Номер части:
Журнал
ISSN: 2411-6467 (Print)
ISSN: 2413-9335 (Online)
Статьи, опубликованные в журнале, представляется читателям на условиях свободной лицензии CC BY-ND

ТЕРМИЧЕСКАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ



Науки и перечень статей вошедших в журнал:
DOI:
Дата публикации статьи в журнале:
Название журнала: Евразийский Союз Ученых — публикация научных статей в ежемесячном научном журнале, Выпуск: , Том: , Страницы в выпуске: -
Данные для цитирования: . ТЕРМИЧЕСКАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ // Евразийский Союз Ученых — публикация научных статей в ежемесячном научном журнале. Химические науки. ; ():-.

В современном построении рецептур огнезащитных композиций используются ингредиенты функционально решающие следующие задачи:

— адгезия композиции на поверхности защищаемой конструкции с одновременным скреплением компонентов, а также устойчивость к внешним воздействиям при эксплуатации  ̶  эти функции выполняет связующий полимер;

—  ингредиенты, выделяющие вспучивающие газы и газообразные продукты: аммиак, оксиды углерода, воду;

—  ингредиенты, обусловливающие синтез трехмерных полимерно-олигомерных систем, карбонизирующихся в ячеистый пенококсовый защитный слой;

— хемогезионное скрепление пенококсового слоя с веществом поверхности конструкции — металлом, деревом, смесевым композиционным материалом[3].

Роль полимерных связующих в интумесцентных красках до последнего времени не учитывалось и не рассматривалось. Разнообразие связующих по их химической природе и отсутствие в научно-технических источниках каких-либо аналитических данных на этот счет могут привести к заключению, что главная функция связующего – это обеспечение адгезии к различным субстратам, а на характер и эффективность огнезащитных свойств композиций их химическая природа влияния не оказывает, к тому же к моменту начала формирования огнезащитного вспучивающегося слоя  близ 200 ºС  полимеры считаются полностью деструктированными.

В наших работах [6,7] было показано, что связующий полимер может играть существенную роль в том случае, если в процессе термолиза он способен превращаться не в аморфный углерод, а в графитоподобную регулярную слоистую структуру, состоящую из связанных между собой циклических шестичленных образований с чередующимися sp²  и  sp³  гибридизированными атомами углерода, что, собственно, и характеризует аллотропию графита. Шестичленные циклы образуются по реакции Дильса-Альдера при взаимодействии виниловых и дивиниловых фрагментов макромолекул, возникающих вследствие деструктивного отщепления низкомолекулярных фрагментов. В качестве химической полимерной системы были изучены полимерные аналоги поливинилового спирта (ПВС): сам ПВС, исходный поливинилацетат и поливинилбутираль. Полимерные аналоги ПВС, проходящие при термолизе через стадию образования ПВС дегидратируются с образованием в цепях множества непредельных связей, обусловливающих реакцию Дильса-Альдера. Показано, что процессом дегидратации можно в определенных пределах управлять введением антипирена, сдерживающего окислительные процессы, и продлевающего тем самым превращение макромолекул исходного полимера в полиеновые. Начало образования шестичленных циклов является началом формирования графита, и следовательно каталитического действия на суперпозицию реакции образования пенококсового слоя [4].

В упомянутых выше работах [6,7] показано, что, по таким представительным параметрам как кратность вспучивания и теплопроводность пенококсового слоя, применение аналогов ПВС  повышает эффективность огнезащитных композиций не менее чем на 25%.

 Таким образом, связующий огнезащитную краску полимер играет важную роль; при этом следует выбирать полимер по химической природе, обусловливающей его принципиальную способность к превращению в графит в термолитическом процессе [2].

Приведем термограммы полученные с помощью дериватографа Q — 1500 D (F. Paulik, J. Paulik, L. Erdey) и метода автоматизированного термического анализа «Термо» [5]. Так выглядят термограммы ПВС, где термограммы: ΔG – кривая изменения массы (кривая ТГ);   dG/dt – кривая скорости изменения массы (кривая ДТГ);  ΔН – тепловые эффекты (кривая ДТА) (Рисунок 1).

ТЕРМИЧЕСКАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Рисунок 1. Термограмма ПВС.

