Библиографическое описание:

Зернышкина А. А. Исследование влияния замедлителей горения на термодеструкцию полиакрилонитрильного волокна // Молодой ученый. — 2015. — №24.1. — С. 23-26.

 

Существенным недостатком полиакрилонитрильных волокон (ПАНВ) является их высокая горючесть (температура воспламенения 250 0С, КИ 19 % об.), обусловленная выделением при термическом разложении полимера большого количества тепла и низкомолекулярных летучих продуктов (акрилонитрила, этилена, пропилена, цианистого водорода, аммиака). Одновременно в полимере образуются циклические структуры и поперечные связи (сшивки) вплоть до образования нелетучего, пространственно сшитого карбонизованного продукта [1-3]. Отсюда следует, что для снижения горючести ПАНВ необходимо направить протекание процесса пиролиза по реакциям, приводящим к образованию карбонизованного остатка и снижению выделения тепла при пиролизе, что, в свою очередь, позволит сократить энергозатраты и, соответственно, уменьшить себестоимость углеродных волокон за счет снижения температуры на стадиях окисления и карбонизации. Одним из способов снижения горючести ПАНВ является модифицирование замедлителями горения (ЗГ).

В прошлой работе [4] рассматривалась возможность применения для модификации ПАНВ таких ЗГ как тетрафторборат аммония (ТФБА), пентаэритрит (ПЭТ) и полифосфат аммония (АРР-3), разложение которых сопровождается эндоэффектами в диапазоне температур термодеструкции ПАН волокна. Кроме того, эти соединения содержат атомы фосфора, бора и азота, способствующие структурированию полимера, приводящему к повышению выхода карбонизованных структур (КС) и уменьшению выделения горючих летучих продуктов [2,3] и доступны на рынке.

В данной статье продолжается исследование влияния этих же ЗГ на термодеструкцию ПАНВ с целью определения из них наиболее эффективного.

ПАНВ деструктирует в две стадии, разделенные температурным интервалом (рис.1, 2). На первой стадии, в интервале температур 220-265 0С, начинается образование циклических структур [6], о чем свидетельствует появление, по данным ДСК, экзотермического эффекта.

 

Таблица 1

Влияние типа модификатора и состава ванн на параметры пиролиза ПАН волокон

№ пп

Вид волокна

Процесс окисления

Процесс карбонизации

Выход КО, %

∆Н Дж/г

(температурный

интервал, 0С)

Выход КО, %

∆Н Дж/г

температурный

интервал, 0С)

1

ПАНВ

исходное

86,4

871 (251-285)

7,0

8608,45

(605-638)

Модифицированное из водной ванны готовое волокно

2

ПАН+АРР-3

94,4

552 (253-312)

58,9

 

996 (498-575)

575 (630-713)

3

ПАН+ТФБА

94,6

1239 (268-314)

13,2

6525 (531-657)

Модифицированное из водной ванны свежесформованное волокно

4

ПАН+АРР-3

95,0

483 (254-321)

52,5

406 (481-659)

5

ПАН+ТФБА

98,0

128 (257-292)

7,5

5563 (528-678)

 

Влияние ЗГ на термодеструкцию ПАН волокон, полученных пропиткой волокна из 20 %-х ванн – для АРР-3, ТФБА и 5 % - для ПЭТ, по данным ТГА и ДСК приведено в табл. 1, рис.1, 2. Для модифицированного АРР-3 ПАН волокна отмечена стадия, соответствующая, в основном, пиролизу АРР (110-2310С). Образовавшийся при этом NН3 также участвует в процессе окисления ПАН волокна. Это подтверждается уменьшением скорости пиролиза (данные ДТГ), соответствующих процессам окисления и карбонизации (рис.1, 2), значительным снижением теплового эффекта карбонизации с 8609 – для исходного, до 406-1571 кДж/г – для модифицированного волокна, а также увеличением выхода КС. Так, если при 600 0С у исходного волокна их количество составляет 7% масс, то у ПАНВ модифицированного АРР-3 – от 52 до 70 % (табл. 1).

Продукты разложения ТФБА, образовавшиеся при пиролизе модифицированного ПАНВ, в интервале температур 196-2700С, инициируют процессы циклизации волокна, рис. 1, 2. При этом обеспечивается более высокий, в сравнении с исходным ПАНВ, выход КС, но значительно меньший (до 13,2 % масс.), чем при модификации ПАН волокна АРР-3.

Модификация волокна ПЭТ, по данным ТГА, ДСК (рис.1, 2) не оказывает влияния на разложение ПАН волокна и, следовательно, не эффективна.

Увеличение выхода КС для ПАНВ модифицированного АРР-3 (с 7- для исходного, до 59 % масс. - для модифицированного ПАНВ), установленного методами ТГА, ДСК, также подтверждают результаты термообработки в муфельной печи со скоростью      10 0С/мин до 700 0С (рис. 3). При этом, для повышения выхода КС в 6 раз достаточно содержание АРР-3 на волокне 5 % масс. Кроме того, в КС сохраняется текстильная структура волокна (рис. 4а), в то время как исходное практически полностью деструктирует (рис. 4 б).

 

Таким образом, проведенные исследования показали, что большее влияние на структурообразование при пиролизе ПАН волокна из рассматриваемых ЗГ, оказывает полифосфат аммония. Этот эффект отмечен как при модификации готового, так и свежесформованного волокон.

 

Литература:

  1. Конкин, А. А. Углеродные и другие жаростойкие волокнистые материалы. – М.: Химия. – 1972.- с. 217-340.
  2. Асеева, Р. М., Заиков, Г. Е. Горение полимерных материалов / Р. М. Асеева, Г. Е. Заиков. – М.: Наука. – 1981. – 280 с.
  3. Кодолов, В.И. Замедлители горения полимерных материалов. – М.: Химия. – 1980. – 274 с.
  4. Акимова, А.А., Щербина, Н.А., Панова Л.Г., Бирюков В.П. Исследование влияния замедлителей горения на свойства ПАН волокна, применяемого в производстве углеродного волокна // Сборник научных трудов II Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы автоматизированного проектирования и автоматизация.- Саратов: СГТУ, 2010 - с.116-120
  5. Ненахов, С.А., Пименова, В.П. Современные научно-практические тенденции в огнезащите. Обзор 3-ей Берлинской конференции // Лакокрасочная промышленность. -1999. -№7
  6. Варшавский, В. Я. Углеродные волокна / В. Я. Варшавский. - 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Варшавский, 2007. – 500 с.
Основные термины (генерируются автоматически): ПАН волокна, модифицированного АРР-3, ПАНВ модифицированного АРР-3, выхода КС, снижения горючести ПАНВ, ПАН волокна АРР-3, АРР-3 ПАН волокна, окисления ПАН волокна, термодеструкции ПАН волокна, разложение ПАН волокна, модифицированного ПАНВ, пиролизе ПАН волокна, свойства ПАН волокна, модифицированного волокна, полифосфат аммония, термодеструкцию ПАН волокон, пиролизе модифицированного ПАНВ, Модификация волокна ПЭТ, процессы циклизации волокна, текстильная структура волокна.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос