WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Саблирова Юлия Мухамедовна

КОМПОЗИТЫ ПОНИЖЕННОЙ ГОРЮЧЕСТИ НА ОСНОВЕ

ПОЛИЭТИЛЕНА ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ, ПОЛИБУТИЛЕН-

ТЕРЕФТАЛАТА И СОЕДИНЕНИЙ БОРА

02.00.06 – высокомолекулярные соединения

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нальчик – 2006

Работа выполнена в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова.

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор

Борукаев Тимур Абдулович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Данилова-Волковская Галина Михайловна

доктор химических наук, профессор

Шаов Абубекир Хасанович

Ведущая организация: Северо-Кавказский

Горнометаллургический институт

(государственный технологический

университет), г. Владикавказ.

Защита состоится «25 » ноября 2006 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.076.09 при Кабардино-Балкарском госуниверситете им. Х.М. Бербекова по адресу: 360004, г.Нальчик, ул. Чернышевского, 173

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.

Автореферат разослан «___» ___________ 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Т.А. Борукаев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Развитие современной техники невозможно без исследования пластических масс, в особенности полимерных материалов с пониженной горючестью. Пожары, обусловленные воспламенением и горением полимерных материалов, ежегодно наносят большой ущерб различным отраслям экономики.

Снижение воспламеняемости и горючести полимеров, создание пожаробезопасных материалов является важной проблемой, требующей неотложного решения.

В настоящее время эффективным методом снижения горючести полимерных материалов является применение огнегасящих добавок – антипиренов. Но большинство из них в процессе горения образуют токсичные вещества, наносящие вред здоровью человека и окружающей среде. В связи с этим актуальной является проблема обеспечения пониженной горючести высокомолекулярных соединений высокоэффективными и экологически чистыми системами - антипиренами. При этом важным является отказ от широко применяемых, но токсически небезопасных галогенсодержащих соединений, оксидов сурьмы и т.д.

Общей тенденцией в данной области исследования являются также вопросы совместимости добавок с полимерами, влияние их на окраску материалов, прочностные свойства и технологичность, а также разработка целевых добавок для конкретнных типов полимерных материалов.

В лабораториях Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова разрабатывается одно из направлений получения полимерных композитов пониженной горючести, а именно снижение горючести полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и полибутилентерефталата (ПБТ) с помощью огнезащитных добавок – антипиренов (АП). В качестве таковых применяют экологически чистые соединения бора: В2О3, Н3ВО3, Na2B4O710H2O, смеси на основе ZnO и Н3ВО3. Механизм их действия обусловлен способностью соединений бора при горении к образованию кокса, а в случае Н3ВО3, Na2B4O7 10H2O также смещение выхода продуктов горения в сторону образования негорючих веществ – паров воды. В связи с этим работа представляет теоретический и практический интерес, так как решает задачи получения композиционных материалов пониженной горючести на основе ПЭВП, ПБТ и соединений бора.

Цель настоящей работы заключается в понижении горючести полибутилентерефталата и полиэтилена высокой плотности введением антипиренов, в качестве которых использовали соединения бора. При этом необходимым условием было максимальное сохранение исходного комплекса физико-механических свойств полимеров.

Для достижения этой цели требовалось решить ряд задач, особенно важными являются следующие:

  • Приготовление композитов на основе ПЭВП, ПБТ и соединений бора, исследование характеристик горючести образцов: продолжительности горения, кислородного индекса, коксового остатка;
  • Исследование реологических, термомеханических и деформационно-прочностных характеристик полученных композитов;
  • Исследование надмолекулярной структуры ПЭВП, ПБТ и композитов на их основе при введении соединений бора методом сканирующей зондовой микроскопией и рентгеноструктурным анализом;

Научная новизна. Получены новые композиты на основе ПЭВП и экологически безопасных замедлителей горения: В2О3, Н3ВО3, Na2B4O710 H2O, смеси на основе ZnO и Н3ВО3, ПБТ и В2О3. Изучены их горючесть и физико-механические свойства. Найдены оптимальные концентрации соединений бора для получения композитов пониженной горючести с хорошими эксплуатационными характеристиками. Установлено, что смесь на основе ZnO и Н3ВО3 проявляет лучшие антипирирующие свойства. Определены пороговые концентрации соединений бора, при которых сохраняются исходные эксплуатационные характеристики полимеров.

