Combustibility and fume evolution of epoxy matrix composites

Introduction. Epoxy oligomers are widely used as binders in construction industry. At the same time, wide use of polymers in modern construction industry requires careful examination and optimization of operational properties related to fire safety. It is known that such properties can be controlled by chlorinated paraffins, synthesized fire retardants of type “Redant” and many other compounds. However, the effect of such compounds to the properties of epoxy matrix composites has not been thoroughly investigated to date. The choice of an admixture that reduces the fume evolution of epoxy composites is an important task also. Purpose of the work. The purpose of this work is to study the thermal stability, flammability, fume evolution of epoxy matrix composites with different types and amounts of hardeners, fillers, plasticizers, fire retardants and ferrocene derivatives. Materials and methods. Dependencies between thermal stability, flammability, fume evolution of polymer matrix composites based on ED-20 epoxy resin and amount and chemical type of components are examined in the present work. To control operational properties of interest the chemical type and content of hardeners, fillers, plasticizers, fire retardants and ferrocene derivatives are varied. DuPont-9900 device is used for thermal analysis. Properties related to fire safety are determined in accordance with RU GOST 12.1.044-89 and several methods that were previously developed by authors of this work. Results. It is shown that while phosphate-based plasticizers are of almost no effect on combustibility of epoxy-based polymer matrix composites, they can successfully be used for the reduction of fume evolution. It is revealed that chemical nature of mineral fillers has little effect on the flammability when amount of such fillers are less than 45 % by weight; at the same time, fume evolution linearly decreases with the increase of degree of filling. To reduce the flammability of epoxy composites, we propose additive bromine-containing flame retardants in the form of a solution in N,N-dimethyl-2,4,6-tribromoaniline. High efficiency of acetylferrocene and a-hydroxyethylferrocene as reducers of fume evolution is shown. The correlation between critical density of the heat flux of ignition and limiting oxygen index and also limiting concentration of oxygen is revealed. Conclusion. In the present work we have summarized results of several laboratory tests. The tests were allowed to select the type and amount of components of epoxy matrix composites with improved operational properties, intermediate and small combustibility. Such composites can successfully be used in different areas of construction industry.

антипирен, воспламеняемость, горючесть, дымообразующая способность, композиты, наполнители, пластификаторы, производные ферроцена, эпоксидные олигомеры, fire retardant, flammability, combustibility, fume evolution, composites, fillers, plasticizers, ferrocene derivatives, epoxies

1. Зайцев Ю. С., Кочергин Ю. С., Пактер М. К., Кучер Р. В. Эпоксидные олигомеры и клеевые композиции. -Киев : Наукова думка, 1990. -200 с.

2. Кочнова З. А., Жаворонок Е. С., Чалых А. Е. Эпоксидные смолы и отвердители: промышленные продукты. -М. : ООО “Пейнт-Медиа”, 2006. -200 с.

3. Чернин И. З., Смехов Ф. М., Жердев Ю. В. Эпоксидные полимеры и композиции.-М. : Химия, 1982. -232 с.

4. Баженов С. Л., Берлин А. А., Кульков А. А., Ошмян В. Г. Полимерные композиционные материалы. Прочность и технология. -Долгопрудный : Изд. дом “Интеллект”, 2010. -347 с.

5. Баженов Ю. М., Батаев Д. К.-С., Муртазаев С.-А. Ю. Энерго- и ресурсосберегающие материалы и технологии для ремонта и восстановления зданий и сооружений.-М. : Комтех-Принт, 2006. -235 с.

6. Степанова В. Ф., Степанов А. Ю., Жирков Е. П. Арматура композитная полимерная.-М. : Бумажник, 2013.-200 с.

7. Шилин А. А., Пшеничный В. А., Картузов Д. В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. -М. : Стройиздат, 2007. -184 с.

8. Селяев В. П., Иващенко Ю. Г., Низина Т. А. Полимербетоны.-Саранск : Изд-во Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарёва, 2016. -284 с.

9. Полимерные материалы с пониженной горючестью / Под ред. А. Н. Праведникова.-М. : Химия, 1986. -221 с.

10. Михайлин Ю. А. Тепло-, термо- и огнестойкость полимерных материалов. - СПб. : Научные основы и технологии, 2011.-416 с.

11. Karbhari V. M., Chin J. W., Hunston D., Benmokrane B., Juska T., Morgan R., Lesko J. J., Sorathia U., Reynaud D. Durability gap analysis for fiber-reinforced polymer composites in civil infrastructure // Journal of Composites for Construction. - 2003. - Vol. 7, No. 3. - P. 238-247. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2003)7:3(238).

12. Bakis C. E., Bank L. C., Brown V. L., Cosenza E., Davalos J. F., Lesko J. J., Machida A., Rizkalla S. H., Triantafillou T. C. Fiber-reinforced polymer composites for construction - state-of-the-art review // Journal of Composites for Construction. - 2002. - Vol. 6, No. 2. - P. 73-87. DOI: 10.1061/(asce)1090-0268(2002)6:2(73).

13. Mouritz A. P., Gibson A. G. Fire properties of polymer composite materials.-Dordrecht : Springer, 2006. -401 p. DOI: 10.1007/978-1-4020-5356-6.

14. 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. -2013. -Т. 22, № 10.-С. 25-33.

15. Ушков В. А., Лалаян В. М., Ломакин С. М., Невзоров Д. И. О влиянии неразлагающихся наполнителей на воспламеняемость и дымообразующую способность полимерных композиционных материалов // Пожаровзрывобезопасность. -2013. -Т. 22, № 6. -С. 32-39.

16. Ушков В. А., Лалаян В. М., Ломакин С. М., Невзоров Д. И. Горючесть и дымообразующая способность полимерных композиционных материалов с разлагающимися минеральными наполнителями // Пожаровзрывобезопасность. -2013. -Т. 22, № 8. -С. 15-24.

17. Ушков В. А., Абрамов В. В., Григорьева Л. С., Кирьянова Л. В. Термостойкость и пожарная опасность эпоксидных полимеррастворов // Строительные материалы.-2011.-№12.-С. 68-71.

18. Ушков В. А., Григорьева Л. С., Абрамов В. В. Горючесть эпоксидных полимеров // Вестник МГСУ. -2011.-№ 1-2. -С. 352-356.

19. Ушков В. А., Невзоров Д. Н., Копытин А. В., Лалаян В. М. Воспламеняемость и дымообразующая способность полимерных материалов, содержащих производные ферроцена // Пожаровзрывобезопасность. -2014.-Т. 23, № 7. -С. 27-35.

20. Ушков В. А., Абрамов В. В., Лалаян В. М., Кирьянова Л. В. Слабогорючие эпоксидные полимеррастворы, используемые для восстановления и ремонта строительных конструкций // Пожаровзрывобезопасность. -2012.-Т. 21, № 10. -С. 36-40.

21. Панина Н. Н., Чурсова Л. В., Бабин А. Н., Гребенева Т. А., Гуревич Я. М. Основные способы модификации эпоксидных полимерных материалов в России // Все материалы. Энциклопедический справочник. -2014.-№ 9. -С. 10-17.

22. Брык М. Т. Деструкция наполненных полимеров : монография. -М. : Химия, 1989. -192 с.

23. Халтуринский Н. А. О механизме действия галогенсодержащих ингибиторов // Все материалы. Энциклопедический справочник. -2009. -№ 11. -С. 22-30.

24. Халтуринский Н. А. О механизме действия галогенсодержащих ингибиторов // Все материалы. Энциклопедический справочник. -2009. -№ 12. -С. 30-37.

25. Халтуринский Н. А., Рудакова Т. А. Физические аспекты горения полимеров и механизм действия ингибиторов // Химическая физика. -2008. -Т. 27, № 6. -С. 73-84.