CC BY
12
УДК 66.099
Будаев А. В., Корягина П. С., Кравченко Т.П., Цыриторов Ц.Б.
ВЛИЯНИЕ ТРИГИДРАТА АЛЮМИНИЯ И ОКИСИ СУРЬМИ НА ТЕРМОСТОЙКОСТЬ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СШИТОГО СИЛАНОЛЬНЫМ СПОСОБОМ ПОЛИЭТИЛЕНА
Будаев Алексей Витальевич - магистрант 1-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс; budaevaleksey98@gmail.com.
Корягина Полина Сергеевна - магистрант 1-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс; Кравченко Татьяна Петровна - кандидат технических наук, главный специалист кафедры технологии переработки пластмасс;
Цыриторов Цырен Батомункуевич - аспирант 3-го года обучения кафедры технологии переработки пластмасс;
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В статье рассмотрены влияние тригидрата алюминия и окиси сурьмы на термостойкость, механические и огнезащитные свойства сшитого силаном полиэтилена низкой плотности. Показано, что при введении антипиренов в силанольносшитый полиэтилен термостойкие свойства полученного композита повышаются. Ключевые слова: силанольная сшивка, антипирены, кислородный индекс, синергетический эффект, термостойкость, полиэтилен.
INFLUENCE OF ALUMINUM TRIHYDRATE AND ANTIMONIUM OXIDE ON THERMAL RESISTANCE AND MECHANICAL CHARACTERISTICS OF SILANOL-CROSSED POLYETHYLENE
Budaev A.V., Koryagina P.S., Kravchenko T.P., Tsyritorov T.B.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
The article considers aluminum trihydrate and antimony oxide for heat resistance, mechanical and fire-retardant properties of silane-cross-linked low density polyethylene. It is shown that the introduction of fire retardants into silanol-crosslinked polyethylene increases the heat-resistant properties of the resulting composite. Key words: silanol crosslinking, fire retardants, oxygen index, synergistic effect, heat resistance, polyethylene.
Введение
В настоящее время относительно недавно началось внедрение в производство силовых кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена в нашей стране. Использование изоляции из силанольносшитого полиэтилена позволяет увеличить температурный диапазон эксплуатации кабельной продукции до 150 С [1]. Однако, одной из проблем эксплуатации кабелей с изоляцией из сшитого силанольным способом полиэтилена является то, что на предприятиях кабельной отрасли не всегда обеспечивается необходимая степень сшивания и это приводит к негативным последствиям, таким как горение [2]. Горючесть полимеров обусловлена высоким содержанием углерода и водорода, из которого состоят макромолекулы. При нагревании макромолекулы легко распадаются на низкомолекулярные насыщенные и ненасыщенные углеводороды, которые подвергаются
экзотермическим реакциям окисления. Единственное, что можно сделать, - это снизить их способность к возгоранию и поддержанию горения. Для этой цели, применяются добавки-антипирены, влияние которых рассмотрены в данной работе [3-4].
Экспериментальная часть
В качестве полиэтилена использовали полиэтилен низкой плотности (ПЭНП) марки Marpol LL6F803. Полимер производится в США компанией Marco Polo International Inc. Силан был виниловый триметоксисилан, под торговым наименованием
Dynasilan от Silvento, Германия, в жидкости. В качестве инициатора использовали перекись дикумила с торговым названием Dicup- from Hercules. Негалогенными антипиренами были тригидрат оксида алюминия и триоксид сурьмы в форме порошка от Merck. Оптимальное соотношение используемых наполнителей в композиционном материале подобрано экспериментальным путем. Для получения образцов сшитого полиэтилена был выбран двухстадийный метод сшивания Sioplas. Содержание геля в полиэтилене, сшитом силаном, определяли согласно ГОСТ Р 56782-2015. Растворителем, используемым при анализе содержания геля, был ксилол. Свойства при растяжении определяли с использованием Instron 6025 в соответствии с ГОСТ 34370-2017. Характеристики воспламеняемости были охарактеризованы с использованием предельного кислородного индекса в соответствии с ГОСТ 2179376. Предельный кислородный индекс был определен как минимальный мольный процент кислорода в смеси кислорода и азота, необходимый для того, чтобы едва поддерживать горение материала в пламени первоначально при комнатной температуре в условиях метода испытаний.
Обсуждение результатов
Во многих областях применения существует потребность в улучшении свойств полиэтилена, в частности в отношении сопротивления тепловой деформации, но также может быть важным улучшение химической стойкости, растрескивания
под напряжением. Рассмотрим влияние антипиренов на огнезащитные характеристики сшитого полиэтилена.
Таблица 1 суммирует кислородный индекс при низком содержании кислорода и состав исследуемых образцов. Как видно из данной таблицы, кислородный индекс для сшитого полиэтилена выше, чем у чистого ПЭНП. Это может объясняться повышением термической стабильности ПЭНП вместе со сшиванием.
Из таблицы 1 видно, что эффективность гидроксидов металлов более выражена при высокой нагрузке (>30 м.ч). Сравнение между образцами 6 и 10 показывает, что сшивание наполненного ПЭНП повышает предельный кислородный индекс.
