Влияние состава ПВХ-пластиката на эксплуатационные свойства и огнезащитную эффективность полимерных материалов на его основе

Введение. В последние несколько лет пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ), наполненный интумесцентными материалами, используется как компонент пассивной огнезащиты. Важными характеристиками таких материалов являются физико-механические свойства, степень и температурный профиль вспенивания, воспламеняемость. Эти характеристики значительно зависят от свойств полимерной матрицы интумесцентного материала. В данной работе исследована взаимосвязь между составом ПВХ-пластиката и свойствами огнезащитных материалов на его основе.

Материалы и методы исследования. В работе были использованы интумесцентные огнезащитные материалы на основе ПВХ-пластиката различного состава: с изменением молекулярной массы ПВХ и содержания пластификатора в составе пластиката. Пластикат был получен методом интенсивного смешения порошка ПВХ с пластификатором и комплексным стабилизатором. Огнезащитный материал получали методом сухого смешения порошков пластиката, эластомерного компонента, антипирена и интумесцентного материала с последующим экструдированием смеси через плоскощелевую фильеру. Для полученных материалов был определен комплекс свойств: плотность, твердость, прочность и удлинение при растяжении, термостойкость, степень вспенивания в интервале 300–800 °C, воспламеняемость, морфология поверхности изломов, показатель текучести расплава.

Результаты и их обсуждение. В работе приведены результаты исследования физико-механических и терми­ческих свойств огнезащитных материалов, их огнезащитной эффективности. Было установлено, что прочность при растяжении при введении наполнителей в полимерный материал снижается на 20–62 %, что типично для наполнителей с низкой адгезией к полимеру. При этом увеличение твердости может достигать 32 %. Вязкость полимерной матрицы в основе огнезащитного материала определяет процесс его вспенивания.

Выводы. Для огнезащитных материалов на основе ПВХ-пластиката наблюдается:

1) снижение физико-механических свойств относительно полимерного материала;

2) наличие окисленного графита в составе огнезащитного материала определяет снижение термостойкости полимерной матрицы при получении огнезащитных материалов;

3) вязкость полимерной основы в составе огнезащитного материала может служить показателем, определяющим изменение термостойкости и степени вспенивания.

1. Qu H., Wu W., Xie J., Xu J. A novel intumescent flame retardant and smoke suppression system for flexible PVC // Polymers for Advanced Technologies. 2011. Vol. 22. Pр. 1174–1181. DOI: 10.1002/pat.1934

2. Focke W.W., Muiambo H., Mhike W., Kruger H.J., Ofosu K. Flexible PVC flame retarded with expandable graphite // Polymer Degradation and Stability. 2014. Vol. 100. Pр. 63–69. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2013.12.024

3. Coaker A.W. Fire and flame retardants for PVC // Journal of Vinyl and Additive Technology. 2003. Vol. 9. Vol. 3. Pp. 108–115. DOI: 10.1002/vnl.10072

4. Lagreve C., Ferry L., Lopez-Cuesta J.-M. Flame Retardant Polymer Materials Design for Wire and Cable Applications. In Flame Retardant Polymeric Materials : a Handbook / Edited by Y. Hu, X. Wang. Boca Raton : Taylor and Francis Group, 2020. 294 р. DOI: 10.1201/b22345-14

5. Халтуринский Н.А., Новиков Д.Д., Жорина Л.А., Компаниец Л.В., Рудакова Т.А. Влияние интумесцентных антипиренов на горючесть ПВХ пластикатов // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11. № 1. С. 22–27. EDN: PJLTAP.

6. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. М. : Аспект Пресс, 1997. С. 365.

7. Кропачев Р.В., Новокшонов В.В., Вольф­сон С.И., Михайлова С.Н. Терморасширяющиеся полимерные композиционные материалы // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 5. С. 60–63.

