ГЛАВНОЕ

Союз переработчиков пластмасс

ПОЛИМЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ: газета, купить и продать оборудование, цены на полимеры, изделия из пластмасс, книги, маркетинг, вакансии
стать партнером


Рейтинг@Mail.ru

Медиаплан 2018

 СТАТЬИПОЛИМЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ : СТАТЬИ И ОБЗОРЫ

Перспективы применения нано-технологий в производстве изделий из полимерных материалов

Тема: Технологии

 Широкое использование полимеров и композиционных материалов на их основе приобретает все большее значение во всех отраслях народного хозяйства. Одними из главных характеристик, ограничивающих их применение, является недостаточная термостабильность и высокая горючесть. Существующие методы создания материалов пониженной горючести (синтез негорючих полимеров, химическая модификация, введение наполнителей и антипиренов, нанесение огнестойких покрытий) частично решают указанную проблему, но при этом приводят к усложнению и удорожанию технологии переработки полимеров, к ухудшению физико-химических и механических свойств конечных продуктов.

В последнее время все больше внимания уделяется различным вариантам поверхностной модификации, особенно таких полимерных материалов, которые характеризуются большой величиной отношения площади поверхности к объему (волокна, микросферы, пенопласта, пленки). Эффективность и преимущества данного способа обусловлены существенным влиянием физико-химического состояния поверхности на термоокислительное разложение полимера, так как именно к поверхности имеет наиболее свободный доступ кислород воздуха. Окислительные реакции на границе раздела фаз (полимер-окислитель) в условиях воздействия температуры или пламени во многом определяют ход термодеструкции как в газовой фазе, так и термический распад в объеме материала.

Одним из перспективных направлений в области физической химии и технологии твердых веществ является модифицирование поверхности материалов по методу молекулярного наслаивания (МН) с целью регулирования в заданном направлении их эксплуатационных характеристик. Суть метода заключается в реализации в условиях максимального удаления от равновесия химических реакций на поверхности твердого тела между подводимыми извне реагентами и функциональными группами подложки. В отличие от традиционных способов модифицирования (пропитка, соосаждение, распыление, осаждение и др.) метод МН обеспечивает равномерное распределение модификатора на поверхности, прочную (химическую) связь его с поверхностью, высокую точность (на уровне моноатомных и мономолекулярных структур) задания состава и толщины модифицирующего слоя.

В настоящем сообщении представлены результаты исследований, но влиянию наноструктур, синтезированных на поверхности различных полимерных материалов, на их горючесть и термоокислительные свойства. Формирование поверхности заданного состава осуществляли с использованием химической нанотехнологии, основанной на принципах метода молекулярного наслаивания. В работе использованы как полимеры, при пиролизе которых наблюдается практически полное разрушение макромолекул (полиэтилен высокого давления - ПЭВД), так и материалы, образующие при термовоздействии коксовый остаток (фенолоформальдегидные микросферы - ФФМ, пенопласт марки ПЭН-И, полиамид-6). В качестве модифицирующих реагентов применяли хлориды фосфора и гитана, оксохлориды ванадия и хрома. Синтез элементсодержащих структур осуществлялся в проточных условиях по следующим направлениям:

- поверхностная обработка низкомолекулярными реагентами готовых изделий (микросферы, пенопласты, пленки);
- химическое модифицирование поверхности наполни гелей, входящих в состав полимерных композиционных материалов.

Результаты проведенных химико-аналитических и спектроскопических (ИКС, ЭСДО) исследований синтезированных продуктов свидетельствуют о том, что при поверхностном модифицировании осуществляются химические реакции между низкомолекулярными реагентами и реакционноспособными группами полимерных материалов. Причем, согласно результатам химико-аналитических исследований, содержание добавки составляет 0,1 -1,0 % мас., что значительно меньше, чем при объемных способах модифицирования полимеров. Последнее обстоятельство имеет немаловажное значение для сохранения физико-механических характеристик материалов.

