Процесс получения вспучивающегося антипирена для пропитки текстильных материалов

УДК 6.20.22:547.775

Р. Н. Сабирзянова, И. В. Красина

ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ВСПУЧИВАЮЩЕГОСЯ АНТИПИРЕНА ДЛЯ ПРОПИТКИ Т ЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ключевые слова: вспучивающий антипирен, пентаэритрит, карбамид, полиаммоний фосфат, коксовый слой, огнестойкость.

В данной работе описывается подробный процесс синтезирования вспучивающегося антипирена. Представляется информация взаимодействия составляющих компонентов.

Keywords: intumescent flame retardant, pentaerythritol, urea, polyamory phosphate, coke layer, the resistance.

This paper describes a detailed process of synthesizing the intumescent flame retardant. It is the interaction of the components of information.

В современной концепции огнезащиты широко используются так называемые интумесцентные покрытия. Композиции, образующие эти покрытия, по природе многообразны и включают ингредиенты с температурами разложения, избираемыми согласно назначению применяемого огнезащитного покрытия. Это может быть дерево, металл, кабели с различной оплеткой, текстильный материал [1]. Невзирая на то, что огнезащитные вспучивающиеся материалы используются четвертый десяток лет и в технологии их изготовления и применения существуют стойкие традиции, еще остается ряд важных вопросов, на которые предстоит найти ответы.

Химический состав огнезащитного вспучивающегося покрытия сам по себе во многом определяет направление его термолиза в условиях пожара и высоких температур. Установление роли различных групп реагентов, входящих в состав огнезащитного интумесцентного покрытия в механизме синтеза пенококса, позволяет до определенной степени прогнозировать свойства новых композиций и направленно их формировать. При составлении рецептуры компоненты подбираются с определенными температурами плавления и деструкции с таким расчетом, чтобы они реагировали в заданной последовательности, реализуя условия для целенаправленных превращений ингредиентов покрытий при воздействии пламени. Рецептурные принципы при создании огнезащитных вспенивающихся композиций заключаются в суперпозиции «обязательных» ингредиентов [2]. В научной и технической литературе широко обсуждается такая группа ингредиентов, как композиционные системы. Традиционными вспенивающимися системами антипиренов являются полифосфат аммония, пентаэритрит и меламин в соотношений 2:1:1. Однако, этот состав антипирена не дает желаемого результата на текстильных материалах.

После ряда проведенных исследований нашими компонентами синтеза вспучивающего анти-пирена стали: диаммоний фосфат, пентаэритрит и мочевина.

Диаммоний фосфат - это бесцветное кристаллическое вещество. Наиболее широко он применяется в качестве пламязамедляющей добавки, т. е. является эффективным антипиреном и применяется при производстве огнезащитных красок, лаков, пропиток. По сравнению с полифосфат аммония диам-

моний фосфат обладает более активными неорганическими веществами. Введение дифосфат аммония в систему не только снижает горючесть, но и повышает адгезию, противокоррозионную стойкость и другие полезные свойства. Дифосфат аммония единственный компонент, который предотвращает тление.

Пентаэритрит - бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 268-269 °С Он в интумесцентных системах является источником углерода, тогда как содержит гидроксильные группы, что определяет скорость дегидратации, а значит и скорость образования пены. Пока пентаэритрит -ничем не заменимый ингредиент интумесцентных материалов.

Мочевина - карбамид, белые кристаллы растворимые в полярных растворителях. Во вспучивающихся композитах, мочевина используется в качестве газообразователя [3].

Растворителем для вспучивающих компонентов выбрали вододисперсионную систему, так как он практически не уступает органорастворимым композициям по механическим и адгезионным показателях, является экологический чистым, лёгким в применении и удалении с химической посуды.

На аналитических весах с точностью 0,001 г взвешиваем пентаэритрит и диаммоний фосфат, карбамид в соотношении по массе 1:2:4. В термо-статируемый стеклянный стакан объемом 500 мл помещаем взвешенные компоненты антипирена и мешаем стеклянной палочкой до однородной массы. Дальнейший синтез вспучивающего антипирена продолжается на электрической плите при температуре 300±30°С при периодическом помешивании в течение 4 ч.

Ниже представлена схема реакции вспучивающегося антипирена:

В результате реакции образуется полифосфат пентаэритрита (аммонийная соль).

