Повышение пожарных свойств полиэтилена

АННОТАЦИЯ

 В статье исследуются физико-химические свойства антипирена, содержащего фосфор, азот и металлы. Проведены исследования антипирена, синтезированного для улучшения огнезащитных свойств полиэтилена, методами ИК-спектроскопии, сканирующим электронным микроскопом, элементным анализом, термическим анализом.

ABSTRACT

The article examines the physical and chemical properties of a fire retardant containing phosphorus, nitrogen and metals. Research has been carried out on the fire retardant synthesized to improve the fire-retardant properties of polyethylene by the methods of IR spectroscopy, scanning electron microscope, elemental analysis, and thermal analysis.

Ключевые слова: полиэтилен, полимер, плотность, огнестойкость, магний, алюминий, фосфор, антипирен, азот, растровый электронный микроскоп, ИК-спектр.

Keywords: polyethylene, polymer, density, fire resistance, magnesium, aluminum, phosphorus, fire retardant, nitrogen, scanning electron microscope, IR spectrum.

Введение. Полиэтилен – термопластичный материал, являющийся одним из основных синтетических полимеров. Полиэтилен обладает превосходной химической стабильностью и химической стойкостью и широко используется во многих областях благодаря своей не токсичности, низкой плотности, легкому весу и низкой стоимости. Полиэтилен - очень легковоспламеняющееся вещество, и при утечке жидкости возникает пожар, что способствует легкому распространению огня. По этой причине его нельзя использовать в зонах с высоким риском возгорания. Добавки с различными огнезащитными свойствами добавляются для улучшения огнезащитных свойств полиэтилена с учетом требований общественной безопасности и рынка. Такие добавки улучшают физико-механические свойства полиэтилена и повышают его огнестойкость[1].

В последние годы охрана окружающей среды стала одной из важнейших задач. В развитых странах использование галогенсодержащих антипиренов ограничено, вместо них для повышения огнестойкости широко используются гидроксиды металлов, фосфор, азотные антипирены[2]. Когда к легковоспламеняющимся материалам добавляют гидроксиды магния и алюминия, они снижают их воспламеняемость. Однако гидроксиды металлов при добавлении к полиэтилену ухудшают его физико-механические свойства[3].

Фосфорсодержащие антипирены обычно имеют небольшой молекулярный вес и легко впитывают влагу. Кроме того, большинство этих антипиренов являются жидкими и выделяют большое количество дыма и летучих веществ во время обработки, поэтому их использование ограничено. Фосфорсодержащие антипирены добавляют к полиэтилену в сочетании с другими типами антипиренов, и синергетический эффект будет слабым, если фосфорный антигенез добавлен отдельно[4]. Обзор литературы показал, что азотсодержащие антипирены не обладают высокими огнезащитными свойствами, но проявляют эффективные огнезащитные свойства при использовании в сочетании с фосфорсодержащими соединениями. Содержащий фосфор, азот, металл, антипирен предпочтителен из-за его огнестойкости, низкого дымообразования и экологичности. Использование таких антипиренов оказалось одним из наиболее эффективных способов повышения огнестойкости полиэтилена[5-6].

Экспериментальная часть. С целью улучшения огнестойкости полиэтилена были проведены исследования антипирена, синтезированного для улучшения огнезащитных свойств полиэтилена, методами ИК-спектроскопии, сканирующего электронного микроскопа, элементного анализа, термического анализа.

Результаты и их обсуждение. Физико-химические свойства олигомерного антипирена приведены в таблице.

Таблица

Физико-химические свойства новых эффективных фосфор-, азот-, металлосодержащих антипиренов

Многочисленные эксперименты проводились при разных условиях и соотношениях. Эксперименты показали, что выход антипирена зависит от температуры, времени и соотношения компонентов. Оптимальная температура реакции составляет 140–160 ° C, и наивысший выход антипирена получается в соотношении компонентов - 1: 1,5: 0,06: 0,04. Метод ИК-спектроскопического исследования  определяет химические изменения в образцах полиэтилена и полиэтилена с антипиреном (рис.1, ИК- Фурье спектры фосфор-, азот-, металлосодержащего антипирена). ИК- спектроскопические исследования проводили на инфракрасном Фурье спектрометре SHIMADZU (диапазон 400-4000 см^-1, разрешение 4 см^-1). Интерпретация спектров проводилась с использованием базового программного обеспечения, реализующего автоматическое измерение спектров, имеющего средства графического отображения спектров и их фрагментов и формирующего работу с библиотекой спектров пользователя. Спектры показывают, что полоса поглощения, образованная при 3450 см^-1 соответствует валентным колебаниям группы –N–Н. Полоса поглощения, образованная при 1651 см^-1 соответствует валентным колебаниям группы (–С=N). Наличие    группы (–С–N=O) показывается при полосе поглощения в 1556 см^-1. Наблюдаются полосы поглощения валентных колебаний при 1436 см^-1 и 1392 см^-1, доказывающие наличие групп (–CH₂) и (–CH₃) соответственно.  Группа (–P=O) образует ассиметричные колебания, на спектре, это создает полосу поглощения при 1247 см^-1.  Симметричные колебания группы (–С–ОH) образуют полосу при 1130 см^-1. Группы (–С–О–C–) и (–Р–О–C) образуют полосы поглощения в области 1033см^-1 и 1066 см^-1 соответственно.

Рисунок 1. ИК- Фурье спектры фосфор-, азот-, металлосодержащего антипирена

Согласно результатам ИК-спектрального анализа полиэтилена, можно наблюдать в области 2940 см^-1, 2846,93 см^-1, 1463,97 см^-1 симметричной валентности, высокоинтенсивные, 717,52 см^-1 маятниковые колебательные пики, принадлежащие группе CH₂. При изучении анализа полиэтилена с антипиреном можно увидеть в областях 2940 см^-1, 2848,86 см^-1 и 1471,69 см^-1 симметричную валентность, высокую интенсивность, 717,52 см^-1 маятниковые колебательные пики, принадлежащие группе -CH₂, Полосы поглощения в области 2360,87-2341,58 см^-1 подтверждают наличие  группы -NH₂ площади поглощения в области 659,66 см^-1 принадлежат  группе Р-С. ИК-спектр полиэтилена с добавлением полиэтилена и антипирена показан на рисунке 2.

Рисунок 2. а) ИК-спектр полиэтилена и б) полиэтилена с антипиреном

Проведены исследования полиэтилена, содержащего антипирен, методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и элементного анализа. При СЭМ видно, что антипирен равномерно распределяется по поверхности полиэтилена, что увеличивает термостойкость полиэтилена. В результате добавления антипирена к полиэтилену может создать более термостойкий барьер для снижения интенсивности горения, тем самым активно повышая безопасность полиэтилена (рис. 3).

Рисунок 3. Сканирующий электронный микроскоп и элементный анализ полиэтилена с фосфором, азотом, металлсодержащим антипиреном

Изучены термические анализы полиэтилена и полиэтилена с антипиреном. При изучении термического анализа полиэтилена видно, что потеря массы находится в пределах 278-498 ^oC. Потеря массы началась, когда температура достигла 278 °C, и достигла 100%, когда температура достигла 498°C (Рис. 4).

Рисунок 4. Термический анализ полиэтилена

При изучении результатов термического анализа полиэтилена с добавкой антипирена кривая ТГА встречается, в основном, в 2-х интенсивных диапазонах температур разложения. Диапазон разложения 1 соответствует температуре 236,96-336,02°C, а диапазон разложения 2 соответствует температуре 392,21-511,73°C. При температуре 511,73°C она составила 65,32%, а когда температура достигла 750°C, потеря массы достигла 80,18%, после чего она, как видно, не изменяется (рис. 5).

Рисунок 5. Термический анализ полиэтилена с фосфор-, азот-, металлсодержащим антипиреном

Заключение. В статье исследуются ИК-спектральный анализ, сканирующая электронная микроскопия и элементный анализ синтезированного фосфор-, азот-, металлосодержащего антипирена. Когда полученный антипирен был добавлен к полиэтилену, было обнаружено, что он равномерно распределяется по его поверхности, повышая его огнезащитные свойства. Таким образом, синергетический антипирен, содержащий фосфор, азот, и металл, был использован для улучшения механических свойств и огнестойкости полиэтилена. Термический  анализ нового антипирена, приведённого выше, показывает, что масса полиэтилена постепенно уменьшается с повышением температуры и сопровождается эндоэффектами.

Список литературы:

1. Х.С Бекназаров, А.Т Джалилов, А.С Султанов. Стойкость к термоокислительной деструкции полиэтилена, стабилизированного производными госсипола. Пластические массы 2007. №4. с- 39-40
2. Нуркулов Э.Н, Бекназаров Х.С, Джалилов А.Т, Набиев Д.А. Исследование и применение фосфор, азот, бор и металл содержаших антипиренов для повышения огнестойкости свойств древесины. Universum: Технические науки. Выпуск: 8(77). Август 2020. Часть 3
3. Нуркулов Э.Н, Бекназаров Х.С, Джалилов А.Т. Исследование свойств металлфосфорсодержащих олигомерных антипиренов. //Булатовские чтения. – 2020. – Т. 5. – С. 203-205
4. Джалилов А. Т., Киёмов Ш. Н. Уретан-эпоксидные термореактивные полимерные системы в качестве антифрикционного материала //Булатовские чтения. – 2020. – Т. 5. – С. 76-78.
5. Киёмов Ш. Н., Джалилов А. Т. Адгезия эпоксиуретанового полимера по металлу //Universum: технические науки. – 2020. – №. 9-2 (78).
6. Ru Zhou, Jingjing Mu, Xiaoyan Sun, Yanming Ding, Juncheng Jiang. Application of intumescent flame retardant containing aluminum diethyphosphinate, neopentyl glycol, and melamine for polyethylene. Safety Science 131 (2020) 104849