Практическая значимость работы. Применение соединений бора в качестве антипиренов позволяет получить композиты пониженной горючести с высокими эксплуатационными характеристиками, т.к. сохранение комплекса заданных физико-механических свойств ПЭВП и ПБТ в процессе хранения, переработки и эксплуатации является одним из основных требований, предъявляемых к ним. Важным, с практической точки зрения, фактором является невысокая стоимость, доступность используемых нами соединений и безопасность с точки зрения воздействия на окружающую среду.

Личный вклад автора. Все исследования были спланированы и выполнялись автором лично или при непосредственном его участии.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены: на II Всероссийской научно-технической конференции «Новые полимерные композиционные материалы» (Нальчик, 2005 г.); Малом полимерном конгрессе (Москва, ИНЭОС, 2005г).

Публикации. Основные результаты исследований изложены в 6 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка цитируемой литературы из 164 наименований зарубежных и отечественных авторов. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы исследования, цель работы, научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1. Литературный обзор. В данной главе приведен обзор и анализ литературы, посвященной вопросам получения огнестойких материалов; рассмотрены основные методы снижения горючести полиолефинов, сложных полиэфиров; указаны группы антипиренов, применяемых современной промышленностью, с целью получения пожаробезопасных материалов.

Глава 2. Посвящена обсуждению полученных результатов.

2.1 Изменение горючести композитов ПЭВП и ПБТ

при введении соединений бора

Понижение горючести полимерных материалов соединениями бора является перспективным направлением в связи с безвредностью и эффективностью данных соединений в качестве замедлителей горения.

В работе для понижения горючести ПЭВП промышленного производства марки 276 и ПБТ марки В-005 были использованы соединения бора: В2О3, Н3ВО3, Na2B4O710 H2O, смеси на основе ZnO и Н3ВО3. При этом рабочие композиты готовили методом экструзии. Содержание соединений бора варьировали в интервале 0,150,0 масс. %.

Следует отметить, что вследствие склонности ПБТ к гидролитической деструкции, в качестве огнезащитной добавки для данного полимера использовали борный ангидрид.

Эффективность антипирирующего действия соединений бора оценивали по результатам определения линейной скорости выгорания образцов, кислородного индекса и коксового остатка, определенного методом термогравиметрического анализа.

Определение линейной скорости выгорания показало, что полученные композиты отличаются пониженной горючестью по сравнению с исходными полимерами. Особенно отличаются композиты на основе ПЭВП с содержанием 5,010,0 масс.% В2О3, Н3ВО3 и ПБТ с содержанием 1,05,0 масс.% В2О3 (рис. 1).

Горение исходных ПЭВП и ПБТ сопровождается достаточно сильным капле- и дымообразованием. В отличие от них композиты, содержащие: В2О3, Н3ВО3, Na2B4O7 10 H2O, смеси на основе ZnO и Н3ВО3 горят значительно медленнее без образования капель расплава полимера и дыма. Последнее обстоятельство играет важную роль в предотвращении попадания вредных продуктов разложения полимерных материалов в окружающую среду.

Уменьшение линейной скорости выгорания и отсутствие капель расплава и дыма в полученных композитах связано с образованием оксидной стекловидной пленки на поверхности полимерного материала. Это образование снижает, во первых, выход горючих продуктов в газовую фазу, во вторых, уменьшает поток горючих газов к пламени. Следует отметить, что размеры и форма частиц АП играют существенную роль в замедлении горения. В частности, высокодисперсные частицы соединений бора, используемые в работе, обладая пластинчатой формой, по своей эффективности превосходят частицы с непластинчатой формой. Это связано с равномерным распределением частиц в поверхностной зоне полимерной матрицы. В свою очередь, такое распределение соединений бора приводит к образованию оксидной стекловидной пленки на поверхности образца, которая способствует охлаждению поверхностных слоев материала.

