Современные направления исследований в области пенополимеров пониженной пожарной опасности

Современные направления исследований в области пенополимеров пониженной пожарной опасности

Ф.А. Шутов1, Р.М. Асеева2

1 – Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева;

2 – Академия Государственной противопожарной службы МЧС России

 

Представлен анализ современных перспективных направлений исследований в области пенополимеров пониженной пожарной опасности, выполненный по данным литературных и патентных источников за последние десятилетия. Акцент сделан на темы: 1. Передовые технологии получения пенополимеров с улучшенными свойствами; 2. Гибридные, в том числе органо- неорганические вспененные материалы; 3. Пенополимеры карбонизующегося типа; 4. Новые системы замедлителей горения, в том числе подавляющие тление.

Опыт последних десятилетий показывает, что все большее количество технологий переработки полимерных материалов предусматривает их вспенивание. Более 10 % полимеров, производимых в настоящее время в мире, используется для получения вспененных материалов. Потребность в таких материалах в строительстве, авиационной промышленности и автомобилестроении, электротехнике и электронике, оптике, медицине, фармацевтике и других областях постоянно возрастает, учитывая возможности энергосбережения и снижения потребления исходного сырья, применения экологически безопасных технологий.

Большой интерес вызывают технологии получения вспененных материалов с применением флюидов в сверхкритическом состоянии (СКФ технологии). Возможности и перспективы использования СКФ в разных областях техники значительны. Поэтому в ноябре 2005 г. в РФ был сформирован Консорциум СКФТ, объединяющий 32 организации, занимающиеся научными исследованиями, проектированием оборудования и промышленной реализацией СКФ технологий. Президентом Консорциума стал академик В.В. Лунин (МГУ им. М.В. Ломоносова).

Для получения вспененных полимерных материалов пониженной горючести наиболее привлекательным является диоксид углерода в сверхкритическом состоянии (скСО2). Основные достоинства скСО2 – инертность и нетоксичность, экологическая, пожаро- и взрывобезопасность, дешевизна и доступность, удобные критические параметры (ТСК= 31,1оС, РСК=7,38 МПа) и высокая летучесть СО2, большая растворяющая способность и низкая вязкость в жидком состоянии. По сути, скСО2 служит пластификатором полимеров, снижая температуру их стеклования. Получение вспененных полимерных материалов с помощью скСО2 возможно по периодической, полунепрерывной, а также непрерывной, экструзионной технологии. При этом можно перерабатывать даже термонестабильные биополимеры, получать вспененные материалы не только на основе термопластов, стеклообразных и жидкокристаллических полимеров, но и термореактивных смол. В последнем случае реакции полимеризации и поликонденсации мономеров и олигомеров проводят в среде скСО2 в присутствии различных функциональных добавок (инициаторов, антипиренов, стабилизаторов и пр.). Установлено, что в зависимости от концентрации скСО2 в субстрате, изменения температуры и давления, скорости этого изменения на разных этапах технологического процесса, можно получать пенополимеры с закрытой микропористостью (размер пор <10 µm) и ультрамикропористостью (1 µm) или с открытой пористостью и разной плотностью [1]. В перспективе моделирование процессов вспенивания полимеров по СКФ технологии показывает возможность получения нанопен с коэффициентом теплопроводности λ = 0,010- 0,008Вт/м К.

CКФ технология переработки полимеров с малыми добавками наноразмерных наполнителей (углеродных тубуленов, графенов, интеркалированных слоистых веществ и пр.) позволяет влиять на процесс вспенивания, включать, помимо гомогенной, механизм гетерогенной нуклеации в полимерной матрице. В результате влиять на пористую, морфологическую структуру материалов и значительно повысить их механические свойства.

Важную роль для получения вспененных гибридных материалов пониженной горючести играют методы управляемого (например, темплатного) золь-гель синтеза [2]. Золь-гель технологии часто называют нанотехнологиями, так как они позволяют получать гибридные органо-неорганические материалы с наноразмерной пористостью. В последнее время стало активно развиваться направление сочетания in-situ СКФ и нанотехнологий. Золь-гель синтез органо-неорганических гибридных пеноматериалов можно проводить в водной, водно-спиртовой средах, органических растворителях, а также в матрицах гидрофобных и гидрофильных полимеров. Прекурсорами неорганических доменов в структуре образующихся гибридных пен обычно служат алкоксисиланы, их производные, полисилсесквиоксаны. Возрос интерес к пералкоксипроизводным В, Ti, Al, Zr, Ge и др. В научной литературе термин «гибридные пены» является довольно широким. Он относится не только к материалам на основе органических и неорганических полимеров, но и к конструкциям из двух разных пен, взаимопроникающих или частично внедряемых в поры по типу «хозяин-гость». Такой подход позволяет создавать конструкционные материалы с уникальными свойствами, не характерными для каждого пеноматериала в отдельности [3]. Легкие, прочные, огнестойкие конструкции из металло-полимерных гибридных пен представляют интерес для применения в строительстве, автомобильной и авиационной промышленности (например, для производства фюзеляжей самолетов). Металлические пены с открытой ячеистой структурой для конструкций с разными геометрическими формами получают путем вспенивания металлов в расплаве с применением в качестве вспенивающих агентов TiH2 или MgH2.

Очень перспективным и важным направлением современных исследований является производство и применение пенополимеров карбонизующегося типа. Хорошо известен принцип снижения горючести полимерных материалов: воздействие на процесс пиролиза полимера в сторону увеличения выхода нелетучего остатка и образование тепло- и огнезащитного пенококса. Последние работы в этой области показали, что применение пенополимеров этого типа (например, пенокомпозита «Penocom») в строительных конструкциях по их огнестойкости позволяет успешно конкурировать с несгораемой минеральной изоляцией из базальтового или стекловолокна. Наконец, следует отметить заметное увеличение внимания к синтезу новых бор-фосфорных систем антипиренов для пенополимеров, способствующих не только их карбонизации, но и подавлению гетерогенного тлеющего горения пенококса. В основном, в этих работах делается акцент на реактивные соединения, входящие в макромолекулярную структуру вспененных материалов.

 

Литература

1. Polymeric Foams: Innovation in Processes, Technologies and Products, by Ed. S.T. Lee, 2016, CRC PRESS (http://www.crcpress.com).

2. Помогайло А.Л. Гибридные полимер-неорганические нанокомпозиты //Успехи химии 2000, т.69, №1, с.69-89.

3. Reinfried M., Stepani G. et al. Hybrid Foams- A New Approach for Multifunctional Applications // Advanced Engineering Materials 2011, vol.13, n.11, p. 1031-36.

Категория: Материалы IX конференции | Добавил: epyur (11.12.2020)
Просмотров: 10 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar