Повышение термической стабильности и огнестойкости керамизируемых композитов на основе ЭВА за счет трехмерных сшитых структур.
Введение
Керамифицируемые композиты на основе этиленвинилацетата (ЭВА) стали значительным достижением в материаловении, особенно в области термостойких полимеров. Композиты на основе ЭВА широко используются благодаря своей гибкости, ударопрочности и термической стабильности, что делает их идеальными для различных промышленных применений. Однако необходимость повышения термической стабильности, особенно в условиях высоких температур, привела к разработке керамифицируемых композитов. Эти материалы при воздействии высоких температур трансформируются в керамикоподобные структуры, сохраняя свою механическую целостность и обеспечивая огнестойкость.
В данной работе исследуется получение керамизируемых композитов на основе ЭВА с использованием бис(трет-бутилперокси)диизопропилбензола (БИПБ) в качестве сшивающего агента в сочетании с силикатными стеклянными фриттами (ССФ) и полифосфатом аммония (АПФ) в качестве добавок. Сшивающие структуры играют ключевую роль в определении термической стабильности, реологических свойств и самоподдерживающейся природы композита. Процесс сшивания анализируется с помощью спектроскопии Фурье-преобразования в инфракрасной области (FTIR), дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и измерений содержания геля. Термические и реологические свойства характеризуются с помощью реометра и термогравиметрического анализа (TGA), а пористость, фазовый состав и морфология керамического остатка исследуются с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и сканирующей электронной микроскопии (SEM). Исследование подчеркивает влияние сшивающих структур на керамические свойства композита, позволяя понять механизмы, лежащие в основе трансформации полимера в керамику.
Структуры сшивания в композитах на основе ЭВА
Включение BIPB в матрицу EVA приводит к образованию сшитых структур, которые имеют решающее значение для улучшения свойств композита. Сшивание — это химический процесс, при котором полимерные цепи соединяются ковалентными связями, образуя трехмерную сеть. Эта сетевая структура существенно влияет на механические и термические свойства материала. В этом контексте BIPB действует как радикальный инициатор, запуская образование сшивок внутри полимерных цепей EVA.
Формирование сшитых структур анализировалось с помощью ИК-спектроскопии, ДСК и измерения содержания геля. ИК-спектроскопия позволила получить представление о химических изменениях, происходящих в процессе сшивания, с особым вниманием к исчезновению или появлению функциональных групп, связанных с матрицей ЭВА. ДСК использовалась для изучения термических переходов композита, в частности, поведения при плавлении и кристаллизации, на которые влияет степень сшивания. Измерения содержания геля, которые количественно определяют нерастворимую фракцию композита, служили прямым индикатором степени сшивания, при этом более высокое содержание геля коррелировало с более сшитой структурой.
Также была оценена роль SGF и APP в реакции сшивания. SGF, широко используемый неорганический наполнитель, и APP, антипирен, были добавлены в качестве присадок для повышения термической стабильности и керамизируемых свойств композита. Однако анализы FTIR, DSC и содержания геля показали, что ни SGF, ни APP не препятствовали реакции сшивания, инициированной BIPB. Это говорит о том, что добавки в основном влияют на термические и керамизируемые свойства композита, не изменяя основной процесс сшивания.
Композитный материал ЭВА
Реологические свойства и термическая стабильность
Формирование трехмерной сшитой сетки в композите на основе ЭВА оказывает существенное влияние на его реологические свойства и термическую стабильность. Реологические свойства, описывающие деформацию материала под воздействием напряжения, имеют решающее значение для определения технологичности и эксплуатационных характеристик полимерных композитов. Сшитая матрица из ЭВА продемонстрировала улучшенные реологические характеристики, с увеличением вязкости и эластичности, что было подтверждено реологическими испытаниями. Эти улучшения объясняются взаимосвязанной сетью полимерных цепей, которые более эффективно сопротивляются течению и деформации, чем
линейная или слабо разветвленная полимерная структура.
Термическая стабильность, ключевой параметр для керамизируемых композитов, оценивалась с помощью термогравиметрического анализа (ТГА). Сшитый композит на основе ЭВА продемонстрировал превосходную термическую стабильность по сравнению со своим несшитым аналогом, о чем свидетельствует более высокая температура разложения и меньшая потеря веса при повышенных температурах. Сшитые структуры способствуют этому улучшению, ограничивая подвижность полимерных цепей, тем самым снижая скорость термической деградации. Кроме того, присутствие SGF и APP дополнительно повысило термическую стойкость композита. SGF, как стеклообразная фаза, обеспечивает барьер против тепла, в то время как APP, как антипирен, выделяет фосфорную кислоту при разложении, способствуя образованию защитного слоя коксового остатка, который изолирует материал от тепла.
Керамифицируемые свойства и самоподдерживающееся поведение
Одно из наиболее примечательных свойств композита EVA — его способность трансформироваться в керамикоподобную структуру при воздействии высоких температур, явление, известное как керамификация. Эта трансформация имеет решающее значение для применений, где требуется огнестойкость и структурная целостность. Самоподдерживающаяся природа композита, то есть его способность сохранять свою форму и выдерживать собственный вес при воздействии высоких температур, напрямую зависит от образования сшитых структур.
Сшитый композит на основе ЭВА продемонстрировал превосходные самоподдерживающиеся свойства, сохраняя свою структурную целостность до 1000 °C. Это объясняется «скелетной» функцией сшитой сетки, которая действует как каркас, поддерживающий композит до образования неорганических кристаллических фаз. По мере повышения температуры SGF плавится, а APP разлагается, способствуя образованию керамического остатка, замещающего полимерную матрицу. Сочетание сшитых структур и керамизируемых добавок обеспечивает способность композита выдерживать термические напряжения без разрушения или потери механических свойств.
Также были исследованы видимая пористость и плотность керамического остатка. Сшитые структуры сыграли значительную роль в снижении видимой пористости керамического остатка, что привело к образованию более плотной и компактной керамической структуры. Рентгенодифракционный анализ (XRD) выявил фазовый состав керамического остатка, идентифицировав кристаллические фазы, такие как силикаты и фосфаты, которые способствуют огнестойким свойствам материала. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) предоставила подробные изображения морфологии керамического остатка, подчеркнув плотную и взаимосвязанную структуру, образовавшуюся после керамификации. Снижение пористости и повышение плотности являются ключевыми факторами улучшения огнестойкости и механической прочности материала при высоких температурах.
Заключение
Разработка керамизируемых композитов на основе ЭВА с трехмерными сшитыми структурами представляет собой значительный шаг вперед в области огнестойких материалов. Использование BIPB в качестве сшивающего агента в сочетании с SGF и APP в качестве добавок приводит к получению композита с превосходной термической стабильностью, реологическими свойствами и керамизируемыми характеристиками. Сшитые структуры, образующие прочную сеть внутри матрицы ЭВА, играют решающую роль в повышении самоподдерживающихся свойств композита и снижении пористости керамического
остатка.
Результаты данного исследования показывают, что реакция сшивания происходит независимо от добавок SGF и APP, что позволяет одновременно улучшить термическую стабильность и керамические свойства. Керамический остаток, образующийся после воздействия высоких температур, демонстрирует уменьшенную пористость и повышенную плотность, что способствует огнестойкости материала. Эти результаты подчеркивают потенциал сшитых композитов на основе ЭВА в тех областях применения, где термическая стабильность и огнестойкость имеют первостепенное значение.
