ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ОГНЕСТОЙКИХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье проведен дифференциально – термогравиметрический (термодеструкционный) анализ огнестойких алюминиевых композитных панелей, модифицированных антипиренами марок АКП -1, АКП -2 и АКП -3, определены кокс образование и кислородный индекс. Кроме того, было исследовано, что огнестойкие полимерные материалы, модифицированные антипиренами марки АКП-1, теряют 50% массы в диапазоне температур
460-462^ОС.

ABSTRACT

In this article, a differential thermogravimetric (thermodestructive) analysis of fire–resistant aluminum composite panels modified with flame retardants of grades AKP -1, AKP -2 and AKP - 3 was carried out, coke formation and oxygen index were determined. In addition, it was investigated that fire-resistant polymer materials modified with flame retardants of the AKP-1 brand lose 50% of their mass in the temperature range of 460-462^ОC.

Keywords: refractory compositions, oligomer flame retardants, aluminum composite panels, composite materials, modifiers, oxygen index, coke residues.

Ключевые слова: огнеупорные композиции, олигомерный антипирен, алюминиевые композитные панели, композиционные материалы, модификаторы, кислородный индекс, коксовые остатки.

Введение. Полимерные материалы, особенно полиолефины (ПО), представляют собой синтетические полимеры, производимые в больших количествах во всем мире, широко используемые во всех областях промышленности, и их воспламеняемость является одним из основных недостатков. Из литературы известно, что эти полимерные материалы имеют кислородный индекс (КИ), равный 17,5 - 19,0%, что обеспечивает наименьший показатель огнестойкости [1]. Одной из основных проблем при применении полимерных материалов является высокий риск возникновения пожара в них. Таким образом, пожароопасные процессы производства и применения этих полимерных материалов и изделий из них требуют улучшения таких свойств, как воспламеняемость, легковоспламеняемость, токсичность, кислородный индекс и т.д. [2].

Термическое окисление полимерных материалов и образование газообразного диоксида углерода в процессе горения приводит к термическому разрушению исходных углерод-углеродных соединений в полимере из-за воздействия углерода и кислорода в воздухе при высоких температурах, и можно отметить, что соотношение углерод-углерод превышает содержание углекислого газа из-за восстановление химических связей [3].

В некоторых типах полимерных материалов воздействие кислорода под воздействием температуры и пламени является высоким, и в процессе горения образуются остатки кокса. Образование коксовых остатков полимерных материалов под воздействием температуры уменьшает диффузию кислорода в состав полимерных материалов, и процесс термической деструкции ускоряется [4].

В полимерных материалах, модифицированных антипиренами, содержится большое количество остатков кокса, и по мере горения материалов и повышения температуры количество остатков кокса также увеличивается, в результате чего полимерный материал увеличивает покрытие на своей поверхности, что уменьшает диффузию кислорода. Этот процесс приводит к сгоранию полимерных материалов или их термическому разложению, т.е. к увеличению времени [5].

Отличительной особенностью полимерных материалов на практике является быстрый процесс термоокислительного разрушения. Например, остатки кокса в полиэтилене составляют 0,5-8%. Термическая деструкция полимерных материалов на основе полиэтилена начинается при температуре 290-320°C, и через 30-40 минут при температуре 450-460°C полиэтилен полностью разлагается [6].

Экспериментальная часть. Особенность полимерных материалов на основе полиэтилена, линейность их химической структуры, отсутствие функциональных активных групп ограничивают возможности модификации этих полимеров. Модификации полиэтилена антипиренами, содержащими сульфихлорные, хлорированные, фосфорные, азотистые и другие композиции, приводят к высокой огнестойкости и резкому ухудшению физико-механических свойств полимерных материалов на основе немодифицированного полиэтилена.

Основной целью данной статьи является модификация полимерных материалов на основе полиэтилена антипиренами, содержащими магний, азот и фосфор, а также определение степени образования коксовых остатков, кислородного индекса и скорости термической деструкции полученных материалов. Были получены полимерные материалы на основе полиэтилена, модифицированные антипиренами, содержащими азот, фосфор и магний в различных концентрациях, а также алюминиевые композитные панели (АКП) с высоким содержанием наполнителей.

Для получения огнестойких алюминиевых композитных панелей были получены смеси различных составов модифицированного гидроксида магния с органическими антипиренами и изучены их свойства, после чего они были маркированы марками AKP -1, AKP -2 и AKP-3. В ходе исследований было установлено, что полимерный материал полиэтилен содержит органические антипирены, содержащие азот, фосфор и металлический магний в количестве до 10-50%.

Модифицированные огнестойкие алюминиевые композитные панели с антипиренами марок AKP -1, AKP -2 и AKP-3 были проанализированы дифференциально–термогравиметрическим методом (термическое разрушение). Метод дифференциально-термогравиметрического определения был определен на дериватографе, работающем на приборе DTG-60/(SHIMADZU). Этот метод основан на изменении теплового воздействия полимерных материалов в диапазоне температур 10-900^ОС, когда скорость повышения температуры составляет 2-5 г/мин.

