Особенности формирования, структура и свойства огнестойких нанокомпозитов полиэтилен/монтмориллонит

Аннотация

Актуальность темы диссертации и востребованность результатов исследования. На сегодняшний день полимеры этилена являются одними из крупнотоннажных полимеров в мире, что связано с ежегодным и интенсивным темпом потреблением данной продукции. Вместе с тем, некоторые недостатки, присущие полимерам этилена, например, низкая стойкость к горению, значительно ограничивают область их применения. Усиление огнестойкости полиэтилена и материалов на его основе является принципиально сложной задачей, связанной не только с поиском эффективных и в то же время экологически безопасных, доступных и недорогих замедлителей горения и антипирирующих составов, но и с сохранением остальных ценных свойств полимера. В соответствии с этим, создание нанокомпозитов на основе полимеров этилена с целью усиления их термических, механических и огнестойких характеристик является актуальной задачей. Проведение комплексных научных исследований в этом направлении позволит создать материалы, обладающие усиленными эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью к горению. В годы обретения суверенитета в Республике Узбекистан особое внимание уделено разработке современных, прогрессивных инновационных технологий, устойчивому, динамическому, сбалансированному развитию отечественной промышленности и росту ее экспортного потенциала. В этом отношении достигнуты определенные успехи, связанные, например, с возведением в стране крупных заводов (Шуртанского и Устюртского газохимических комплексов) по производству полимеров этилена и пропилена. Однако, недостаточное внимание уделено производству огнестойких композиционных полимерных материалов конструкционного, технического и электротехнического назначения. С этой целью, была поставлена задача, связанная, как отмечается в Постановлении1 Президента Республики Узбекистан, с созданием и расширением производств, «обеспечивающих им-портозамещение и насыщение внутреннего рынка необходимыми потребительскими товарами, продукцией производственно-технического назначения». В этом отношении, производство импортозамещающей, экспортоориентированной и конкурентоспособной продукции, соответствующей мировым стандартам качества, в числе которых нанокомпозиты на основе полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, обладающие повышенной стойкостью к горению, и применение ее в строительной индустрии, машино-и автомобилестроении является актуальной задачей. Данное диссертационное исследование служит выполнению ряда задач, предусмотренных в Указах и Постановлениях Президента Республики Узбекистан № УП-4947 от 7 февраля 2017 года «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», № ПП-1442 от 15декабря 2010 года «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах» и № ПП-2698 от 26 декабря 2016 года «О мерах по дальнейшей реализации перспективных проектов локализации производства готовых видов продукции, комплектующих изделий и материалов на 2017-2019 годы», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в этой сфере. Целью исследования является выявление условий формирования нанокомпозитов на основе линейного полиэтилена низкой плотности, а также зависимости между структурой и их термическими, механическими и огнестойкими характеристиками. Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем: выявлены оптимальные условия смешения малеинизированного полиэтилена (отличающегося высокой молекулярной массой) и различного типа модифицированного монтмориллонита в расплаве линейного полиэтилена низкой плотности, при которых происходит эксфолиация слоистого алюмосиликата; получены полимерные нанокомпозиты с высокой степенью эксфолиации слоистого алюмосиликата, отличающиеся от ненаполненного полиэтилена, комплексом повышенных термических, механических и огнестойких характеристик; установлена корреляционная зависимость между типом структур, формирующихся в процессе получения композитов (в зависимости от типа монтмориллонита, типа и концентрации малеинизированного полиэтилена), и их термическими, механическими и огнестойкими характеристиками; впервые разработаны составы полимерных нанокомпозитов, дополнительно содержащих терморасширяющийся графит, отличающихся низким содержанием замедлителя горения и высокой стойкостью к горению. Заключение Полученные в настоящей работе результаты исследования по теме диссертации доктора философии (PhD) по химическим наукам «Особенности формирования, структура и свойства огнестойких нанокомпозитов полиэти-лен/монтмориллонитом» заключаются в следующем: 1. Синтезирован бромид Р,Р',Р"-трифенил-Р"'-октадецилфосфония, используя который, а также хлорид 1-октадециламмония, проведена модификация натриевого монтмориллонита. Исследована структура полученных типов модифицированного монтмориллонита, а также изучены их термические характеристики. Установлено, что монтмориллонит, модифицированный бромидом Р,Р',Р"-трифенил-Р"'-октадецилфосфония, характеризуется сравнительно большим межслоевым расстоянием, по сравнению с монтмориллонитом, модифицированным аммониевыми поверхностно-активными веществами с одно- или двухцепными алифатическими цепями. 2. Путем прививки малеинового ангидрида к полиэтилену, находящегося в состоянии расплава или растворенного в растворителе, получено два типа малеинизированного полиэтилена, содержащих 5 и 45 мас.% привитого малеинового ангидрида соответственно. Выявлено, что с увеличением концентрации малеинового ангидрида, привитого к макроцепи полиэтилена, снижается его степень кристалличности, температура плавления и стойкость к термоокислительной деструкции. 3. Методом смешения компонентов в расплаве полиэтилена получены полимерные композиты, отличающиеся интеркалированным и эксфолии-рованным типом структуры. Выявлено, что степень эксфолиации слоистого алюмосиликата повышается с увеличением содержания малеинизированного полиэтилена (или концентрации привитого малеинового ангидрида) в составе композита, при этом одновременно снижается и степень кристалличности полиэтилена в его составе. 4. Установлено, что при увеличении степени эксфолиации слоистого алюмосиликата в составе полиэтилена повышается модуль упругости (для нанокомпозитов, содержащих 3 мас.% CisP-MMT - на 47%; 5 мас.% (Cis)2N-ММТ - на 55%), термостабильность (для нанокомпозитов, содержащих 3 мас.% CisP-MMT на 50°С или 5 мас.% (Cis)2N-MMT - на 68°С). Вместе с тем выявлено, что пластичность и прочностные характеристики полимерных нанокомпозитов сохраняются на уровне исходного, ненаполненного полиэтилена, снижается скорость горения и повышается кислородный индекс (с 18 до 20 об.%). 5. Установлено, что в режиме ускоренных испытаний («старение в печи») термоокислительная деструкция нанокомпозитов протекает менее интенсивно, по сравнению с ненапол ценным полиэтиленом, скорость потери массы которого в два раза выше. Более того, нанокомпозиты по стойкости в условиях длительного теплового воздействия превосходят составы, содержащие органические антиоксиданты. 6. Впервые получены полимерные нанокомпозиты с низким содержанием в их составе замедлителя горения. Показано, что нанокомпозиты (с преимущественно эксфолиированной структурой), содержащие дополнительно не более 10 мас.% (вместо 40 мас.%) терморасширяющегося графита, обладают высокой стойкостью к горению (категория V-0) и рядом других положительных характеристик.