8. Nobuatsu W., Satoshi K., Hiroki I. Thermal Decomposition of Graphite Fluoride. I. Decomposition Products of Graphite Fluoride, (CF)n in a Vacuum // Bulletin of the Chemical Society of Japan. 1980. Vol. 53. Vol. 10. Pp. 2731–2734. DOI: 10.1246/bcsj.53.2731

9. Саидаминов М.И. Термолиз графита, интеркалированного азотной кислотой, в различных газовых средах : дис. … канд. хим. наук. М., 2013. С. 10–48.

10. Сорокина Н.Е. Интеркалированные соединения графита с кислотами: синтез, свойства, применение : дис. … д-ра хим. наук. М., 2007. С. 182–190.

11. Chung D.D.L. Exfoliation of graphite // Journal of Materials Science. 1987. Vol. 22. Pр. 4190–4198. DOI: 10.1007/BF01132008

12. Camino G., Duquesne S., Delobel R., Eling B., Lindsay C., Roels T. Mechanism of Expandable Graphite Fire Retardant Action in Polyurethanes // ACS Symposium Series. 2001. Vol. 797. Pр. 90–109. DOI: 10.1021/bk-2001-0797.ch008

13. Марков А.В., Тахсин А. Саки, Токарева Е.В. Влияние процесса разложения порофора азодикарбонамида на процесс вспенивания полимерных композиций // Пластические массы. 2020. № 9–10. C. 35–39. DOI: 10.35164/0554-2901-2020-9-10-35-39

14. Марков А.В., Тахсин А. Саки. Влияние технологических добавок на вспенивание жестких поливинил­хлоридных композиций азодикарбонамидом // Тонкие химические технологии. 2014. Т. 9. № 3. С. 79–85.

15. Марков А.В., Тахсин А. Саки, Угличева А.Ю. Особенности вспенивания жестких поливинилхлоридных композиций азодикарбонамидом // Тонкие химические технологии. 2013. Т. 8. № 6. С. 99–102.

16. Wypych G. PVC // Degradation and Stabilization. Toronto : ChemTec Publishing, 2020. Pр. 8, 258, 345–355. DOI: 10.1016/C2019-0-00335-4

17. Ушков В.А., Лалаян В.М., Невзоров Д.И., Ломакин С.М. О влиянии фталатных и фосфатных пластификаторов на воспламеняемость и дымообразующую способность полимерных композиционных материалов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2013. Т. 22. № 10. С. 25–33. eLIBRARY ID: 20405994.

18. Ушков В.А., Лалаян В.М., Ломакин С.М., Невзоров Д.И. Горючесть и дымообразующая способность поли­мерных композиционных материалов с разлагающимися минеральными наполнителями // Пожаро­взрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2013. Т. 22. № 8. С. 15–24. eLIBRARY ID: 20349093.

19. Griffin G., Bicknell A.D., Brown T.J. Studies on the Effect of Atmospheric Oxygen Content on the Thermal Resistance of Intumescent, Fire-Retardant Coatings // Journal of Fire Sciences. 2005. Vol. 23. Issue 4. Pр. 303–328. DOI: 10.1177/0734904105048598

20. US Patent, No. US 6470635 B2. Coupling assembly with intumescent material / K.R. Cornwall. Publ. date 29.10.2002.

21. Canadian Patent, No. CA 2351262 A1. Composition for molded fire stop / F. Xing , M. Harle, B. Didone. Publ. date 22.12.2002

22. EU Patent, No. EP 2397514 A2. Firestop composition comprising thermoplastic, intumescent, and flame retardants / Zhvanetskiy I., Page J.B., Bernt K. Publ. date 21.12.2011.

23. US Patent, No. US 7676991 B2. Fire collar / J.W.G. Truss. Publ. date 16.03.2016.

24. US Patent, No. US 20200056073 A1. Intumescent Firestop Tape Construction / J.C. Hulteen, G.W. Frost, R.J. Haffner, E.L. Schmidt. Publ. date 20.02.2020.