Влияние стабилизирующих поверхностных структур на термоокислительные свойства и горючесть полимерных материалов было изучено на примере фосфорсодержащих нанодобавок. В таблице 1 представлены характеристики термостабильности различных исходных и модифицированных полимеров.

Таблица 1. Результаты дериватографических исследований (по кривой TG) исходных и модифицированных полимерных материалов

Полимерный материал

Полимерный материал

Температура начала разложения, 0С

Температура 50%-ной потери массы, 0С

Коксовый остаток при 600 0С, %

ФФМ

исходный

280

410

8,7

 

модифицированный

320

460

17,6

ПЭН-И

исходный

260

380

6,3

 

модифицированный

340

410

12,5

ПА-6

исходный

250

-

5,5

 

модифицированный

275

-

13,0

ПЭВД

исходный

223

407

3,0

 

модифицированный

283

434

10,5

 

 

 

 

 


Как следует из данных таблицы 1, введение фосфорсодержащих группировок в поверхностный слой полимера приводит к увеличению температуры начала разложения на 25-80 0С, температуры 50%-ной потери массы на З0-50 0С, коксового остатка при 600 0С в 2-3 раза по сравнению с исходными образцами. Кроме того, на кривых ДТА модифицированных фенолоформальдегидных микросфер и полиамида-6 происходит исчезновение экзотермических эффектов разложения при температурах 340 0С и 200 0С соответственно, связанных с разрушением "слабых" связей деструкционного процесса с образованием СО, СО2 и частичной дегидратацией полимеров. В таблице 2 представлены данные испытаний на горючесть методом "огневой трубы" исходного и модифицированного образцов пенопласта марки ПЭН-И.

Таблица 2. Химический состав и горючесть фосфорсодержащих образцов пенопласта марки ПЭН-И

Кол-во циклов обработки

Содержание фосфора, %

Время зажигания, с

Время сам. горения, с

Потеря массы, % 

1

0

0

8

221

43,5

2

1

0,05

10

55

8,6

3

3

0,67

20

40

5,6

4

5

1,19

55

20

3,9

5

7

1,87

150

0

2,9


Из данных, представленных в таблице 2, следует, что проведение многократной и попеременной обработки поверхности материала парами PCI3, и Н20 приводит к увеличению содержания замедлителя горения в пенопласте и позволяет закономерно и целенаправленно снижать горючесть образцов. Однако основной вклад в повышение огнестойкости пенопласта вносит первый цикл обработки полимерного образца (образец 2, табл.1), что свидетельствует о проявлении характерного для продуктов МН "эффекта монослоя". На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что в процессе химического модифицирования с применением химической нанотехнологии МН, происходит блокировка на поверхности полимера "активных" центров, ответственных за протекание деструкционного процесса. Причем такая блокировка может осуществляться непосредственно в процессе синтеза за счет замены реакционноспособных группировок, легко образующих при тепловом воздействии перекисные радикалы, на термостабильные фрагменты с высокими значениями энергии связи.

Следует отметить еще один фактор повышения ингибирующего действия при использовании данной нанотехнологии, а именно, высокая концентрация замедлителя горения на поверхности полимера. Если при горении образца с объемно введенными добавками последние постепенно диффундируют к поверхности, то в рассматриваемом способе элементсодержащие структуры уже изначально сконцентрированы на поверхности материала.

Несомненный интерес представляет модифицирование поверхности дисперсных минеральных наполнителей. Результаты, представленные в таблице 3 иллюстрируют эффективность использования оксида алюминия, на поверхности которого синтезированы фосфор- и титаноксидные наноструктуры, обеспечивающие снижение горючести пенопласта марки ПЭН-И.

Таблица 3. Сравнительная оценка горючести пенопласта марки ПЭ11-И, наполненного оксидами титана, алюминия, их механической смесью, титан- и фосфорсодержащим оксидом алюминия. Массовая доля наполнителя 16,0 %

Наполнитель

Время заж., с

Время сам. горения, с

Потеря массы, %

Э/Al

1

Al2O3

6,0

103

55,6

-

2

TiO2

5,5

109

59,6

-

3

Смесь Al2O3-TiO2

6,5

92

45,2

0,07

4

Фосфоросодержащий Al2O3

6,5

60

23,5

0,47

5

Титаносодержащий Al2O3

7,0

21

12,3

0,07


Как следует из данных таблицы 3, введение оксида алюминия, модифицированного как соединениями фосфора, так и соединениями титана, приводит к снижению горючести материала (образцы 4, 5). Несколько неожиданным, на первый взгляд, является то, что эффективность AI2O3, с титаноксидными наноструктурами на поверхности оказалась выше, чем у образцов с фосфоркислородным покрытием наполнителя. Вероятно, это связано с различным механизмом ингибирования деструкционных процессов данных замедлителей горения.

Была проведена сравнительная оценка горючести пенопласта марки ПЭН-И, наполненного оксидами титана, алюминия, их механической смесью, а также оксидом алюминия с титансодержашими наноструктурами на поверхности. Из результатов таблицы 3 следует, что традиционное объемное введение в материал исходных оксидов не приводит к повышению огнестойкости пенопласта (образцы 1, 2). Очень незначительный эффект снижения горючести наблюдается при введении механической смеси оксидов, близкой по составу к наполнителю, модифицированному методом МН (образец 3). Нанесение титаноксидных наноструктур на развитую поверхность напол¬нителя и его объемное введение в композицию способствует снижению, как времени самостоятельного горения, так и потери массы при горении полимера (образец 4).

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при решении проблем снижения горючести полимерных материалов необходимо учитывать не только химическую природу замедлителя горения, но и способ его введения в материал.

В заключении следует подчеркнуть экологичность нанотехнологии, основанной на методе МН. С одной стороны, проведение процесса можно организовать в условиях замкнутого цикла, что позволит значительно снизить загрязнения окружающей среды. С другой стороны, как показали результаты масс-спектроскопических и хроматографичееких исследований модифицированных материалов, введение фосфороксидных структур в поверхностный слой способствует значительному снижению вредных газовых компонентов, являющихся основной причиной гибели людей. В свою очередь, использование модифицирующих каталитических добавок способствует более быстрому и полному разложению полимеров (таблица 4).

Таблица 4. Горючесть модифицированных образцов пенопласта марки ПЭН-И

Модификатор

Время зажигания, с

Время сам. горения, с

Потеря массы, %

-

8

221

43,8

фосфор

10

55

8,6

ванадий

10

120

63,0

хром

9

190

57,2


Как видно из данных таблицы 4, если исходный пенопласт характеризуется временем самостоятельного горения 221 с., а потеря массы при этом составляет 43,8 % (образец 1), то введение в поверхностный слой ванадийсодержащих структур снижает время горения до 120 с., а потеря массы составляет 63,0 % (образец 3). При этом, согласно данным дериватографических исследований, термодеструкционные процессы полимеров с каталитическими добавками на поверхности происходят при более низких температурах, что может быть использовано при утилизации отходов. Таким образом, представленные результаты свидетельствуют об эффективности и перспективности нанотехнологии, основанной на методе МП для целенаправленного регулирования функциональных свойств полимерных и композиционных материалов.

Малыгин Л.А. д.х.н., профессор, проректор по науке;
Раскин Е.Б. к.т.н., доцент;
Трифонов С.А. к.х.н., вед.науч.сотр.,


Plastinfo.ru

Источник:

СТАТЬИ ПО ТЕМАМ
 Технологии [140]     Изделия [74]   
 Оборудование [40]     Сырье [104]   
 Обзоры рынков [162]     Интервью [83]   
 Репортаж [25]     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