рис. 1. Концентрационная зависимость линейной скорости выгорания

композитов ПЭВП + АП. В качестве аптипирена использованы

B2O3 (1); H3BO3 (2); Na2B4O710Н2О (3)

Важно отметить, что большинство из замедлителей горения, к которым и относятся соединения бора, играют роль катализаторов дегидратации, полимеризации, процессов образования ароматических конденсированных колец, т.е. оказывают влияние на ход пиролиза полимеров при горении в направлении увеличения выхода нелетучего продукта. В частности, соединения бора являются хорошими катализаторами реакции дегидратации при температурах ниже 300 – 350°С, а выше этой температуры катализируют реакции полимеризации. Все эти свойства борного ангидрида способствуют значительному снижению горючести материалов и снижению сажеобразования и, следовательно, сокращению выбросов вредных веществ в окружающую природную среду. Очевидно, частицы борного ангидрида участвуют в газофазном катализе разложения паров воды с образованием радикалов ОН:

Н + Н2О ОН + Н2.

В свою очередь радикалы ОН непосредственно взаимодействуют с частицами сажи:

С (ТВ.) + ОН СО + Н

Образование негорючих продуктов разложения Н3ВО3, Na2B4O710H2O способствует уменьшению линейной скорости выгорания. Борная кислота является одновременно наполнителем и АП. Первым этапом разложения Н3ВО3 является отщепление молекул Н2О. В интервале температур 100-2500С наблюдается уменьшение массы Н3ВО3. Такое поведение композитов ПЭВП + Н3ВО3 связано со свойствами Н3ВО3. Известно, что борная кислота при высоких температурах вначале переходит в метаборную, а затем в тетраборную кислоту и, наконец, в борный ангидрид:

4Н3ВО3 4НВО3 Н2В4О7 2В2О3.

При этом, как видно, на каждой стадии происходит выделение молекулы воды. Именно за счет испарения воды в процессе разрушения Н3ВО3, Na2B4O7 10H2O в предпламенной зоне снижается температура поверхности материала. Кроме того, пары воды вытесняют кислород из зоны горения. Конечным продуктом разложения Н3ВО3 является В2О3, который образуется на поверхности материала в виде оксидной стекловидной пленки.

Для композитов с содержанием в качестве замедлителя горения Na2B4O710H2O наблюдается вспенивание образцов. Последнее обстоятельство очень важно при получении композитов пониженной горючести, т.к. при образовании пены происходит изменение физических характеристик горения. Вспененный слой способствует замедлению окислительных процессов, нарушается тепло- и массообмен, что может привести к затуханию горения образца.

В случае композитов ПБТ + В2О3 линейная скорость выгорания также уменьшается с повышением содержания борного ангидрида (рис.2). Очевидно, это связано с образованием при горении на поверхности образца оксидной стекловидной пленки борного ангидрида, которая ухудшает параметры процессов тепло- и массопереноса, что способствует понижению горючести.

Эффективными методами для оценки класса горючести являются определение кислородного индекса (КИ) и коксового остатка (КО). Кислородный индекс характеризует минимальное количество кислорода в кислород - азотной смеси, которое обеспечивает горения. Коксовый остаток определяли по результатам термического анализа.

рис. 2. Концентрационная зависимость линейной скорости

выгорания композитов ПБТ + B2O3

Данные по КИ и КО согласуются с данными по оценке продолжительности горения композитов. Соединения бора в той или иной степени понижают горючесть полимерных материалов. Так, для ПБТ введение B2O3 в полимерную матрицу в количестве 1,0-5,0 масс. % приводит к повышению кислородного индекса и коксового остатка в 1,5 раза (рис. 3).

рис. 3. Концентрационная зависимость кислородного индекса (1)

и коксового остатка (2) композитов ПБТ + B2O3

Рис.4. Зависимость кислородного индекса композитов ПЭВП + АП

от содержания В2О3 (1), Н3ВО3 (2), Na2B4O7 10H2O (3)

В случае ПЭВП оптимальным является содержание В2О3, Н3ВО3 – 5,0-20,0 масс.%, т.к. при этом КИ > 25%, КО > 20%, что подтверждает предположение о том, что соединения бора понижают горючесть полимеров и позволяет назвать данные композиты трудногорючими (рис. 3-5).

Анализ действия буры как антипирена показал некоторое увеличение КИ и КО композитов. Однако эти значения ниже характерных для материалов пониженной горючести.

Рис. 5. Зависимость коксового остатка композитов ПЭВП + АП

от содержания В2О3 (1), Н3ВО3 (2), Na2B4O710H2O (3)

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»