25. EU Patent, No. EP 0745751 A2. Intumescent strip. P.L. Boot. Publ. date 08.09.1999.

26. US Patent, No. US 20030035912 A1. Intumescent fire-protection strips jacketed on three sides and combined cold-and hot-gas seals / H. Horacek. Publ. date 04.05.2004.

27. EU Patent, No. EP 0879870 B1. Intumescent sealing and cover sections / H.Dr. Horacek. publ. date 29.08.2001.

28. EU Patent, No. EP 0879870 B1. Intumescent sealing and cover sections / H.Dr. Horacek. publ. date 29.08.2001.

29. Wypych G. Introduction in : handbook of Plasticizers. 3rd Edition / Edited by Wypych G. Toronto : ChemTec Publishing, 2017. Pр. 1–6. DOI: 10.1016/B978-1-895198-97-3.50003-2

30. Гузеев В.В. Структура и свойства наполненного ПВХ. СПб. : Научные основы и технологии, 2012. С. 95–130.

31. Краускопф Л.Г., Годвин А. Пластификаторы. Глава 5. ПВХ (Поливинилхлорид). Получение, добавки и наполнители, сополимеры, свойства, переработка / под ред. Д. Саммерс, Ч. Уилки, Ч. Даниэлс. СПб. : Профессия, 2007. С. 218–220.

32. Гуткович С.А. Особенности получения и применения поливинилхлорида с различными физико-химическими характеристиками : дис. … д-ра техн. наук. М., 2011. С. 181–203.

33. Bocchini S., Camino G. Halogen-containing flame retardants. Chapter 4 in: Fire Retardancy of Polymeric Materials / Ed. by C.A. Wilkie, A.B. Morgan. 2nd ed. Boca Raton, FL : CRC Press, 2010. Pр. 75–105. DOI: 10.1201/9781420084009-c4

34. Carty P., White S. The effect of DOP plasticizer on smoke formation in poly(vinyl chloride) // Polymer. 1992. Vol. 33. Issue 5. Pр. 1110–1111. DOI: 10.1016/0032-3861(92)90033-S

35. Murphy J. Additives for Plastics Handbook. Second Edition. Oxford : Elsevier, 2001. Pр. 115–140. DOI: 10.1016/B978-1-85617-370-4.X5000-3

36. Muir K., Liggat J.J., O’Keeffe L. Thermal volatilisation analysis of graphite intercalation compound fire retardants // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2023. Vol. 148. Pр. 1905–1920. DOI: 10.1007/s10973-022-11804-8

37. Архангельский И.В., Годунов И.А., Яшин Н.В., Нагановский Ю.К., Шорникова О.Н. Кинетика вспенивания терморасширяющихся огнезащитных составов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. Т. 29. № 5. С. 71–81. DOI: 10.22227/PVB.2020.29.05.71-81

38. Camino G., Lomakin S. Intumescent materials. Chapter 10 in: Fire Retardant Materials / Edited by A.R. Horrocks, D. Price. Cambridge : Woodhead Publishing, 2001. Pр. 318–336. DOI: 10.1533/9781855737464.318

39. Лавров Н.А., Колерт К., Ксенофонтов В.Г., Лаврова Т.В., Белухичев Е.В. О механизме деструкции поливинилхлорида // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (техни­ческого университета). 2012. № 16 (42). С. 031–035. eLIBRARY ID: 18322320.

40. Luangtriratana P., Kandola B.K., Duquesne S., Bourbigot S. Quantification of Thermal Barrier Efficiency of Intumescent Coatings on Glass Fibre-Reinforced Epoxy Composites // Coatings. 2018. Vol. 8. Issue 347. Pр. 1–18. DOI: 10.3390/coatings8100347

41. Okyay G., Naik A.D., Samyn F., Jimenez M., Bourbigot S. Fractal conceptualization of intumescent fire barriers, toward simulations of virtual morphologies // Scientific Reports. 2019. Vol. 9(1872). Pр. 1–16. DOI: 10.1038/s41598-019-38515-9