На первой стадии процесса при достижении температуры до 1000С в синтезируемом растворе, реакция проходит с образованием эфира с выделением аммиака и воды. Максимальная скорость выделения их достигается при температуре 230-2400 С. Выход из массы летучих продуктов (аммиак и паров воды) свидетельствует об образовании свободных гидроксильных групп, которые конденсируют, дегидратируются образуя сшитые фосфаты [4].

OC(NH2)2

C(CH2OH)4 + (NH4)2HPO4 карбамид

220-250°

пентаэритрит полифосфат

С

аммония

^nh4

окн4о о ен2ои \И I

Р-0-СН2-С-0- р

/ I и\

01МН40 СН20Н О окн4

С увеличением в композиции пентаэритрита растет твердость образующегося при термолизе покрытия пенококса, по всей видимости, за счет образования дополнительных сшивок при отверждении смолы. Пентаэритрит является источником углерода, так как содержит гидроксильные группы, что определяет скорость дегидратации, а значит и скорость образования пены.

Вторая стадия синтеза начинается при температуре 2600С. Здесь дополнительно к газообразным продуктам формируются циклические структуры. Выделением аммиака и воды, происходит процесс сшивания «тяжелых» продуктов разложения. Фосфорная кислота реагирует с пентаэритритом в реакции этерификации. Карбамид в свою очередь разлагается на диоксид углерода.

На третьей стадии скорость выделения газов становится очень низкой. При дальнейшем нагревании полифосфат аммония начинает присоединять карбамид на освободившиеся вакансии аммиака и оказывает структурирующее действие. На этой стадии пентаэритрит образует альдегиды: формальдегид, ацетальдегид [5]. Высокая температура синтеза должна располагать к образованию формацетальде-гидных смол сложного состава. Строение полимеров зависят от количества образовавшихся из пента-эритрита альдегидов. Они вспенивают расплавленный полимер, «укрепляют» его дополнительными

сшивками в объеме. При температуре 300°С карбамид начинает выделять летучие продукты. На этой стадии синтеза антипирен перестает вспениваться.

На конечном этапе синтеза образуется полифосфат пентаэритрита.

В ходе высокотемпературного взаимодействия образуется жидкий продукт, который содержит производные термического разложения, который является хорошим замедлителем горения, благодаря низкой летучести.

Остывая, раствор при комнатной температуре застывает. Синтез заканчивается добавлением горячей дистиллированной воды, 1/2 от массы синтезированного антипирена.

Литература

1. Ненахов, С. А. Влияние наполнителей на структуру пенококса на основе полифосфата аммония/ С.А. Ненахов,

B.П. Пименова, Л.И. Натейкина// Пожаровзрывобезо-пасность.-2009.-Т.18, №8.-С.51-58.

2. Сабирзянова Р.Н. Исследование влияния составляющих компонентов вспучивающего антипирена на огнестойкие свойства антипиренов / Р.Н. Сабирзянова, И.В. Красина // Вестник Казанского технического университета.-т.18.- №2.-2015.- С. 283-287

3. Крашенинникова М.В. тенденции и перспективы в разработке композиции вспучивающихся огнезащитных покрытий / М.В. Крашенинникова // Огнезащитные по-крытия.-№2.-2014.-С.33-34

4. Афанасьев С.В. Антипирены на основе фосфорсодержащих соединений и аминоальдегидных смол / С. В. Афанасьев, В.М. Балакин //Известия Самарского научного центра Российской академии наук.- т. 16.-№1 (6).-2014.-С.1682-1684

5. Сабирзянова Р.Н. Исследование влияния вспучивающих антипиренов на повышение огнестойкости текстильных материалов / Р.Н. Сабирзянова, И.В. Красина // Вестник Казанского технического университета.-т.17.-№3.-2014.-

C.53-54

© Р. Н. Сабирзянова - асп. каф. технологии химических натуральных волокон и изделий КНИТУ, ramfar@mail.ru; И. В. Красина - д.т.н., проф., зав. каф. технологии химических натуральных волокон и изделий КНИТУ, irina_krasina@mail.ru.

© R. N. Sabirzyanova - graduate student, Kazan national research technological University, Department of chemical Technology of natural fibers and products, ramfar@mail.ru; 1 V. Krasina - doctor of technical Sciences, Professor, Kazan national research technological University, Department of chemical Technology of natural fibers and products, irina_krasina@mail.ru.