Разработка трудногорючих композиционных материалов на основе полипропилена с добавлением наночастиц соединений магния Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_

УДК 542.06+678

Е.Н. Субчева, А.А. Серцова, Е.В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9

* e-mail: [email protected]

РАЗРАБОТКА ТРУДНОГОРЮЧИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИПРОПИЛЕНА С ДОБАВЛЕНИЕМ НАНОЧАСТИЦ СОЕДИНЕНИЙ МАГНИЯ

Аннотация

Получены композиционные материалы на основе полипропилена с включенными наночастицами гидроксида магния и гидроксокарбоната магния, а также наночастицами, модифицированными поверхостно-активными веществами. Синтез проводили методом соосаждения, размер частиц контролировали просвечивающей электронной микроскопией, качественный состав подтверждали рентгенофазовым методом анализа. Исследована горючесть полученных композиционных материалов, проведен анализ изменения свойств в зависимости от степени наполнения.

Ключевые слова: антипирены, полипропилен, наночастицы, гидроксид магния, гидроксокарбонат магния.

Галогенсодержащие органические соединения широко используются в качестве эффективных антипиренов для большинства полимерных материалов [1,2]. Однако, при разложении этих веществ выделяются высокотоксичные продукты, что может привести к серьезным экологическим последствиям и нанести вред здоровью человека. Поэтому в настоящее время наиболее актуальными являются добавки, не содержащие замедляющих горение компонентов на галогенной основе.

Таким образом, перспективными для исследований являются неорганические антипирены. Одними из самых распространенных безгалогенных антипиренов являются гидроксиды металлов (в частности, гидроксиды магния и алюминия). Ингибирование процесса горения происходит за счет высокой степени наполнения [3]. При разложении гидроксида магния выделяется водяной пар, что способствует снижению температуры. Более того, пар вытесняет кислород воздуха. Степень наполнения замедлителями горения данного типа в промышленных масштабах начинается от 40% (в зависимости от размера частиц и удельной поверхности), что значительно ухудшает физические свойства при переработке полимерных материалов. При уменьшении размера частиц до нанометров степень наполнения также можно понизить.

Еще одной значительной проблемой при создании композиционных материалов полимер/гидроксид металла является несовместимость наполнителя с полимерной матрицей. Существует несколько способов решения: модификация частиц наполнителя органическими соединениями (например, поверхностно-активными[4]), модификация

полимерной матрицы (добавление полимерных связующих[5])и т.д. Добавление второй полимерной матрицы может значительно повлиять на свойства полимера, а полимерные связующие также усложняют процесс получения композитов.

Одним из возможных способов снижения степени наполнения может стать использование в качестве антипиренов слоистых двойных гидроксидов (СДГ) [6]. СДГ состава Ме1-x2+Mеx3+(OH)2[(Аn-)x/n ^ШО] на основе М§2+, Zn2+, и А13+ используются в качестве

антипиренов по ряду причин, наиболее важной из которых является возможность замещения аниона на поверхностно-активное вещество, что приводит к улучшению в распределении добавки и, следовательно, к эффективному действию их в качестве антипиренов. Значительным недостатком этого метода является сложность синтеза и модификации СДГ.

Альтернативной также может стать добавление поверхностно-активных веществ на стадии синтеза. Это позволит уменьшить размер добавки и улучшить распределение в полимерной матрице.

Синтез наночастиц гидроксида магния и гидроксокарбоната магния проводили методом соосаждения из растворов нитрата магния и гидроксила натрия или карбоната натрия соответственно при температуре 90°С и интенсивном перемешивании 1000 об/мин. Модификация частиц осуществлялась добавлением поверхностно-активного вещества - олеата натрия. По данным просвечивающей электронной микроскопии размеры частиц Mg(OH)2 без модификации составляют 100200 нм, и 35-90 нм с модификатором (рисунок 1). Качественный состав полученных наночастиц подтверждался рентгенофазовым анализом. Значительное уширение пиков на дифрактограмме также подтверждает образование частиц нанометрового диапазона.

Композиционные материалы были получены методом перемешивания расплава при содержании частиц 10-40 масс. %. Полученные композиционные материалы являются перспективными в качестве трудногорючих материалов.

_Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 6_

В работе были определены значения - около 350°С (в течении 30 минут). Кислородный

кислородного индекса, коксового числа, скорости индекс соответствует минимальному содержанию

горения и распространения пламени согласно ГОСТ кислорода в атмосфере, при котором поддерживается

12.1.044 - 89, ГОСТ 19932-99 и ГОСТ 21207-81, горение материала. Замерены показатели

соответственно. Исследованы процессы деструкции кислородного индекса для полимерных композиций

полученных полимерных систем в температурной на основе полипропилена. области начала интенсивного разложения полимеров

ÄJfcAI

а б

Рис 1. ПЭМ микрофотографии образцов гидроксида магния без модификации (а) и при добавлении олеата натрия (б)

Субчева Елена Николаевна, аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Серцова Александра Анатольевна к.х.н., доцент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Юртов Евгений Васильевич чл.-корр. РАН, д.х.н., зав.кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Chiu, S.H., Wang, W.K. Dynamic flame retardancy of polypropylene filled with ammonium polyphosphate, pentaerythritol and melamine additives // Polymer. - 1998. - Vol. 39. —P. 1951-1955;

2. Кодолов В. И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов // М.: «Химия». - 1976. - С. 160.

3. Schmidt R., Amberg M. In city feuerldscher // Kimststoffe. - 1998. - Vol. 88.№ 11. - C.2058-2061;

4. Akil H.Md., Rasyid M.F.A., Sharif J. Effect of compatibilizer on properties of polypropylene layered silicate nanocomposite // Procedia chemistry. - 2012. - Vol. 4. - P. 65-72;

5. F. Laoutid, O. Persenaire, L. Bonnaud. Flame retardant polypropylene through the joint action of sepiolite and polyamide 6 // Polymer Degradation and Stability. - 2013. - Vol. 98. - P.1972-1980;

6. Серцова А.А., Субчева Е.Н., Юртов Е.В. Синтез и исследование формирования структуры слоистых двойных гидроксидов на основе Mg, Zn, Cu и Al // Журнал неорганической химии. - 2015. - Т. 60. №1. - С.1-10.

E.N.Subcheva, A.A.Sertsova, E.V. Yurtov

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. *e-mail: [email protected]

PREPARATION OF FIRERESISTANCE COMPOSITE MATERIALS BASED ON POLYPROPYLENE WITH NANOPARTICLES OF MAGNESIUM COMPOUNDS

Abstract

Polypropylene composites with incorporated the nanoparticles of magnesium hydroxide and magnesium hydroxycarbonate were obtained. Synthesis was performed by coprecipitation, particle size was monitored by transmission electron microscopy and X-ray analysis method. Flammability obtained composites was investigated, as well as analysis of changes in properties depending on the degree of filling was held.

Key words: fireretardant, polypropylene, nanoparticles, magnesium hydroxide, magnesium hydroxycarbonate.