Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0229

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0229
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева"
Название доклада
Разработка методов получения термо- и огнестойких конструкционных наноматериалов на основе радиационно сшитых водонаполненных полимеров
Докладчик
Юртов Евгений Васильевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цели ПНИЭР:
- вывод на рынок новой научно-технической продукции: термо- и огнестойкого наноматериала на основе водонаполненной полиэфирной смолы, содержащего наночастицы оксидов металлов, пригодного для использования в областях, предъявляющих повышенные требования к термической устойчивости и показателям пожароопасности материалов.
- снижение экологической нагрузки на природу внедрением новых типов безгалогенных антипиренов на основе неорганических наночастиц оксидов металлов, которые как в процессе эксплуатации изделия, так и в процессе горения полимерного материала не выделяют токсичных веществ.
Целью работы является разработка методов получения термо- и огнестойких водонаполненных композиционных наноматериалов на основе полиэфирной смолы, содержащих наночастицы ZnO, Al2O3, MgO.

Задачи ПНИЭР:
- разработка составов и методов получения наночастиц ZnO со средним размером 50-100 нм, наночастиц ZnO с оболочкой SiO2 со средним размером 50-120 нм, наночастиц Al2O3 со средним размером 100-150 нм, наночастиц MgO со средним размером 100-150 нм, наночастиц MgO с оболочкой SiO2 со средним размером 100-160 нм, пригодных для использования в качестве антипиренов для полимерных материалов.
- разработка способов введения наночастиц ZnO, Al2O3, MgO и наночастиц ZnO, MgO с оболочкой SiO2 в полиэфирную смолу.
- разработка методов получения устойчивых водных эмульсий полиэфирных смол, содержащих наночастицы ZnO, Al2O3, MgO и наночастицы ZnO, MgO с оболочкой SiO2 .
- разработка процесса радиационно-химического отверждения водонаполненного композиционного наноматериала на основе полиэфирной смолы, содержащего наночастицы ZnO, Al2O3, MgO и наночастицы ZnO, MgO с оболочкой SiO2.

Актуальность и новизна исследования
Большая часть промышленно выпускаемых полимерных композиционных материалов являются легкогорючими веществами. Они горят с выделением большого количества токсичных веществ и не устойчивы к действию температуры. Это является основным сдерживающий фактором их внедрения в такие области как транспорт, строительство, и пр. Поэтому разработка новых термо- и огнестойких наноматериалов на основе полимеров является актуальной задачей.
В использовании неорганических металлсодержащие антипиренов существует две проблемы. Первая - необходимость использования большого количества добавки (более 40 масс.%) для достижения высоких термо- и огнестойких характеристик композита. Вторая - это плохая совместимость неорганических добавок с полимерной матрицей. Решить проблему высокой концентрации неорганических антипиренов можно за счет уменьшения размера частиц добавки, т.к. известно, что не только природа, но и дисперсность наполнителя оказывает влияние на свойства материалов. Проблему совместимости можно решить путем модификации поверхности добавки или разработки специальных подходов их введения в полимер.
Предлагаемые в проекте исследования позволят решить задачу повышения огне- и термостойкости материалов на основе полиэфирных смол с использованием двух новых подходов:
- использованием в качестве антипирена воды и наночастиц оксидов металлов (ZnO, Al2O3, MgO, ZnO, MgO с оболочкой SiO2);
- технологии получения на основе устойчивых водных эмульсий полиэфирных смол, содержащих наночастицы оксидов металлов, равномерно распределенных в матрице полиэфирной смолы, отверждение которой будет осуществляться ионизирующим гамма-излучением или ускоренными электронами без обычных отвердителей и инициаторов.
Описание исследования

В рамках разработки методов получения термо- и огнестойких водонаполненных композиционных наноматериалов на основе полиэфирной смолы, содержащих наночастицы ZnO, Al2O3, MgO и наночастицы ZnO, MgO с оболочкой SiO2, в настоящий момент исследования проводятся по двум направлениям. Первое - разработка методик получения наночастиц ZnO, Al2O3, MgO и наночастиц ZnO, MgO с оболочкой SiO2. Второе - разработка модели и экспериментальная проверка процесса радиационно-химического отверждения полиэфирной смолы и композиционных материалов на ее основе.

Наночастицы ZnO, Al2O3, MgO и наночастицы ZnO, MgO с оболочкой SiO2 в работе будут использоваться в качестве замедлителей горения и термического разложения композиционных материалов на основе полиэфирной смолы. Для этого необходимо разрабатывать воспроизводимые и доступные способы получения наночастиц оксидов металлов.