Начнём с кривой ДТА. Естественно, что ПВС, как гидрофильный полимер, имеет в своём физико-химическом составе значительное количество в различной степени связанной с его гидроксильными группами, воды. При нагревании в начальной температурной области до 100-110 °С происходит испарение воды, в этой же области мы видим сравнительно небольшое уменьшение массы исходного образца, при этом химическая природа ПВС не претерпевает сколь-нибудь заметных   изменений.   Этот   процесс   формально   можно   обозначить   как эндотермический, поскольку он идёт с затратами энергии  на испарение. Заметим, однако, кажущаяся на первый взгляд простота процесса не так уж очевидна, поскольку процессу испарения сопутствуют и другие процессы. Например, увеличение количества, во-первых, водородных связей полимер-полимер, а, во-вторых, возможное дополнительное кристаллообразование – это уже экзотермический процесс. Далее заметным явлением следует считать эндотермический пик на кривой ДТА в области температур вблизи 220°С, этот эндотермический пик соответствует температуре плавления кристаллической фазы, и в этой же температурной области наблюдается  начало процесса потери массы. Это видно и по кривой ТГА и на кривой ДТГА. Совершенно очевидно, что этому процессу деструкции соответствует дегидратация.

Процесс образования двойных связей является экзотермическим, в котором выделение энергии становится особенно заметным после границы примерно 300ºС, и особенно сильно деструкция происходит в области температур от 400ºС и выше, но это уже процессы тотальной деструкции: разрушение макромолекулы проходит с выделением продуктов термоокисленной деструкции. При этом выделяются альдегиды, кетоны, ароматические соединения.

Из термограммы чистого ПВХ (Рисунок 2) видно, что потеря массы (кривая ТG) начинается примерно от 200 ºС – естественно это процесс дегидрохлорирования, который, судя по кривой скорости уменьшения массы образца (dG/dt), начинается близ 150ºС  (что в целом соответствует справочным данным). Этот процесс является экзотермическим и выпуклость на кривой ΔН срезает часть эндотермического пика плавления кристаллической фазы, смещая этот пик в область более высокой температуры – около 250  ºС, в то время, как в действительности пик плавления ПВХ  не должен превышать (по справочным данным) 220 ºС.

Рисунок 2. Термограмма ПВХ.

Далее деструкция продолжается в основном дегидрохлорированием ПВХ, а в области 400 ºС бурно завершается экзотермической реакцией, по-видимому сшивкой ненасыщенных макромолекул.

В присутствии оксида кальция (Рисунок 3) интенсивность дегидрохлорирования повышается в области более низких температур, а экзотермический пик полимеризационных сшивок смещается по температурной оси вправо и проявляется при 500 ºС;  при этом площадь пика существенно уменьшается.

Рисунок 3. Термограмма ПВХ с оксидом кальция.

Обнадеживающий результат удалось получить с применением поливинилхлорида (ПВХ). При этом ПВХ после серии экспериментов с другими полимерами был выбран не случайно. Аналогия с ПВС в том, что ПВХ довольно легко дегидрохлорируется, так же  как и ПВС дегидратируется, приводя к образованию полиеновых структур. Поскольку ПВХ сам по себе может быть использован как антипирен, в качестве агента, связывающего выделяющийся хлористый водород и способствующий  смещению деструкции в сторону превращения ПВХ в полиен, в полимер вводили сравнительно небольшое количество оксида кальция. Для исключения фактора аддитивного «наложения» термолизных эффектов СаО на таковые ПВХ были проведены отдельные исследования термогравиметрических (ТГ) и дифференциальнотермических (ДТА) превращений собственно СаО.  Получены результаты, как нам представляется, нигде ранее не описанные, хотя и почти очевидные.

На рисунке 4 представлены термограммы: ΔG – кривая изменения массы (кривая ТГ);   dG/dt – кривая скорости изменения массы (кривая ДТГ);  ΔН – тепловые эффекты (кривая ДТА) термолиза для СаО.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Рисунок 4. Кривые термолиза СаО.

Наиболее примечательной является кривая ДТА.

На участке от 28 °С до примерно 570 °С идут экзотермические реакции, характеризующие превращения в молекулах СаО. В начальной стадии ход кривой экзотермии включает указанный выше эффект «гашение извести» (по начальному участку кривой ТГ), а наибольший эндотермический пик в области 350 °С, «вклинивающийся» в широкий экзотермический пик без сомнения относится к затратам энергии на интенсивную дегидратацию гидроксидных молекул. Пик эндотермии проявляется лишь потому, что затраты энергии в данной области превышают её выделение.

Попытаемся объяснить сущность и химическую природу экзотермического процесса. Энергия ионизации – одна из основных характеристик атома: это наименьшее количество энергии, затрачиваемое на удаление электрона. Кальций в периодической таблице входит в группу IIА. Электронная конфигурация внешнего электронного уровня ns2 определяет обычную степень окисления (валентность) +II. Однако, поскольку первая энергия ионизации I1 наименьшая, можно полагать, что для элемента группы IIА возможна и степень окисления +I [1]. Вторая энергия ионизации I2 примерно в два раза больше чем I1. (Фигурально выражаясь, «отобрать» с внешней электронной оболочки первый электрон легче, чем второй и последующие). Вместе с тем, как показано в [1], в формировании химических связей элементов группы IIА способны принимать участие оба внешних электрона, при том, что сопровождение образование связей сопровождается всё же выделением энергии.

По сродству к электрону (энергии, выделяющейся при присоединении электрона к нейтральному атому – энергии сродства) – так же довольно существенно различаются энергия сродства А1 – первое присоединение и, требующие больших энергетических затрат, последующие. Первое присоединение обычно положительно; для кислорода оно обычно составляет 1,47 эВ [1].

Таким образом, в соответствии с энергиями ионизации и сродства к электрону, при взаимодействии кальция и кислорода  с переходом первого электрона выделяется больше энергии, чем при переходе второго электрона. Следовательно, связь полимерно-олигомерного типа (3) энергетически наиболее предпочтительна.

– Са – О – Са – О – Са – О – Са –                               (3)

         При перестроении должна выделяться энергия, и, кроме того, этому должно способствовать вероятное снижение энтропийного фактора: «облегчается» вращение вокруг валентных связей. В конечном счёте олигомеризация завершается образованием циклических структур.

Таким образом, существенно не кристалличный оксид кальция при прогревании в температурном интервале 100 – 600 °С может изомеризоваться и приобретать конфигурацию олигомера. Это его свойство без сомнения благоприятно влияет на удержание и связывание пенококсового слоя. А обеспечив смещение равновесия в процессе термического разложения полимера в сторону образования графитоподобных структур можно соответственно повысить его каталитическое действие.

Список литературы:

  1. Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия, М., изд. «Химия», перевод с англ., 1976, 567 с.
  2. Зыбина О.А., Варламов А.В., Мнацаканов С.С. Проблемы технологии коксообразующих огнезащитных покрытий. Новосибирск, Центр развития научного сотрудничества, 2010, 50с.
  3. Мангушева, Т.И. Огнезащитные лакокрасочные материалы [Текст]: учеб. для вузов / Т.И. Мангушева. – М.: НИИЭТхим, 1988. -29 с.
  4. Нечаев К.В. Реакции в огнезащитных вспучивающихся красках в присутствии углеродных нанотел. Лакокрасочные материалы и их применение, 2012, №10, с. 34-35.
  5. Термический анализ полимеров: метод. указ. / ЛТИ, Л., 1981, 27с.
  6. Шаталин С.С. О связующих в огнезащитных вспучивающихся композициях. Дизайн. Материалы. Технология, 2014, №4(34), c. 52-54.
  7. Шаталин С.С. Применение производных поливинилового спирта в качестве связующих в огнезащитных вспучивающихся композициях. Лакокрасочные материалы и их применение, 2014, №8, с. 46-47.[schema type=»book» name=»ТЕРМИЧЕСКАЯ ГРАФИТИЗАЦИЯ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИЙ» description=»В процессе термолиза сравнительно легко происходит частичная дегидратация и дегидрохлорирование поливинилового спирта (ПВС) и поливинилхлорида (ПВХ), соответственно. Это приводит к образованию полиеновых структур, которые уже на ранних стадиях карбонизации формируют шестичленные циклы, оказывающие каталитическое действие на образование пенококсового слоя в огнезащитных композициях. Оксид кальция, применяемый при термолизе поливинил хлорида для связывания хлористого водорода, способен к изомеризации с приобретением конфигурации олигомера, что позитивно влияет на удержание защитного интумесцентного слоя. Аддитивное действие связующего полимера и каталитической добавки с переходом с микроуровня на макроуровень позволяет существенно повысить эффективность вспучивающихся композиций.» author=»Шумилов Сергей Алексеевич, Зыбина Ольга Александровна, Мнацаканов Сурен Саркисович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-08″ edition=»euroasia-science.ru_29-30.12.2015_12(21)» ebook=»yes» ]
Список литературы:


Записи созданы 9819

Похожие записи

Начните вводить, то что вы ищите выше и нажмите кнопку Enter для поиска. Нажмите кнопку ESC для отмены.

Вернуться наверх
slot thailand slot gacor slot dana jendralsmaya slot server luar demo slot slot gacor slot dana data hk slot deposit pulsa slot 2024 slot gacor
404: Not Found