ГЛАВНОЕ

Союз переработчиков пластмасс

ПОЛИМЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ: Новости. Статьи. Цены. Выставки. Торговля. Вакансии : Оборудование, пластмассы, пластики, изделия
стать партнером


Рейтинг@Mail.ru

Медиаплан 2018

 СТАТЬИПОЛИМЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ : СТАТЬИ И ОБЗОРЫ

Нанокомпозиты: новый класс антипиренов для полимеров

Тема: Сырье

Одним из перспективных направлений в науке о полимерах и материаловедении последних лет является разработка принципов получения полимерных нанокомпозитов, которые являются новейшим типом функциональных материалов и могут быть использованы в самых разнообразных отраслях применения пластмасс.

Модифицированные слоистые силикаты, используемые в качестве наполнителей, диспергируются на наномерном уровне внутри полимерной матрицы, придавая ей новые, экстраординарные свойства. Посредством нанокомпозитов удаётся улучшить термическую стабильность полимеров и придать им относительную стойкость к горению. Огнестойкость слоистых нанокомпозитов заключена в их структуре и основана на способности обугливаться. Доктор Gnter Beyer (компания Kabelwerk Eupen AG, Бельгия) освещает современное состояние области нанокомпозитов как нового класса антипиренов для полимеров.

Горение полимеров и материалов на их основе являлось предметом пристального научного и практического изучения на протяжении всего прошлого столетия. На современном этапе развития полимерной химии эта проблема приобрела всеобъемлющий характер системного поиска высокоэффективных и экологически чистых систем, снижающих горючесть полимерных материалов - антипиренов. Актуальность данной проблемы подразумевает также и отказ от хорошо известных в недалеком прошлом галогенсодержащих антипиренов, использование которых, как показала практика, приводит к существенному загрязнению окружающей среды. Диоксины, бензофураны и другие продукты сгорания галогенсодержащих антипиренов без сомнения представляют опасность для жизнедеятельности человека. В результате этого современный поиск новых систем, снижающих горючесть пластмасс, направлен на разработку экологически чистых огнезащитных добавок антипиренов.

Большая скорость выделения теплоты является причиной воспламеняемости и быстрого распространения огня. Скорость выделения теплоты контролирует интенсивность огня и поэтому это более важный фактор, чем воспламеняемость, токсичность дыма и распространение пламени. Этот же фактор контролирует возможное время эвакуации жертв пожара. Дымообразование является ещё одним важным видом опасности. Тёмноокрашенный дым дезориентирует людей, скрывая от них пути выхода из горящего здания. Кроме того, пожарные, разыскивающие людей в таких условиях, наталкиваются на серьёзные проблемы.

Острая токсичность газов, выделяющихся при пожаре, определяется содержанием монооксида углерода. "На совести" монооксида углерода около 90 % погибших при пожаре людей. Ежегодно, в Европе от огня гибнет около 5000 человек, в США - около 4000. Прямые потери от пожаров составляют 0.2 % валового национального продукта (ВНП), общие потери - 1 % ВНП. В этой связи разработка современных эффективных антипиренов для полимерных материалов, способных минимизировать потери при возникновении пожара, является актуальной проблемой материаловедения.

Полимеры находят все большее применение в традиционных и новых отраслях использования с повышенными требованиями к специфическим механическим, электрическим свойствам, а также к термостабильности. Другое важное свойство, определяющее направление использования полимера - поведение материала при возникновении огня. Безопасность использования материалов достигается следующими путями:

  • использование полимеров, содержащих огнегасящие компоненты в структуре (поливинилхлорид, фторполимеры);
  • использование антипиренов, таких как тригидрат алюминия, гидроокись магния, органические бромсодержащие соединения или интумесцентные (вспучивающиеся) системы для предотвращения горения полимеров, включая полиэтилен, полипропилен и полиамид.

    Эти системы антипиренов могут характеризоваться некоторыми весьма негативными проявлениями: использование гидроокиси алюминия и магния требует высокой степени наполненности антипиреном полимерной матрицы. Для достижения необходимой огнестойкости материалов в кабельной промышленности, например, степень наполнения антипирена должна составлять 60 %. Такое высокое содержание наполнителя в полимере приводит к увеличению плотности материала, недостаточной гибкости конечных продуктов, а также к ухудшению механических свойств, проблемам при компаундировании и переработке.

    В странах Европейского Союза на использование бромированных органических соединений в качестве антипиренов наложены серьёзные ограничения, вспучивающиеся системы являются относительно дорогими и не всегда соответствуют требованиям электробезопасности.

    Нанокомпозиты не имеют недостатков, присущих традиционным антипиренам. Вообще говоря, термин "нанокомпозит" описывает двухфазный материал, где подходящий наполнитель нано-размеров диспергирован в полимерной матрице. В сравнении с ненаполненными полимерами, соответствующие нанокомпозиты дают существенное улучшение свойств, в то время как содержание наполнителя составляет от 2 до 10% по весу.

    Слоистые силикаты как наполнители

    Силикаты, используемые в синтезе нанокомпозитов, представляют собой, как правило, слои толщиной около 1 нанометра. Длина и ширина таких слоёв может доходить до нескольких микрон. Tаким образом, соотношение линейных размеров и толщины частиц наполнителя относительно велико и обычно превышает 1000.

    Эти слои образуют скопления с зазорами между ними, называемыми прослойками или галереями. Изоморфное замещение внутри слоёв (Mg2+ замещает Al3+) генерирует отрицательные заряды, которые электростатически уравновешиваются катионами щелочных или щёлочноземельных металлов, расположенных в прослойках (см. Рисунок 1).

    Рисунок 1 : Структура слоистых силикатов


    Неорганические катионы внутри прослоек могут замещаться другими катионами. Замещение катионными поверхностно-активными веществами, такими, как объёмные алкиламмоний-ионы, увеличивает пространство между слоями и уменьшает поверхностную энергию наполнителя. Таким образом, эти модифицированные наполнители (называемые органоглинозёмами) лучше совмещаются с полимерами и образуют слоисто-полимерные силикатные нанокомпозиты. Наиболее часто используемыми среди слоистых силикатов являются монтмориллонит, гекторит и сапонит.

    Синтез нанокомпозитов

    Для приготовления нанокомпозитво "полимер-слоистый силикат" могут быть использованы несколько подходов. Трёмя основными процессами при этом являются: Пластовая полимеризация. Методика стала первым методом получения материалов типа "полимер-слоистый силикат" на основе полиамида-6. Модифицированный слоистый силикат заливается жидким мономером или раствором мономера, в результате чего разбухает. Мономер мигрирует сквозь галереи слоистого силиката и полимеризация происходит внутри слоев. Реакция полимеризации может быть инициирована теплотой, излучением или соответствующим инициатором.

    Методика с использованием растворителя. Для синтеза полимер-силикатного нанокомпозита используется полярный растворитель. Методика похожа на вышеописанную. Органосиликат разбухает в полярном растворителе, таком как толуол или N, N-диметилформамид. Затем добавляется растворенный в растворителе полимер, который распределяется между слоями силиката. Финальная стадия заключается в извлечении растворителя путем испарения в вакууме. Основное преимущество этого метода заключается в том, что "полимер-слоистый силикат" может получаться на основе полимера с низкой полярностью или неполярного материала. Тем не менее, этот метод не находит широкого использования в промышленности по причине большого расхода растворителя.

    Метод интеркаляции в расплаве состоит в смешении расплавленного термопласта с органо-глинозёмом с целью оптимизации взаимодействия между глиной и полимером. (см. Рисунок 2). В ходе интеркаляции полимерные цепи в существенной степени теряют конформационную энтропию. Вероятной движущей силой для этого процесса является важный вклад энтальпии взаимодействия полимер - органоглинозём при смешении и отжиге.

    Рисунок 2: Процесс интеркаляции в расплаве.


    Этот метод получил наибольшее применение и популярность. Стоит добавить, что слоистые нанокомпозиты успешно получают экструзией. Широкий перечень термопластичных полимеров, включая строго полярный полиамид-6, этиленвинилацетат и полистирол могут интерполироваться в слоистые силикаты. Тем не менее, процесс получения таких материалов на основе полиолефинов, представляющих собой наиболее распространенный класс полимерных материалов, пока недостаточно изучен.

    Свойства нанокомпозитов

    Нанокомпозиты демонстрируют существенные улучшения по сравнению с ненаполненными полимерами при содержании модифицированных слоистых силикатов в пределах 2-10 вес. %.

    Улучшения наблюдаются в:

  • механических свойствах, таких как прочность на растяжение, сжатие, изгиб и излом;
  • барьерных свойствах, таких, как проницаемость и стойкость к воздействию растворителей;
  • оптических свойствах;
  • ионной проводимости.

    Другие интересные свойства, демонстируемые нанокомпозитами "полимер-органоглинозём" включают повышенную термостабильность и стойкость к распространению пламени даже при очень низких концентрациях наполнителя. Формирование термоизоляции и незначительная проницаемость обугленного полимера для огня обеспечивают преимущества использования этих материалов.

    Термическая стабильность

    Термогравиметрический анализ (TГA) часто используется для того, чтобы охарактеризовать термическую стабильность полимеров. Потеря массы полимера вследствие улетучивания продуктов, образующихся при термическом разложении измеряется как функция от подъёма температуры. Неокислительное разложение происходит тогда, когда нагревание материала проводится в потоке инертного газа (скажем, гелия или азота) в то время как наличие в газовой среде кислорода дает возможность протекания реакций окислительного разложения.

