Модифицирование ПАН волокна с целью снижения горючести

Тип работы:
Статья
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Модифицирование ПАН волокна с целью снижения горючести

Одним из критериев, определяющих возможность применения полимеров во многих отраслях промышленности, является их горючесть. Проблема снижения их пожарной опасности является одной из важнейших научных и практических задач. Это подтверждается принятием в Российской Федерации закона «О пожарной безопасности». Поэтому проблемы снижения горючести текстильных материалов остаются в центре внимания исследований. Об этом свидетельствуют прогнозы на увеличение производства огнезащитных текстильных материалов.

В современных методах снижения горючести ПАН волокна уделяется большое внимание поверхностной обработке тканей и волокон замедлителями горения (ЗГ) или огнезамедлительными системами (ОГЗС).

Следует отметить, что эффективных для снижения горючести ПАН волокон ЗГ не много, поэтому в данной исследовательской работе рассматривалась модификация ПАН волокон с использованием синергетических систем, состоящих из пирофакса (ПФ), диамидометилфосфата (Т2). Для фиксации ЗГ в структуре волокна и сохранности огнезащитного эффекта применялись различные соединения: мочевина (МО), полисахариды (ПСХД).

Процесс модифицирования осуществлялся по ранее выбранному режиму [1] и включал следующие стадии: пропитка готового волокна растворами ЗГ при различном соотношении компонентов при температуре 20С в течении 60 сек., модуле ванны 5; сушка до постоянной массы при температуре 25+5°С; термообработка при температуре 150С в течении 10 мин. — для проявления взаимодействия ЗГ с волокном; промывка при 40С для удаления непрореагировавшего препарата; сушка.

Расчет коэффициента эффективности сорбционного взаимодействия волокна с ЗГ, характеризующего сохранение ЗГ на волокне после стирки показал, что наибольшее повышение эффективности сорбционного взаимодействия достигается введением в модифицирующую ванну МО, табл. 1, которая может образовывать соединения включения как с органическими, так и с неорганическими веществами.

В связи с тем, что ПАН волокно при повышенных температурах переходит в растеклованное состояние при исследованиях выявили влияние этих условий на эффективность взаимодействия ЗГ с волокном.

Таблица 1. Влияние состава модифицирующей ванны на эффективность взаимодействия ЗГ с ПАН волокном

Содержание модифицирующей ванны, % масс.

Коэффициент эффективности сорбционного взаимодействия ЗГ с волокном, %

20Т2+ПСХД

76

20 (Т2+ПФ)+ПСХД

87

30 (Т2+ПФ)+ПСХД

88

30 (Т2+ПФ)+МО

97

При модификации исследуемыми ЗГ и ОГЗС установлена, рис. 1, большая эффективность при обработке волокна ванной, содержащей смесь ЗГ (Т2+ПФ)+ПСХД и этот эффект сохраняется при всех способах модификации. Вместе с тем, следует отметить, что предварительная термическая обработка немодифицированного ПАН волокна при температуре 100 °C, а также пропитка его ванной с температурой 85 °C незначительно изменяют эффективность сорбционного взаимодействия ЗГ с ПАН волокном.

Известно [3], что для снижения горючести ПАН волокон необходимо предотвратить деполимеризацию, приводящую к образованию горючих летучих соединений, таких как нитрилы, цианистый водород, аммиак, и создать условия для реакции циклизации, способствующей коксообразованию. В связи с этим, методом термогравиметрического анализа (ТГА) исследовали закономерности процесса пиролиза модифицированных волокон.

Для исходного немодифицированного ПАН волокна в интервале температур 210−2700С начинаются процессы циклизации, обеспечивающие создание структуры полимера, способной формировать карбонизованный остаток (КО). Однако при повышении температуры процессы деполимеризации становятся преобладающими — значительно возрастают потери массы волокна и скорости потерь массы.

С введением в состав волокна ЗГ и ОГЗС процессы циклизации в модифицированном волокне начинаются при меньших, чем для исходного ПАН волокна температурах, табл. 2, 3, и протекают с меньшими скоростями. Это сопровождается большим выходом коксового остатка (КО) Сформировавшийся кокс характеризуется большей термостойкостью, так как потери массы при температурах выше 5000С у модифицированных волокон меньше, что свидетельствует не только об инициирующем влиянии ЗГ на коксообразование, но и на структуру КО. При пиролизе модифицированного волокна снижается общий выход летучих продуктов, уменьшается величина экзотермических пиков, соответствующих процессу циклизации полиакрилонитрила, снижается энергия процесса циклизации.

Таблица 2. Данные пиролиза модифицированных волокон

№ п/п

Состав образца

Температура

деструкции, 0С,

?m при Тк, %

Потери массы, % масс., при температуре, 0С

Е акт процесса циклизации, кДж

моль

200

300

400

500

600

700

800

900

1

ПАН

210-265

240

18

2

21

29

38

60

80

95

98

130*

2

(ПАН+ Т2+ПФ)+МО

170-295

245

24

20

24

34

38

42

48

57

72

61,4

3

(ПАН+Т2)+ПСХД

160-280

240

16

7

16

25

35

50

61

72

86

62

4

(ПАН +ПФ)+ПСХД

140-250

210

15

11

16

24

31

35

41

51

62

49,3

5

(ПАН +Т2)+МО+ПСХД

160-265

235

31

20

34

40

45

50

59

70

80

63,6

6

(ПАН +ПФ)+МО+ПСХД

170-290

230

26

19

27

33

40

47

56

63

74

76,5

7

(ПАН+ ПФ)+МО

160-300

245

18

12

18

27

32

37

44

54

67

53,9

8

(ПАН+Т2 +ПФ)+ +МО+ПСХД (СВЧ — обработка)

180-290

240

30

21

30

37

41

46

52

61

73

64,2

Примечание: Тн, Тmax, Тк — начальная, максимальных потерь массы и конечная температуры деструкции; m — потери массы при Тк; * - литературные данные.

