На правах рукописи
Бурмистров Игорь Николаевич
РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ПОЛИМЕРНЫХ ЗАЛИВОЧНЫХ ГИДРОГЕЛЕЙ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОГНЕСТОЙКИХ СВЕТОПРОЗРАЧНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Специальность 05.17.06 –
Технология и переработка полимеров и композитов
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Саратов 2006
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»
Научный руководитель:
доктор химических наук, профессор
Панова Лидия Григорьевна
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Гунькин Иван Фёдорович
доктор химических наук, профессор
Шантроха Александр Викторович
Ведущая организация:
ФГУП Государственный научно-исследовательский институт общей химической технологии (Шиханы, Саратовской области)
Защита состоится «__» ________ 2006 года в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.09 при Саратовском государственном техническом университете по адресу: 413100 г. Энгельс, Саратовской области, пл. Свободы, 17, Энгельсский технологический институт (филиала) Саратовского государственного технического университета, ауд. 237.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.
Автореферат разослан «___» сентября 2006 года.
Учёный секретарь
диссертационного совета В.В. Ефанова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В последнее время происходит устойчивый рост потребления стекла в строительстве. Несмотря на высокую эстетическую привлекательность, остекленные строительные конструкции с использованием стандартных листовых стекол имеют недостатки с точки зрения безопасности. В зданиях с повышенной пожарной опасностью, зданиях, где возможно скопление большого количества людей (торговые комплексы, учебные заведения, больницы и др.), и высотных зданиях необходимо использовать специальное огнезащитное остекление оконных проёмов, внутренних светопрозрачных перегородок и дверей.
Научно-исследовательские работы в области огнестойкого остекления в России практически не ведутся. Крупными зарубежными компаниями (Главербель, Шотт, АСАХИ) разработаны и продвигаются на западном, а в последние годы и на отечественном рынке высокоэффективные огнестойкие остеклённые конструкции на основе тугоплавкого боросиликатного стекла или огнестойких минеральных гелей. Однако такие конструкции имеют очень высокую стоимость и сложны в эксплуатации. Поэтому разработка эффективных и недорогих гелевых прослоек, позволяющих придать многослойному стеклу на основе обычного силикатного стекла высокую огнестойкость, является актуальной.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка составов огнестойкого заливочного гидрогеля для противопожарных остеклённых конструкций, применяемых в строительстве.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
· Выбор компонентов гидрогелей и оптимального их соотношения, исследование свойств;
· Определение технологических параметров приготовления геля и исследование процессов, происходящих в геле в процессе его приготовления;
· Определение параметров и механизма полимеризации компонентов гидрогеля;
· Исследование свойств многослойного стекла на основе разработанного гидрогеля;
· Разработка технологии получения полимерных составов и триплексов на их основе.
Научная новизна работы состоит в том, что:
· Доказан химизм взаимодействия компонентов гидрогеля в процессе его приготовления;
· Оценено влияние состава и параметров синтеза гидрогеля на реакции, протекающие между исходными компонентами;
· Установлены процессы, протекающие при термодеструкции исходных компонентов и геля;
· Проанализирована взаимосвязь между составом заливочного гидрогеля, параметрами полимеризации, конструкцией многослойного стекла и его огнезащитным действием.
Практическая значимость.
· Разработаны составы гидрогелей, которые могут использоваться в стеклоблоках для внутренних противопожарных перегородок и дверей.
· Установлены технологические параметры приготовления гидрогеля.
· Определен класс огнезащиты стеклоблоков, изготовленных с прослойками из разработанного гидрогеля.
· Оценено влияние конструкции многослойных стекол с гелевыми прослойками на класс его огнезащиты.
· Предложена технологическая схема производства многослойного стекла с применением разработанных гидрогелей.
На защиту выносятся:
· результаты комплексного исследования компонентов гидрогелей, механизмов их взаимодействия и выбор оптимального соотношения;
· параметры синтеза и их влияние на свойства гидрогелей, химические превращения исходных компонентов, происходящие в процессе приготовления гидрогелей;
· параметры термодеструкции гидрогелей, влияние состава гелей на характер термодеструкции;
· результаты комплексных исследований свойств разработанных гидрогелей и свойств многослойных конструкций на их основе.
