Пиролиз гибридной полиуретано-неорганической теплоизоляции: термогравиметрический анализ и Фурье ИК-спектры

Введение. Целью данной работы является изучение процесса термического разложения (пиролиза) двух образцов гибридного органо-неорганического теплоизоляционного материала (ОНМ) на основе данных, полученных методами термогравиметрического анализа и ИК-Фурье спектрометрии.

Поставленная цель предопределила следующие задачи исследования: выяснить основную химическую структуру образцов ОНМ (по функциональным группам), изучить порядок процессов в материалах при нагревании в азоте, рассчитать энергию активации, предэкспоненциальный множитель, определить механизм пиролиза.

Материалы и методы. В работе использовались методы термогравиметрического анализа и ИК-Фурье спектрометрии. Образцы для спектрометрического анализа готовили в процессе термогравиметрических испытаний по методу «заморозки» эксперимента.

Результаты и их обсуждение. В работе исследованы структурные особенности двух образцов гибридной полиуретано-неорганической теплоизоляции и прослежены физико-химические процессы, протекающие при их нагревании в динамических условиях в атмосфере азота до 750 °С.

Показан многостадийный характер пиролиза обоих образцов гибридного теплоизоляционного материала. Пиролиз первого образца является трехстадийным процессом. У второго образца разложение протекает в две стадии. Все стадии являются эндотермичными. Это указывает на преобладание энергетических затрат на разрыв связей между органической и неорганической частями и другие выводы.

Установлено, что пиролиз образцов ОНМ на всех стадиях осуществляется по механизму нуклеации и росту ядер (активных центров деструкции) по закону случая R (1). Анализ Фурье ИК-спектров образцов показал, что оба образца изготовлены с применением изоцианатов алифатического типа Desmodur.

Выводы. В работе изучены химическая структура и физико-химические превращения при нагревании новой группы материалов — гибридных органо-неорганических теплоизоляционных материалов. Статья является продолжением работы коллектива авторов по систематическому исследованию термического поведения современных видов полимерной теплоизоляции.

1. Помогайло А.Л. Гибридные полимер-неорганические нанокомпозиты // Успехи химии. 2000. Т. 69. № 1. С. 69–89. DOI:10.1070/RC2000v069n01ABEH000506

2. Sanchez C., Shea K.J., Kitagawa S. Recent progress in hybrid materials science // Chemical Society Reviews. 2011. Vol. 40. Issue 2. Pp. 471–472. DOI:10.1039/C1CS90001C

3. Figueira R.B. Hybrid sol-gel coatings for corrosion mitigation: A critical review // Polymers. 2020. Vol. 12. Issue 2. P. 689. DOI:10.3390/polym12030689

4. Verdolotti L., Lavorgna M., Lamanna R., Di Maio E., Iannace S. Polyurethane-silica hybrid foam by solgel approach: Chemical and functional properties // Polymer. 2015. Vol. 56. Pp. 20–28. DOI:10.1016/j.polymer.2014.10.017

5. Maleki H., Duraes L., Portugal A. An overview on silica aerogels synthesis and different mechanical reinforcing strategies // Journal of Non-Crystalline Solids. 2014. Vol. 385. Pp. 55–74. DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2013.10.017

6. Guo H., Meador M.A.B., McCorkle L., Quade D.J., Guo J., Hamilton B. Polyimide aerogels crosslinked through amine functionalized poly-oligomeric silsesquioxane // ACS Applied Materials. 2011. Vol. 3. Issue 2. Pp. 546–552. DOI:10.1021/am101123h

7. Mandal C., Donthula S., Far H.M., Saeed A.M., Sotiriou- Leventis C., Leventis N. Transparent, mechanically strong, thermally insulating cross-linked silica aerogels for energy-efficient windows // Journal of Sol- Gel Science and Technology. 2019. Vol. 92. Issue. 2. Pp. 84–100. DOI:10.1007/s10971-019-05100-5

