Полиимидные пенопласты на основе изоцианатов (ПИФ) привлекли значительное внимание в различных промышленных областях благодаря своим преимуществам, включая термическую стабильность, механическую прочность и малый вес. Однако их воспламеняемость представляет собой проблему для более широкого применения. В данной статье рассматривается интеграция жидкого три(1-хлор-2-пропил)фосфата (ТХФП) и микрочастиц гидротальцита (ЛДГ) в качестве антипиренов в ПИФ на основе изоцианатов. Исследование объясняет влияние различных дозировок и соотношений смешивания этих добавок на огнестойкость и структурную целостность пенопластов. Полученные результаты подчеркивают потенциал сочетания ТХФП и ЛДГ для достижения повышенной огнестойкости и улучшенной клеточной структуры.
Полиимидные пены, особенно на основе изоцианата, широко используются в различных отраслях промышленности, от аэрокосмической до автомобильной, благодаря своей исключительной термической стабильности и механическим свойствам. Тем не менее, их присущая воспламеняемость остается серьезным недостатком, ограничивающим их применение в условиях, чувствительных к огню. Поэтому для повышения их огнестойкости необходимо добавление антипиренов.
В последние годы для улучшения огнестойкости полимерных материалов исследовались различные антипирены. Среди них значительную эффективность продемонстрировали жидкие соединения на основе фосфора, такие как TCPP. TCPP известен своей способностью нарушать процесс горения как физическим, так и химическим путем. Однако использование TCPP в высоких концентрациях может негативно повлиять на структурную целостность пены из-за ее летучести в процессе отверждения.
Напротив, слоистые двойные гидроксиды (LDH), представляющие собой неорганические соединения, состоящие из гидроксидов металлов, показали себя перспективными в качестве антипиренов. Их уникальная слоистая структура позволяет интеркалировать различные анионы, что может повысить их термическую стабильность и огнезащитные свойства при включении в полимерные матрицы. Цель данной работы — исследовать синергетический эффект сочетания TCPP и LDH в пенополиэтиленовых пенопластах на основе изоцианатов, уделяя особое внимание огнестойкости и структурным свойствам получаемых пенопластов.
Пенополиуретановые материалы на основе изоцианатов были синтезированы в одностадийном процессе с использованием различных дозировок частиц TCPP и LDH. Пенополиуретаны были классифицированы на основе следующих составов:
Контрольный образец (без добавок)
Препараты, содержащие только TCPP (различные дозировки)
Препараты, содержащие только ЛДГ (различные дозировки)
Комбинированные составы TCPP и LDH (различные соотношения смешивания)
Процесс приготовления включал тщательное смешивание компонентов с последующим отверждением в контролируемых условиях. Полученные пеноматериалы подвергались различным аналитическим испытаниям для оценки их свойств.
Индекс предельной концентрации кислорода (LOI): Этот тест проводился для оценки минимальной концентрации кислорода, необходимой для горения. Более высокие значения LOI указывают на лучшую огнестойкость.
Испытание на конусном калориметре (CCT): Испытание на конусном калориметре использовалось для оценки характеристик выделения тепла пенами, что позволило получить представление об их поведении при горении.
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ): СЭМ использовалась для наблюдения за макро- и микроструктурной целостностью пенообразных материалов, что позволило детально изучить клеточную морфологию.
Анализ термической стабильности: Для оценки термической стабильности пеноматериалов в различных условиях был проведен термогравиметрический анализ (ТГА).
Огнестойкость изоцианатсодержащих полимерных композитов значительно изменялась при добавлении TCPP и LDH. Значения LOI показали, что составы, содержащие TCPP, демонстрировали повышенную огнестойкость по сравнению с составами, содержащими только LDH. В частности, при добавлении 10% TCPP наблюдалось увеличение LOI на 29,4%.
Результаты испытаний на конусном калориметре дополнительно подтвердили эти выводы, показав, что пиковая скорость выделения тепла (PHRR) снизилась на 36,1% при добавлении 10% TCPP. Это снижение имеет решающее значение, поскольку указывает на более медленную скорость выделения тепла, что повышает безопасность материала в условиях пожара.
Хотя TCPP продемонстрировал превосходную огнезащитную эффективность, его чрезмерная концентрация привела к пагубному воздействию на структуру пены. Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показали, что при дозировке TCPP, превышающей 10%, в макроячеистой структуре происходило значительное растрескивание, а также наблюдались микроячеистые отверстия. Эти структурные повреждения были связаны с быстрым испарением TCPP в фазе после отверждения, что привело к сокращению ячеек.
Напротив, включение слоистых двойных гидроксидов (LDH) продемонстрировало способность повышать структурную целостность пенопластов. При использовании TCPP в сочетании с LDH в соотношении 10% каждого, полученные пенопласты демонстрировали улучшенную макро- и микроячеистую структуру. Дисперсия LDH внутри пенопластов способствовала укреплению клеточных окон и каркасов, тем самым уменьшая сокращение ячеек.
Сочетание TCPP и LDH оказалось синергетическим в повышении как огнестойкости, так и структурной целостности. Присутствие LDH смягчило негативное воздействие TCPP на ячеистую структуру, обеспечив более стабильную пенную матрицу. Оптимизированная рецептура с 10% TCPP и 10% LDH не только улучшила огнестойкость, но и сохранила ячеистую структуру по сравнению с пенами, обработанными только TCPP.
Полученные результаты подчеркивают важность сбалансированного распределения огнезащитных добавок в полимерных системах для достижения оптимальных противопожарных характеристик без ущерба для структурной целостности. Эффективность TCPP в качестве огнезащитного средства хорошо задокументирована; однако его высокая летучесть создает проблемы в поддержании желаемых свойств полимерных интерметаллических пенополимеров. Введение слоистых двойных гидроксидов (LDH) решает эти проблемы, укрепляя структуру пены и обеспечивая дополнительную огнестойкость.
Наблюдаемое снижение PHRR и увеличение LOI подчеркивают потенциал одновременного использования жидких и твердых антипиренов. Такой подход не только повышает пожарную безопасность, но и обеспечивает сохранение важных механических свойств, что имеет решающее значение для практического применения PIF в различных отраслях промышленности.
В заключение, исследование демонстрирует, что сочетание жидкого TCPP и микроразмерных LDH значительно улучшает огнестойкость и структурную целостность изоцианатсодержащих полиимидных пен. Синергетический эффект этих антипиренов позволяет создавать высококачественные полиимидные пены, соответствующие стандартам безопасности без ущерба для эксплуатационных характеристик. В будущих исследованиях следует изучить долговременную стабильность и воздействие этих антипиреновых систем на окружающую среду, чтобы обеспечить их устойчивое использование в различных областях применения.