Методы исследований. В работе использовалась методы термогравиметрического анализа, инфракрасной спектроскопии, методы определения скорости распространения пламени, огневой трубы и другие методы химического анализа и исследований строительных светопрозрачных конструкций.
Достоверность и обоснованность достигается использованием комплекса независимых взаимодополняющих методов исследования.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на двух международных конференциях: «Композит-2004» (Саратов, 2004 г.), «Композиты-XXI века» (Саратов, 2005 г.) и на III Всероссийской научной конференции (с международным участием) «Физико-химия процессов переработки полимеров» (Иваново, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы пять печатных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, методической части, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложения. Общий объём диссертации 115 страниц, не включая приложения. При создании работы было использовано 113 литературных источников. Диссертация содержит 51 рисунок и 13 таблиц.
Автор выражает благодарность генеральному директору ЗАО «Ламинированное стекло» В.Н. Олифиренко и техническому директору А.И. Палагину за помощь в проведении испытаний противопожарных свойств разработанных составов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение содержит обоснование актуальности темы, целей и задач исследования, раскрывает научную новизну и практическую значимость работы.
Первая глава содержит анализ литературы, в котором изложены закономерности процессов горения полимеров и пути направленного снижения их горючести. Показана возможность оценки поведения полимеров в условиях пиролиза и горения методом термогравиметрического анализа и взаимосвязь показателей пиролиза с процессами при горении полимеров. Приведён обзор существующих методов создания пожаробезопасных светопрозрачных конструкций. Показано, что рынок специальных, в том числе огнестойких остекленных конструкций в настоящее время активно формируется, однако решение комплексной проблемы разработки заливочных составов, остеклённых конструкций и технологий их изготовления является достаточно сложной и актуальной проблемой.
Во второй главе представлены характеристики используемых материалов, методы исследования и методики испытаний.
В работе использовались:
· Компоненты, обеспечивающие создание устойчивой светопрозрачной матрицы геля: акремос-401 - водный раствор сополимеров акриловых и виниловых полимеров (ТУ 2241-161-05757593-98); акриловая кислота (марка «П» ТУ 2431-001-52470063-2002); полиакриламид; поливиниловый спирт (ПВС 20/1) (ГОСТ 10779-78);
· Компоненты, придающие гелю огнестойкость: жидкое стекло натриевое – водный раствор силиката натрия (ГОСТ 13078-81); карбамид (ГОСТ 6691-77); фосдиол-А – сложный гидроксилсодержащий олигомерный эфир (ТУ 6-02-1329-86); фосполиол-П – смесь оксипропилированных эфиров пентаэритрина и метилфосфоновой кислоты (ТУ 2226-115-00210045-2000); фостетрол-1 оксиэтилированный тетраалкилфосфонат пентаэритрина (ТУ 6-02-1022-80); фосфорная кислота (ГОСТ 6552-58).
В третьей главе представлены экспериментальные результаты создания полимерных гидрогелей для светопрозрачных пожаробезопасных многослойных конструкций.
Для придания гелю всех требуемых свойств в его состав были введены компоненты, каждый из которых обеспечивал реализацию отдельного параметра. Была решена задача совмещения этих компонентов с образованием стабильного, прозрачного огнестойкого геля.
Разработаны составы на основе: полиакриламида и фосфорсодержащих полиспиртов; поливинилового спирта (ПВС) и фосфорной кислоты; загустителя «Акремос» и силикатов щелочных металлов; полиакриловой и фосфорной кислот (ФК).
Гели на основе ПАА и фосфорсодержащих полиспиртов (фосдиола, фостетрола и фосполиола) представляют собой высоковязкие жидкости. Существенным препятствием для их применения является трудоёмкость заливки, вследствие высокой вязкости при комнатной температуре, и значительное снижение вязкости при повышении температуры в условиях пожара. Составы на основе ПАА и фосфорсодержащих полиспиртов исследовались вискозиметрически, методами ИКС, неизотермического ТГА и в изотермических условиях при высоких температурах в муфельной печи.
Гели обладают коксообразующей способностью. Выход коксового остатка достаточно высок и составляет при длительном нагреве не менее 23%. Однако составы на основе фосфорсодержащих олигоспиртов и ПАА не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к гелям, они нестабильны во времени, вследствие гидролиза ПАА, образующего полимерную матрицу геля.