8. Katti A., Shimpi N., Roy S., Lu H., Fabrizio E.F., Dass A. Chemical, Physical and mechanical characterization of isocyanate cross-linked aminomodified silica aerogels // Chemistry and Materials. 2006. Vol. 18. Issue 2. Pp. 285–296. DOI:10.1021/cm0513841

9. Demilecamps A., Alves M., Rigacci A., Reichenauer G., Budtova T. Nanostructured interpenetrated organic-inorganic aerogels with superinsulating properties // Journal of Non-Crystalline Solids. 2016. Vol. 452. Pp. 259–265. DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2016.09.003

10. Meador A.B., Capadona L.A., McCorkle L., Papadopoulos D.S., Leventis N. Structure−property relationships in porous 3D nanostructures as a function of preparation conditions: Isocyanate cross-linked silica aerogels // Chemistry of Materials. 2007. Vol. 19. Issue 9. Pp. 2247–2260. DOI:10.1021/cm070102p

11. Кобелев А.А., Круглов Е.Ю., Асеева Р.М., Сер- ков Б.Б. Гибридная полиуретано-неорганическая теплоизоляция: пожарная опасность и термоокислительное разложение // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2021. № 8. С. 24–33. DOI:10.31044/1994-6260-2021-0-8-24-33

12. Кобелев А.А., Круглов Е.Ю., Нагановский Ю.К., Асеева Р.М. Физико-химические превращения гибридной полиуретано-неорганической теплоизоляции при нагревании на воздухе и в инертной атмосфере // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2021. № 4. C. 22–29. DOI:10.25257/FE.2021.4.22-29 URL:https://www.elibrary.ru/item.asp?id=47501844

13. Кобелев А.А., Круглов Е.Ю., Нагановский Ю.К., Асеева Р.М., Серков Б.Б. Термоокислительная деструкция пенополиизоциануратной теплоизоляции // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2018. № 12. C. 31–40. DOI:10.31044/1994-6260-2018-0-12-31-39

14. Wang S., Wang D., Smart S., Diniz da Costa J.C. Ternary phase-separation investigation of sol-gel derived silica from ethyl silicate 40 // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. Issue 1. P. 14560. DOI:10.1038/srep14560

15. Niznansky D., Rehspringer J.L. Infrared study of SiO2 sol to gel evolution and gel aging // Journal of Non-Crystalline Solids. 1995. Vol. 180. Issue 2–3. Pp. 191–196. DOI:10.1016/0022-3093(94)00484-6

16. Чукин Г.Д. Химия поверхности и строение дисперсного кремнезема. М. : Паладин, 2008. 172 с.

17. Garrido M.A., Font R. Pyrolysis and combustion study of flexible polyurethane foam // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2015. Vol. 113. Pp. 202–215. DOI:10.1016/j.jaap.2014.12.017

18. Lingling J., Huahua X., Qingsong W., Jinhua S. Thermal degradation characteristics of rigid polyurethane foam and the volatile products analysis with TG-FTIR- MS // Polymer Degradation and Stability. 2013. Vol. 98. Issue 12. Pp. 2687–2696. DOI:10.1016/j.polymdegradstab.2013.09.032

19. Kim Jeong-Hyeon, Ahn Jae-Hyeok, Kim Jeong-Dae, Lee Dong-Ha, Kim Seul-Kee, Lee Jae-Myung. Influence of silica-aerogel on mechanical characteristics of polyurethane based composites: Thermal conductivity and strength // Materials. 2021. Vol. 14. Issue 7. P. 1790. DOI:10.3390/ma14071790

20. Ballard C.C., Broge E.C., Iler R.K., John D.S.St., McWhorter J.R. Esterification of the surface of amorphous silica // The Journal of Physical Chemistry. 1961. Vol. 65. Issue 1. Pp. 20–25. DOI:10.1021/j100819a007

21. Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. М. : Химия, 1992. 384 с.

22. Алифатические полиизоцианаты DESMODUR® // Промышленные покрытия. 2019. URL: https://www.lkmportal.com/articles/alifaticheskie-poliizocianatydesmodurr