Важный результат, показанный в таблице 1, — это использование Al(OH)з и Sb2Oз, для которых кислородный индекс значительно увеличивается.
Другими словами, присутствует синергетический эффект при использовании Al(OH)з вместе с Sb2Oз. К тому же интересно отметить, что при аналогичной нагрузке - особенно при более высоких нагрузках -тригидрат оксида алюминия ингибирует сгорание
Данные таблицы 1 показывают, что предельный кислородный индекс повышается с числом тригидрата алюминия и триокиси сурьмы. В общем гидроксиды металлов, как ожидается, подавляют горючесть полимеров в основном с помощью разбавления горючего водяным паром, увеличивая теплоемкость материала и изолируя подложку от источника тепла и тем самым снижая скорость термической деградации.
Таблица 1. Предельный кислородный индекс
более эффективно, чем триоксид сурьмы. Некоторые исследователи изучали механизм действия А1(ОН)3 и Sb2Oз. Считается, что Sb2Oз эффективен в сочетании с антипиренами на основе галогенов. Некоторые исследователи изучили взаимодействие и синергизм гидроксидов металлов с боратом цинка и гидроксистаннатом цинка.
В таблице 2 приведены результаты следующих композиций: прочность при растяжении и разрыве чистого ПЭНП (образец №1), СПЭ (образец №4), ПЭНП - А1(ОН)з (образец №2), СПЭ- А1(ОН)з (образец №5), ПЭНП - Sb2Oз (образец №3) и СПЭ -Sb2Oз (образец №6).
Образец №: Относительное удлинение при разрыве,,% Предел прочности, МПа Sb2Oз [м. ч] А1(ОН)3 [м. ч]
1 576 12.2 0 0
2 23 8.4 0 30
3 48 10.5 30 0
4 395 14.5 0 0
5 22 11.7 0 30
6 30 12.7 30 0
7 23 11.7 15 15
Образец №: Sb2Oз [м. ч] А1(ОН)3[м. ч] Винилтриметоксисилан [м. ч] (Ш1), %
1 0 0 0.0 17
2 0 0 1.5 20.4
3 0 30 0.0 22
4 0 10 1.5 19.7
5 0 20 1.5 21
6 0 30 1.5 24
7 30 0 0.0 18
8 10 0 1.5 19
9 20 0 1.5 20
10 30 0 1.5 22
11 15 15 1.5 26
Таблица 2. Влияние А1(ОН)з и БЪ20з на растяжимость СПЭ
Совершенно очевидно, что при добавлении А1(0Н)3 и Sb2O3 прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве значительно снижаются. Возможно, это связано с недостаточным взаимодействием между полимером и наполнителем, что приводит к ухудшению их свойств. В отличие от этого, при сшивании ПЭНП повышается прочность при растяжении (образцы 5, 6, 7, 2, 3). Влияние А1(0Н)3 на прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве сшитого полиэтилена показано на рисунке 1.
400 £
10 20 А1(ОН)3 (масс.ч.)
Рис. 1. Изменение прочности на разрыв и удлинения при разрыве СПЭ с содержанием А1(0Н)з
Такие же результаты были получены и для образцов СПЭ^Ь203 (рис. 2).
15-
г
£ 14-
Предел прочности
Относительное удлинение при разрыве
13-
| 12-
11 ■
-т-
10
-г-
20
30
450 370 290 210 ИЗО 50 -30
5Ь.О, (масс.ч.) О
Рис. 2. Изменение прочности на разрыв и удлинения при разрыве из сшитого полиэтилена с содержанием Sb20з
Как правило, уменьшаются с наполнителя.
механические свойства увеличением содержания
Заключение
На основании полученных в работе данных можно сделать вывод, что образцы, наполненные гидроксидами металлов в качестве антипирена, демонстрируют значительное увеличение
термических свойств по сравнению с исходным силанольносшитым полиэтиленом. Кислородный индекс увеличивается с увеличением содержания А1(ОН)3 и Sb2Oз. Однако, несмотря на увеличение термостойкости сшитого полиэтилена, совершенно очевидно, что при добавлении А1(ОН)3 и Sb2Oз прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве значительно снижаются. Возможно, это связано с недостаточным взаимодействием между полимером и наполнителем. Механические свойства уменьшаются с увеличением содержания наполнителя. По мере сшивания механические свойства наполненного ПЭНП улучшаются.
Список литературы
1. Мещанов Г.И., Пешков И.Б. Кабельная промышленность России - 2019. Итоги и прогнозы // Кабели и Провода. - 2020. - №1 (381). - 10 с.
2. Русанова С. Н. Модификация сополимеров этилена с полярными сомономерами предельными алкоксисиланами: дис. ...канд.техн.наук - Русанова Светлана Николаевна-К., 2017. 149 с.
3.Кодолов В. И. Замедлители горения полимерных материалов.- М.: Химия, 1980.274с.
4.Табароский Л. Ю., Дмитриева Ю. Н. Огнебиозащита второго поколения//Промышленные покрытия. - 2013. - №5-6. - С. 60-61.
