb, E., Cocheza, M., et al., Use of Oxide Nanoparticles and Organoclays To Improve Thermal Stability and Fire Retardancy of Poly(Methyl Methacrylate) // Polym. Degrad. Stab. — 2005. — Vol. 48. — P. 344-352
2. Zhi-sheng Xua, Long Yana, Lei Chena. Synergistic Flame Retardant Effects between Aluminum Hydroxide and Halogen-Free Flame Retardants in High Density Polyethylene Composites // Procedia Engineering. — 2016. — Vol. 135. — P. 631- 636.
3. 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. — 2017. — Vol. 29. — P.167-171.
4. Серцова А.А., Юртов Е.В. Разработка наноструктурированных составов для повышения огнестойких свойств полимерных материалов. Диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. 2010. C. 38-40.
5. Добровольский Д.С., Беловощев Н.А., Насырова Л.А., Маракулин С.И., Серцова А.А., Юртов Е.В. разработка метода получения наночастиц оксида алюминия методом химического осаждения с дальнейшим термическим разложением // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Том 31, № 13. РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2017. C. 31-32.
