Введение 16
1 Обзор литературы 18
1.1 Пожарная опасность полимерных материалов 18
1.2 Механизмы снижения горючести полимерных материалов замедлителями
горения различной природы 21
1.2.1 Введение наполнителей 24
1.2.2 Применение антипиренов 27
1.3. Методы оценки горючести полимерных материалов 33
1.4 Полимеры на основе эпоксидных смол 37
1.5 Состав продуктов горения эпоксидных полимеров 42
2 Объект и методы исследования 45
2.1 Электронная микроскопия 47
2.2 Масс-спектроскопия 47
2.3 Термический анализ 50
2.4 Испытания на статический изгиб 52
2.5 Определение температуры воспламенения 53
2.6 Оценка погрешности измерений 55
3 Результаты проведенного исследования 59
3.1 Характеристика наполнителей 59
3.1.1 Ортоборная кислота 59
3.1.2 Многослойные углеродные нанотрубки 61
3.1.3 Гидрокарбонат натрия 63
3.2 Результаты термического анализа 64
3.2.1 Термическая стабильность эпоксидных композитов
модифицированных порошками борной кислоты 64
3.2.2 Термическая стабильность эпоксидных композитов
модифицированных гидрокарбонатом натрия 66
3.3 Результаты масс-спектрометрического анализа для образцов,
наполненных порошком гидрокарбоната натрия 69
3.4 Результаты механических испытаний 75
3.5 Результаты испытаний эпоксидных композитов на горючесть 79
3.5.1 Определение температуры воспламенения образцов наполненных
МУНТ, гидрокарбонатом натрия и борной кислотой 79
3.5.2 Определение кислородного индекса эпоксидных композитов 85
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 87
4.1 Предпроектный анализ 88
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 88
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 90
4.1.3 SWOT-анализ 92
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 95
4.2 Инициация проекта 96
4.2.1 Цели и результат проекта 97
4.2.2 Организационная структура проекта 98
4.3 Планирование управления научно-техническим проектом 99
4.3.1 Контрольные события проекта 99
4.3.2 План проекта 99
4.3.4 Бюджет научного исследования 104
4.3.4.1 Расчет материальных затрат НИП 104
4.3.4.2 Основная и дополнительная заработная плата 106
4.3.4.3 Отчисления на социальные нужды 108
4.3.4.2 Накладные расходы 108
4.3.5 Организационная структура проекта 109
5 Социальная ответственность 112
5.1 Профессиональная социальная безопасность 112
5.1.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов 112
5.1.1.1. Параметры микроклимата 113
5.1.1.2. Освещенность 114
5.1.1.3 Производственный шум 114
5.1.1.4 Электробезопасность 115
5.1.1.5 Вредные вещества
5.1.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов 115
5.2 Экологическая безопасность 118
5.2.1. Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду 118
5.2.2 Обоснование мероприятий по защите окружающей среды 119
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 122
5.3.1 Анализ вероятных ЧС, которые могут возникнуть в лаборатории при
проведении исследований 122
5.3.2 Обоснование мероприятий по предотвращению ЧС и разработка
порядка действия в случае возникновения ЧС 124
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 125
5.4.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства 125
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя 127
Заключение 131
Список публикаций 134
Список использованных источников 138
Приложение А 143
Приложение Б 163
Объектом исследования являются эпоксидные композиты, модифицированные высокодисперсным порошками борной кислоты H3BO3, МУНТ, гидрокарбонатом натрия NaHCO3.
Цель работы - исследование термической стабильности, горючести и механической прочности эпоксидных композитов при введении в эпоксидную смолу замедлителей горения в качестве наполнителей в высокодисперсном состоянии.
В процессе исследования проводилось изучение влияния индивидуальных наполнителей, а также их комбинаций на термические характеристики изготовленных эпоксидных композитов, горючесть и физико - механические свойства.
В результате исследования установлен оптимальный для снижения горючести и сохранения высоких механических характеристик состав наполнителей в эпоксидных композитах, определена группа горючести, температура воспламенения.
Проблема горючести полимеров и полимерных материалов является крайне актуальной в наше время. Большинство полимерных материалов являются горючими и характеризуются низкой огнестойкостью. Снижение горючести полимерных материалов является одной из важнейших задач, от решения которой зависит дальнейшее развитие таких отраслей народного хозяйства как строительство, машиностроение, авиа- и автомобилестроение и др. Многоплановые исследования в этой области направлены на определение условий распространения пламени, критических условий затухания материалов, а также на изучение влияния различных веществ на горючесть материалов [1,
2] .
Основными методами снижения горючести полимеров являются их модификация или введение в материал замедлителей горения.
Статистика показывает, что причиной пожаров в подавляющем большинстве случаев (75-85 % из зарегистрированных) является возгорание органических полимерных материалов от таких маломощных источников зажигания, как искры, возникающие при разрядах статического электричества, тлеющие сигареты или спички. Поэтому снижение воспламеняемости полимеров является важной задачей в общей проблеме снижения пожароопасности материалов. Уменьшение склонности к воспламенению, замедление скорости горения и образования дыма и токсичных газов при сгорании полимерных материалов является залогом уменьшения опасности возникновения и быстрого развития пожара, проявления его отрицательных последствий [3].
Цель работы - исследование термической стабильности, горючести и механической прочности эпоксидных композитов при введении в эпоксидную смолу замедлителей горения в качестве наполнителей в высокодисперсном состоянии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Изучить литературу по вопросам пожароопасности полимерных материалов и методам снижения их горючести.