В работе наночастицы ZnO, Al2O3, MgO и наночастицы ZnO, MgO с оболочкой SiO2 получали методом контролируемого осаждения из раствора. Для этого исследовали влияния параметров синтеза (концентрация компонентов, температура, pH раствора и пр.) на морфологию и состав наночастиц оксидов металлов. Морфологию полученных образцов исследовали методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, качественные свойства - методом рентгенофазового и ИК-Фурье анализа.

Отработка и моделирования процесса радиационно-химического отверждения полиэфирной смолы необходима для выбора комплектации и режима работы облучательных установок (гамма-установка, ускоритель электронов), оборудования (специализированная оснастка), формы и толщины образцов облучаемого материала.

 

Результаты исследования

На данном этапе работы получены следующие результаты:

- были разработаны воспроизводимые методики получения наночастиц ZnO, Al2O3, MgO и наночастиц ZnO, MgO с оболочкой SiO2 методом контролируемого осаждения из раствора.

- были получены наночастицы оксидов металлов. Установлено, что средний размер наночастиц ZnO составил 80 нм, наночастиц ZnO с оболочкой SiO2 - 90 нм, наночастиц Al2O3 -100 нм, наночастиц MgO - 80 нм, наночастиц MgO с оболочкой SiO2 - 100 нм. Качественный состав был подтвержден с помощью РФА и ИК-Фурье спектрометрии.

- была проведены эксперименты по радиационно-химическому отверждению полиэфирной смолы .

Наночастицы оксидов металлов получали методом контролируемого осаждения из раствора. Морфологию и состав конечного продукта изменяли за счет изменения параметров синтеза. Установлено, что в зависимости от условий синтеза размер наночастиц может изменяться от 50 нм до нескольких мкм.

На рисунке 1 приведено ПЭМ-изображение наночастиц MgO со средним размером 80 нм. Наночастицы MgO получали путем осаждения ионов магния гидроксидом натрия с последующей промывкой, сушкой и прокаливанием полученных образцов. В результате исследований установлено, что отсутствие этапа сушки порошка наночастиц оксида магния при высокой температуре (ок.400°С) приводит к увеличению размера частиц с 80 до 500 нм, а использование в качестве прекурсора карбоната натрия приводит к образованию аморфных неорганических соединений на основе магния.

На рисунке 2 приведено ПЭМ-изображение наночастиц Al2O3 со средним размером частиц 80 нм. Наночастицы Al2O3 также получали путем осаждения ионов алюминия стехиометрическим количеством гидроксида натрия с последующей промывкой, сушкой и отжигом полученных образцов. Было установлено, что температура (ок.800°С) и время (до 20 мин.) отжига влияют не только на размер, но и на форму полученных наночастиц Al2O3.

Наночастицы ZnO и MgO с покрытием SiO2 получали в два этапа. На первом этапе получали наночастицы оксидов металлов по ранее разработанным способам, на втором - полученные наночастицы обрабатывали раствором тетраэтоксисилана (ТЭОС) в разных концентрация или готовыми наночастицами оксида кремния. Оба способа позволили получить материалы ZnO@SiO2 и MgO@SiO2. С помощью ИК-Фурье спектрометрии показано наличие оксида кремния на поверхности наночастиц за счет колебательного спектра, характерного энергии возбуждения фрагментов молекулы Si-O-Si. Экспериментально полученные значения диаметра оболочек подтверждаются проведенным теоретическим расчетом.

          

       Рисунок 1. Наночастицы оксида магния.                                  Рисунок 2. Наночастицы оксида алюминия.

 

 

 

Практическая значимость исследования
- Разработанные в результате работы составы наночастиц ZnO, Al2O3, MgO и наночастиц ZnO, MgO с оболочкой SiO2 пригодны для использования в качестве антипиренов для термореактивных и термопластичных полимерных материалов.
- Разработанные методики получения наночастиц ZnO, Al2O3, MgO и наночастиц ZnO, MgO с оболочкой SiO2 могут быть использованы для получения наночастиц со средним размером 100 нм.
Разработанные в дальнейшем термо- и огнестойкие водонаполненные композиционные наноматериалы на основе полиэфирной смолы, содержащие наночастицы ZnO, Al2O3, MgO и наночастицы ZnO, MgO с оболочкой SiO2, по своим характеристикам будут пригодны для использования:
- в атомной энергетике – материал для канальных проходок теплоносителей от ядерных реакторов, иных термостойких конструкционных материалов;
- в судостроении – материал для негорючих внутрикорабельных переборок, внешних элементов конструкций;
- в авиационно-космической технике – материал для изолирующих огне- и пламястойких прокладок и т.п.;
- в транспортном машиностроении- материал для транспортно-упаковочных контейнеров, дверей лифтов, напольных покрытий и т.п.
Постер

14.577.21.0229.ppt