Результаты экспериментального испытания по определению коксовых остатков, кислородного показателя предлагаемых огнестойких полимерных материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Исследование кислородного индекса и коксового остатка горючих полимерных материалов

С использованием огнестойких полимерных композиционных материалов, полученных в процессе исследований, представлен общий вид алюминиевых композитных панелей в строительстве, которые широко используются для наружных фасадов зданий и сооружений (Рис. 1).  А также количество минеральных наполнителей, модифицированных антипиренов и полимерных материалов.

Рисунок 1. Модифицированные огнестойкие полимерные материалы и алюминиевые композитные панели с антипиренами марок AKP -1, AKP -2 и AKP-3

Результаты и их обсуждение. Методом дифференциальной термогравиметрии (термической деструкции) были изучены результаты анализа огнестойких полимерных материалов (полиэтилен: AKP – 1 (30-32%)), модифицированных антипиренами марки AKP-1. Два эндотермических эффекта при 122,88^ОС и 462,24^ОС были обнаружены на кривой дифференциально–термогравиметрического метода (ДТА) для образца огнестойкого полимера, модифицированного антипиренами марки АКР-1, и один экзотермический эффект при 244,39 ^ОС.

Этот DTA-анализ показывает, что экзо- и эндотермические кривые образцов изменяются с повышением температуры, поскольку частичное окисление горючих полимерных материалов и воздействие кислорода на антипиреновые композиции под воздействием температуры частично ощущается при температурах 80-100 ^ОС. При этом процессе в структуре полимерного композита не происходит никаких химических изменений, и его можно использовать, поскольку он совместим с аналогами (Рис. 2).

Рисунок 2. Термическое разрушение огнестойких полимерных материалов, модифицированных антипиренами марки АКР-1

Анализ кривой термогравиметрии (ТГА) показывает, что кривая TГA достигается в двух температурных диапазонах интенсивного разложения. Диапазон первого разложения произошел в диапазоне температур 11,95-343,36 ^ОС с потерей 0,215 мг или 3,559% массы. Второй интервал распада, наблюдался при температуре 343,36–601,69 ^ОС, с потерей массы 5,08 мг или 84,3%. В диапазоне температур 460-462 ^ОС была обнаружена потеря массы в 3,1 мг, или 50%. Таким образом, было обнаружено, что общее снижение массы в интервале температур 11,95-601,69 ^ОС составило 5,3 мг или 84,3% за 61,05 минуты.

Анализ кривой термогравиметрического анализа и кривой дифференциального термического анализа представлен в таблице 2. Из таблицы видно, что при двух промежуточных разложениях мы можем наблюдать наибольшую потерю массы, то есть за этот промежуток теряется 84,3% массы (табл. 2).

Таблица 2.

Анализ кривой термогравиметрии (TГA)

Таким образом, анализ огнестойких полимерных материалов (полиэтилен: AKP –1 (30-32%)), модифицированных антипиреном марки AKP-1 в диапазоне температур 10-600°C, был проведен дифференциально-термогравиметрическим методом и показал, что в диапазоне температур 460-462°C теряется 50% массы. Предлагаемые полимерные материалы на основе полиэтилена могут быть модифицированы в различных концентрациях антипиренами, содержащими азот, фосфор и магний, и получены алюминиевые композитные панели (АКП) с высоким содержанием наполнителей, которые могут быть рекомендованы для использования в качестве огнеупорных строительных материалов.

Список литературы:

1. ГОСТ 12.1.044-89 Система стандартов безопасности труда. Пожаро-взрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения, М.: Стандартинформ, 2006.
2. ГОСТ Р 53293-2009 Пожарная опасность веществ и материалов. Материалы, вещества и средства огнезащиты. Идентификация методами термического анализа, М.: Стандартинформ, 2009.
3. Горение полимеров и полимерные материалы пониженной горючести. Режим доступа: http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/9609_057.pdf.
4. Yuan  BH,  Hu  Y,  Chen  XF,  Shi  YQ,  Niu  Y,  Zhang  Y,  He  S,  Dai  HM.  Dual modification of graphene by polymeric flame retardant and Ni(OH) 2  nanosheets for improving flame retardancy of polypropylene. Compos. Part A-Appl. S. 2017; 100: 106-117.
5. Вохидов Э.А., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. Получение металлического полифосфата аммония на основе местного сырья. // Ўзбекистон Республикаси Олий ва ўрта махсус таълим вазирлиги термиз давлат университети ўзбекистон миллий университети Академик А.Ғ.Ғаниев ва академик  Н.А.Парпиев хотирасига бағишланган “Kомплекс бирикмалар кимёси ва аналитик кимё фанларининг долзарб муаммолари” республика илмий-амалий конференцияси материаллари тўплами 1-қисм 2022 йил 19-21 май Термиз., 147 b. 
6. E.A. Voxidov, F.N. Nurqulov, A.T. Djalilov. Mahalliy xomashyolar asosida olingan yong’inbardosh qavariqlanuvchi qoplamalarni iq tahlili. // “Neft va gaz sohasida ta'lim-ishlab chiqarish klasterini rivojlantirishda innovatsion yondashuvlar” xalqaro konferensiya materiallari 30 aprel 2022-yil Tom 2., 389-390.