2. Изучить свойства исходных материалов - эпоксидной смолы, ортоборной кислоты H3BO3, многослойных углеродных нанотрубок (далее МУНТ), гидрокарбоната натрия NaHCO3 и изготовить образцы эпоксидных композитов.
3. Исследовать влияние наполнителей разной концентрации и комбинаций наполнителей на термические характеристики изготовленных образцов.
4. Определить основные газообразные продукты и исследовать
интенсивность их выделения на разных стадиях термоокислительной деструкции эпоксидных композитов.
5. Оценить влияние наполнителей на основе борной кислоты, МУНТ и гидрокарбоната натрия на горючесть эпоксидных композитов экспериментальным (определение температуры воспламенения образцов) и расчетным (определение кислородного индекса) методами.
6. Исследовать влияние наполнителей на физико-механические
характеристики эпоксидных полимеров.
В данной работе исследована возможность направленного регулирования свойств эпоксидных композитов с применением наполнителей МУНТ, борной кислоты и гидрокарбоната натрия в высокодисперсном состоянии.
В результате выполненной работы были решены задачи, поставленные в процессе исследования, и получены следующие результаты:
1. В ходе проведения термического анализа было выявлено, что наполнитель ортоборная кислота оказывает положительное влияние на течение процесса термоокислительной деструкции эпоксидных композитов. Наблюдается тенденция увеличения выхода остатка (до 20,1%) с повышением концентрации наполнителя H3BO3. Использование гидрокарбоната натрия в качестве наполнителя неоднозначно отразилось на процессе термоокислительной деструкции эпоксидных композитов. На начальной стадии NaHCO3 наблюдалось ускорение процесса термического разложения, а на конечной этот процесс замедлялся. Совместное использование наполнителей гидрокарбоната натрия и борной кислоты привело к замедлению деструкции на всех стадиях этого процесса. Таким образом, термогравиметрический анализ показал, что использование наполнителя ортоборной кислоты в качестве антиперена как отдельно, так и в комбинации с гидрокарбонатом натрия приводит к улучшению термической стабильности эпоксидных композитов. Помимо этого, увеличение выхода остатка по окончании термоокислительной деструкции говорит о снижении количества выделяющихся газообразных продуктов.
2. С помощью масс-спектрометрического метода анализа были исследованы температурные зависимости выхода молекулярных ионов основных выделяющихся газообразных продуктов термического разложения эпоксидных композитов, таких как: метан, вода, окись углерода, формальдегид, двуокись углерода, хлорметан и бензол. Самые высокие ионные токи характерны для окиси углерода, воды, двуокиси углерода и метана. Данный метод не позволяет дать количественную оценку образования летучих продуктов для сравнения интенсивности их выделения с введением наполнителей, но дает возможность увидеть качественные изменения интенсивности выделяющихся газов на различных стадиях термоокислительной деструкции композитов.
3. В работе было исследовано влияние наполнителей H3BO3, NaHCO3 и МУНТ на физико-механические характеристики эпоксидных полимеров. Была установлена оптимальная для сохранения высоких механических характеристик концентрация борной кислоты в эпоксидных композитах - 10 %. Бикарбонат натрия в малых количествах (до 1 %) благоприятно влияет на физикомеханические характеристики, однако при больших концентрациях наблюдается ухудшение этих показателей (модуль упругости уменьшается). Введение в полимер МУНТ улучшает прочностные свойства эпоксидных композитов.
4. При оценке влияния наполнителей на основе борной кислоты, МУНТ и гидрокарбоната натрия на горючесть эпоксидных композитов экспериментальным методом (определение температуры воспламенения образцов), выявлено, что введение наполнителей NaHCO3 и H3BO3 приводит к увеличению температур воспламенения образцов, по сравнению с немодифицированным эпоксидным полимером. Наполнитель МУНТ концентрацией 0,5 масс.% не оказывает негативного влияния на горючесть эпоксидных композитов. Комбинация 0,5 масс.% МУНТ с борной кислотой 15 масс.% приводит к увеличению температуры воспламенения эпоксидных композитов на их основе. влияния на время и температуру воспламенения эпоксидных композитов. Наполнитель H3BO3 как отдельно, так и в комбинации с 0,5 масс. % МУНТ способствует увеличению времени индукции образцов до
7,1 минут.
5. Для косвенной оценки горючести эпоксидных полимеров был использован метод кислородного индекса. Согласно полученным результатам, для образцов, наполненных гидрокарбонатом натрия и образца с 5% NaHCO3 и 10% H3BO3, величина КИ лежит в интервале от 21 до 26. Это говорит том, что таким композиционным материалам свойственно медленное горение, как правило, такие вещества плавятся. С увеличением концентрации наполнителей гидрокарбоната натрия NaHCO3 величина КИ растет. При комбинированном использовании соды и ортоборной кислоты кислородный индекс увеличивается до 26%. Повышение кислородного индекса свидетельствует о снижении горючести исследуемых эпоксидных композитов, что объясняется разложением наполнителей при повышении температуры на воду и углекислый газ.
Исходя из полученных результатов проведенных анализов в работе, была установлена оптимальная для уменьшения пожароопасности и улучшения эксплуатационных характеристик эпоксидных композитов концентрация и комбинация наполнителей - совместное использование наполнителя МУНТ 0,5 масс. % и борной кислоты 15 масс. %.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
