Идентификация термопластичных полимеров методом синхронного термического анализа

Введение. Представлены результаты исследования термопластичных полимерных материалов различной химической природы (полиэтилен высокой плотности, поликарбонат, поливинилхлорид), способных при воздействии высоких температур пожара плавиться, растекаться, гореть и капать, формируя вторичные очаги пожара. Обоснована актуальность применения высокоточного и информативного метода синхронного терми­ческого анализа для определения химической природы полимеров вещной обстановки пожара.

Цели и задачи. Целью исследования являлась оценка возможности применения метода синхронного термического анализа для идентификации полимерных материалов с разной степенью термического воздействия на них при диагностике формирования вторичных очагов пожара в рамках пожарно-технической экспертизы.

Для достижения цели решены следующие задачи: определены термоаналитические характеристики для идентификации полукристаллических термопластов в нативном состоянии, подверженных высокотемпературному воздействию пожара; определены термоаналитические характеристики для идентификации аморф­ных полимерных материалов с разной степенью термического воздействия на них.

Методы. При исследовании применялся метод синхронного термического анализа, включающий в себя: термогравиметрический анализ, дифференциальную термогравиметрию и дифференциальную сканиру­ющую калориметрию. Приведен пример совмещения метода синхронного термического анализа с методом квадрупольной масс-спектрометрии для решения задачи идентификации термопластов.

Результаты. Изучены закономерности термической и термоокислительной деструкции полимерных материалов. Рассмотрена методология идентификации термопластов методом синхронного термического анализа. Установлено, что для полимеров с температурой воздействия до 300 °С значимую информацию о химической природе полимера дают значения температур фазовых переходов (плавления, стеклования, термо- (термо­окислительной) деструкции). Определение химической природы термопластов с высокой степенью выгорания возможно только при наличии экстремумов на кривых дифференциальной термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии в высокотемпературном интервале термолиза полимеров. Показана возможность идентификации термопластов при совмещении термического анализа с масс-спектрометрией.

Выводы. Анализ результатов исследований показал, что значимыми термоаналитическими характеристиками для идентификации полукристаллических термопластов являются температура плавления и температура максимальной скорости потери массы процесса термо- или термоокислительной деструкции полимера. Для аморфных термопластов — температура стеклования и температура термо- или термоокислительной деструкции полимера.

1. Бесчастных А.Н., Чешко И.Д., Андреева Е.Д. Экспертное исследование после пожара остатков пено­полиуретанов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Esplosion Safety. 2004. № 1. С. 80–86.

2. Zhiyi Jia, Xinyang Zhang, Xinyang Wang, Tao Zhao, Xinggang Chen, Minjie Wu et al. Structural design and synthesis of naphthalene-containing phthalonitrile polymer with excellent processability and high temperature properties // Journal of Polymer Sciencе. 2023. Vol. 61. Issue 19. Pр. 2292–2302.

3. Abid M.K., Abbas1 M.M., Abid N.K., Jwad M.K. Investigate the thermal analysis properties of polymer electrolyte // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2114. P. 012048. DOI: 10.1088/1742-6596/2114/1/012048

4. Billah K.M.M., Lorenzana F.A.R., Martinez N.L., Chacon S., Wicker R.B., Espalin D. Thermal analysis of thermoplastic materials filled with chopped fiber for large area 3D printing // Solid Freeform Fabrication 2019: Proceedings of the 30th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium : An Additive Manufacturing Conference Texas. August. 2019. Pр. 892–898.

5. Thermal analysis of polymers: fundamentals and applications / J.D. Menczel, R.B. Prime (ed.). John Wiley & Sons, Publ. 2008. 688 p.

6. Ehrenstein G.W., Riedel G., Trawiel P. Thermal analysis of plastics : Theory and practice; Carl Hanser Verlag: Munich, Germany. 2004. 400 р. URL: https://api.semanticscholar.org/CorpusID:138988997

7. Беззапонная О.В. Исследование окислительно-деструктивных процессов, протекающих в огнезащитных составах интумесцентного типа с течением времени, методом термического анализа // Техносферная безопасность. 2018. № 3 (20). С. 66–71.

8. Hohenwarter D., Mattausch H., Fischer C., Berge M., Haar B. Analysis of the Fire Behavior of Polymers (PP, PA 6 and PE-LD) and their improvement using various flame retardants // Materials. 2020. Vol. 13. Р. 5756. DOI: 10.3390/ma13245756

9. Беззапонная О.В., Лузина М.Д., Динисламов М.М. Применение метода синхронного термического анализа для оценки горючести веществ и материалов // Техносферная безопасность. 2022. № 4 (37). С. 127–140.

10. Мокряк А.Ю., Чешко И.Д., Елисеев Ю.Н., Принцева М.Ю. О роли горящих полимеров в возникновении и развитии пожара // Расследование пожаров : сб. ст. под общ. ред. И.Д. Чешко. СПб. : Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2019. Вып. 6. С. 119–124.

11. Чешко И.Д., Принцева М.Ю., Лобанова О.В. Инструментальные методы в современной пожарно-технической экспертизе // Надзорная деятельность и судебная экспертиза в системе безопасности. 2020. № 4. С. 29–41.

12. Коптелов А.А., Коптелов И.А., Рогозина А.А., Юшков Е.С. Возможности методов термического анализа в применении к исследованию кинетики термического разложения полимеров // Журнал прикладной химии. 2016. Т. 89. Вып. 9. С. 1163–1169.

13. Charde S.J., Sonawane S.S., Sonawane S.H., Shimpic N.G. Degradation kinetics of polycarbonate composites // Chemical and Biochemical Engineering Quarterly. 2018. Vol. 32 (2). Рp. 151–165. DOI: 10.15255/CABEQ.2017.1173

14. Fateh T., Richard F., Rogaume T., Joseph P. Experimental and modelling studies on the kinetics and mechanisms of thermal degradation of polymethyl methacrylate in nitrogen and air // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2016. Vol. 120. Рp. 423–433. DOI: 10.1016/j.jaap.2016.06.014

15. Беззапонная О.В., Хабибова К.И. Применение метода термического анализа при идентификации термо­пластов и реактопластов в рамках пожарно-технической экспертизы // Техносферная безопасность. 2022. № (34). С. 85–91.

16. Беззапонная О.В., Головина Е.В., Акулов А.Ю. Идентификационный контроль огнезащитных составов интумесцентного типа методами термического анализа // Техносферная безопасность. 2019. № 1 (22). С. 52–57.

17. Беззапонная О.В. Оценка температуры воздействия на древесину в условиях пожара методами термического анализа // Техносферная безопасность. 2020. № 3 (28). С. 70–80.

18. Мокряк А.Ю., Елисеев Ю.Н., Чешко И.Д. О пожароопасных свойствах накладных светодиодных светильников // Расследование пожаров : сб. ст. / под общ. ред. И.Д. Чешко. СПб. : Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2019. Вып. 6. С. 108–118.

19. Принцева М.Ю., Чешко И.Д. Применение термического анализа в экспертных исследованиях по делам о пожарах // Актуальные проблемы обеспечения пожарной безопасности и защиты от чрезвычайных ситуаций : сб. ст. по мат. Всеросс. науч.-практ. конф. Железногорск : ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-­спасательная академия, 2019. С. 260–270.

20. Принцева М.Ю., Лобова С.Ф. Применение термического анализа для расчета кинетических параметров термодеструкции полимеров при выполнении реконструкции пожара // Современные пожаробезопасные материалы и технологии : сб. мат. IV Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 30-й годовщине МЧС России. Иваново, 2020. С. 95–99. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=44196459