    Термостабильность слоистого сшитого полидиметилсилоксана с содержанием 10 % органомодифицированного монтмориллонита была продемонстрирована в сравнении с ненаполненным сшитым полидиметилсилоксаном. [S.D. Burnside, E.P. Giannelis, Chem. Mater. 7 (1995) 1597]. Эксперимент показал, что разница между температурами, при которых достигалась 50%-ная потеря массы наполненной и ненаполненной композиции составляла 140 град. по Цельсию. (см. рис. 3).

    Рисунок 3: ТГА сшитого полидиметилсилоксана без добавления наполнителя и с содержанием 10 % органомодифицированного монтмориллонита.


    Значительное улучшение термостойкости нанокомпозита достигается за счет осложненной диффузии летучих продуктов разложения (циклические силоксаны) как прямого результата затрудненной проходимости, свойственной для слоистых нанокомпозитов.

    Традиционно производимые промышленностью антипирены, такие, как гидроксид алюминия или галогенсодержащие антипирены являются достаточно эффективными. Однако высокие концентрации антипиренов, не содержащих галогенов, которые требуются для достижения эффекта затухания пламени негативно влияют на физико-механические свойства самих полимеров. С другой стороны, галогенсодержащие полимеры рассматриваются как нежелательные во многих странах мира по экологическим соображениям. Кроме того, добавление в полимеры многих антипиренов приводит к образованию при тлении повышенных количеств ядовитого монооксида углерода и золы.

    Нанокомпозиты имеют много преимуществ перед традиционными антипиренами. В качестве наполнителей используются малые количества модифицированных слоистых силикатов. Таким образом, механические свойства у них такие же, как и у ненаполненных полимеров. Переработка нанокомпозитов весьма проста, при этом нанокомпозиты не содержат галогенов и рассматриваются как экологически дружественная альтернатива.

    Механизм подавления пламени посредством введения слоистых силикатных нанокомпозитов основывается на образовании углистого слоя и его структуре. Углистый слой изолирует базовый полимер от источника тепла и образует, тем самым, барьер, уменьшающий выделение летучих продуктов в процессе горения. Хотя подавление пламени является относительно новой сферой применения нанокомпозитов, в качестве наполнителей они весьма важны для создания относительно огнестойких полимеров с улучшенными свойствами. Сочетания органоглинозёмов с другими антипиренами-наполнителями, такими, как гидроксид алюминия, также демонстрируют многообещающие свойства.

  • Источник:

    СТАТЬИ ПО ТЕМАМ
     Технологии [139]     Изделия [74]   
     Оборудование [40]     Сырье [104]   
     Обзоры рынков [161]     Интервью [82]   
     Репортаж [24]     Все статьи   

    Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

    Редакция оплачивает на договорной основе
    технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
    и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

    Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

    По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию:
    Тел/Факс: +7 (495) 645-24-17
    Прислать сообщение


    Полное или частичное копирование любых материалов, опубликованных на Plastinfo.ru, для размещения
    на других Интернет сайтах, разрешается только с указанием активной гиперссылки на plastinfo.ru !

    Полное или частичное использование любых материалов, размещенных на Plastinfo.ru,
    в СМИ, печатных изданиях, маркетинговых отчетах, разрешается только с указанием ссылки
    на «Plastinfo.ru» и в некоторых случаях требует письменного разрешения ООО Пластинфо






    ОПРОС НА PLASTINFO.RU

    Ваша главная цель посещения выставки «Интерпластика 2019»:

    результаты


    Проводится с 30.10 по 01.02.2019

    Получаем результат...

    Ваша компания нуждается в господдержке?

    результаты


    Проводится с 05.11 по 31.12.2018

    Получаем результат...
    Загрузить каталог книг

    Новости

    Выставки и конференции
    Государство и бизнес
    Литература и образование
    Новые материалы и марки
    Обзоры и анализ рынков
    Обзоры СМИ
    Оборудование
    Объемы и мощности
    Отходы и экология
    Персоны и назначения
    Пресс-релизы, форс-мажоры
    Разработки изделий
    Слияния и новые имена
    Цены на сырье и изделия

    Объявления

    Продать
    Купить
    Вакансии
    Резюме
    Форум

    Информация

    Справочник покупателя
    Статьи и обзоры
    Глоссарий
    Выставки
    Опросы
    Стандарты
    Видео Plastube

    Подписка

    Бизнес газета
    Цены на полимеры
    Импорт и экспорт
    Магазин отчетов
    Магазин книг
    База полимеров
    Polyglobe

    О проекте

    Контакты
    Карта сайта
    Партнеры
    Реклама

    Информация доступна зарегистрированным пользователям после авторизации