Таблица 3. Влияние стадий модификации на показатели пиролиза ПАН волокон

№ п/п

Состав образца

Температура

деструкции, 0С,

?m при Тк%,

Потери массы, % масс., при температуре, 0С

200

300

400

500

600

700

800

900

1

ПАН

210-265

240

18

2

21

29

38

60

80

95

98

2

(ПАН+ Т2+ПФ)+МО

170-295

245

24

20

24

34

38

42

48

57

72

3

(ПАН+ Т2+ПФ)+МО + термообработка

165-280

240

20

16

22

30

34

40

45

55

69

4

(ПАН+ Т2+ПФ)+МО + стирка

150 - 280

225

16

14

19

27

34

54

70

82

91

Как показали результаты анализа, наиболее эффективными ЗГ для ПАН волокон являются ПФ, МО, ПСХД, что объясняется наличием в их составе реакционноспособных групп, а также способностью МО и ПСХД образовывать комплексные соединения. Кроме того, ПХДС относится к обволакивающим средствам и может образовывать на поверхности волокна защитный слой, предотвращающий вымывание ЗГ из его структуры.

Изменения, происходящие в процессе пиролиза полимеров, влияют на горючесть волокнистых материалов на основе модифицирующих волокон. Огнестойкость оценивали по показателю воспламеняемости полимеров — кислородному индексу (КИ), а также по потерям массы образцов при поджигании их на воздухе.

Анализ данных позволяет сделать вывод об эффективности взаимодействия ЗГ с ПАН волокном, что подтверждается увеличением значения КИ с 18% об (для исходного ПАН волокна) до 34,5% об. (для модифицированных систем), табл. 4. Однако однократная стирка снижает значение КИ.

Таблица 4. Показатели горючести образцов ПАН волокон

Модификация ПАН волокон из ванн, содержащих масс. %

Потери массы при поджигании на воздухе, % масс., по стадиям обработки

КИ, % об.

пропитка

термообработка

промывка

пропитка

20Т2+ПСХД

5,2

5,3

2,9

25,0

20 (Т2+ПФ)+ПСХД

7,5

8,1

11

32,0

30 (Т2+ПФ)+ПСХД

8,3

13,6

54

31,5

30 (Т2+ПФ)+МО

18

12

1

29,0

30 (Т2+ПФ)+ПСХД+МО

6,9

4,8

2

34,5

Основные физико-механические показатели модифицированного ПАН волокна зависят от многих факторов, в том числе, и от состава модифицирующей ванны. Наибольшее усилие, удерживаемое волокном до разрыва, наблюдается у образцов следующих составов (ПАН+30Т2)+ПСХД, (ПАН+30ПФ)+ПСХД, рис. 3.

Модифицированные волокна могут быть особенно перспективны при изготовлении ковров, напольных покрытий, тепло- и звукоизоляционных материалов и в производстве углеродных волокон.

Литература

1. Щербина Н. А. Полиакрилонитрильные волокна пониженной горючести / Н. А. Щербина, Е. В. Бычкова, И. Н. Синицына, Панова Л. Г. // Международный симпозиум восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям: Докл. Международного симпозиума «Композиты XXI века», Саратов, 20−22 сентября, 2005. -Саратов, 2005. — С. 392−394.

2. Щербина Н. А. Эффективность действия замедлителей горения на модифицированные волокна// Н. А. Щербина, Е. В. Бычкова, Панова Л. Г. // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология.: Докл. IV Междунар. конф. «Композит 2007», Саратов, 3−6 июля, 2007. — Саратов, 2007. -С. 337−339

3. Термо-, жаростойкие и негорючие волокна / Под ред. А. А. Конкина. _М.: Химия, 1978. — 424 с.

Приложение

8

Рис. 1. Эффективность действия замедлителя горения по стадиям модификации: 1 — пропитка готового волокна ЗГ; 2 — термообработка волокна (t=100°С в течение 10мин.) + пропитка ЗГ (tванны=20±5°С); 3 — термообработка волокна (t=100°С в течение 10 минут)+пропитка ЗГ в ванне (tванны=85°С).

Рис. 2. Скорости потери массы исходных и модифицированных ПАН волокон: 1 - ПАН-исходн., 2 — (ПАН+ Т2+ПФ)+МО; 3 — (ПАН+ Т2)+ПСХД; 4 — (ПАН+ПФ)+ПСХД; 5 — (ПАН+Т2)+МО+ПСХД; 6 — (ПАН+ПФ)+МО+ПСХД; 7 — (ПАН+ПФ)+МО; 8 — (ПАН+Т2+ПФ)+МО+ПСХД (СВЧобработка)

Рис. 3. Зависимость физико-механические показателей образцов ПАН волокна от состава модифицирующей ванны: 1 — 20 Т2 +ПСХД, 2 — 20 ПФ+ПСХД; 3 — 30 ПФ+ПСХД; 4 — 20 (Т2+ПФ)+ПСХД; 5 — 30 (Т2+ПФ)+ПСХД; 6 — 30 Т2 +ПСХД

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой