HOŘLAVOST A MECHANICKÉ VLASNOTSTI NANOKOMPOZITŮ EVA/Mg(OH) 2

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "HOŘLAVOST A MECHANICKÉ VLASNOTSTI NANOKOMPOZITŮ EVA/Mg(OH) 2"

Zuzana Veselá
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 HOŘLAVOST A MECHANICKÉ VLASNOTSTI NANOKOMPOZITŮ EVA/Mg(OH) 2 Sadílek Jiří, 5. ročník Vedoucí práce: prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Chemie, technologie a vlastnosti materiálů, Purkyňova 118, Brno, xcsadilek@fch.vutbr.cz ÚVOD Práce se zabývá studiem vlivu velikosti částic hydroxidu hořečnatého (MH) na tepelnou stabilitu a mechanické vlastnosti poly(ethylen-co-vinyl acetátu), EVAc. Hlavní použití EVAc je v oblasti kabelové a elektroizolační techniky. Plniva na bázi hydroxidu hořečnatého představují způsob, jak snížit hořlavost a zároveň modifikovat mechanické vlastnosti EVAc kopolymeru. CÍL PRÁCE příprava nanočástic Mg(OH) 2 příprava kompozitů stanovení tepelné stability, hořlavosti a mechanických vlastností interpretace dat TEORETICKÁ ČÁST Proces hoření je souborem fyzikálních a chemických procesů, které působí ve třech rozdílných fázích: plynná (plamen), mezifáze a kondenzovaná (pevná) fáze. Mezifáze je fázovým rozhraním mezi plynnou a kondenzovanou fází. Plynnou fázi tvoří plynné produkty degradace polymeru spolu se vzduchem [2]. Kondenzovanou fází je degradující polymer, případně polymerní kompozit. Vedením tepla z plamene dochází k roztavení pevné fáze, degradaci kondenzované fáze a k vytvoření hořlavých plynných produktů. Tepelná degradace EVAc probíhá ve dvou krocích. První krok ( C) zahrnuje odštěpení kyseliny octové a vznik ethylenové struktury na původním řetězci kopolymeru. V rozmezí teplot C nastává rozklad polyethylenového zbytku. Retardéry hoření lze rozdělit podle mechanismu, kterým působí, na fyzikální inhibitory a chemické inhibitory. Mg(OH) 2 patří mezi fyzikální inhibitory hoření. Fyzikální inhibice v plynné fázi je založena na působení inertních plynů (H 2 O), které zřeďují hořlavé plyny a snižují jejich koncentraci v zóně hoření. Uvolnění H 2 O je spojeno s výrazným endotermickým účinkem, který je schopen pohlcovat teplo vznikající v procesu hoření. Hydroxid hořečnatý se rozkládá na oxid hořečnatý a vodu. Endotermický rozklad (1450 J/g) začíná při teplotě 300 C a probíhá podle uvedené rovnice: Mg(OH) 2 MgO + H 2O (1) Na základě publikovaných výsledků [4] lze usuzovat, že v kompozitech s nanoplnivy dochází k výrazné imobilizaci polymerních řetězců v důsledku velkého specifického povrchu plniva. Tato imobilizace má přímý dopad na mechanické vlastnosti nanokompozitů. V případě tepelné stability a hořlavosti se ovšem mohou imobilizačním efektům konkurovat katalytické účinky velkého povrchu nanoplniva. Sekce STČ 2006, strana 59

cz ÚVOD Práce se zabývá studiem vlivu velikosti částic hydroxidu hořečnatého (MH) na tepelnou stabilitu a mechanické vlastnosti poly(ethylen-co-vinyl acetátu), EVAc.

2 PRAKTICKÁ ČÁST Hydroxid hořečnatý byl připraven precipitací síranu hořečnatého a vodného roztoku amoniaku: MgSO NH 4 OH Mg(OH) 2 + ( NH 4 ) 2 SO 4 (2) Kompozitní vzorky byly připraveny míšením kopolymeru EVAc a plniva v roztoku cykolhexanu. Byly připraveny vzorky s obsahem nanometrického MH připraveného laboratorně a s obsahem komerčního mikrometrického hydroxidu hořečnatého - FR 20 (DEAD SEA PERICLASE Ltd., Israel). Obsah plniva v kompozitu byl 13obj.% (26hmot.%). Snímky plniv z transmisního elektronového mikroskopu jsou uvedeny v obr. 1. Snímky lomových ploch kompozitů připravených v tekutém dusíku jsou na obr. 2. Obr. 1: TEM použitých MH plniv, nano-mh (vlevo) a mikro-mh FR-20 (vpravo). Použitá plniva byla charakterizována pomocí následujících metod: (1) BET, (2) rozptyl světla, (3) transmisní elektronová mikroskopie (TEM), (4) pyknometrické stanovení hustoty, (5) rentgenová difrakce, (5) termogravimetrická analýza (TGA). Základní charakteristiky použitých plniv jsou v tab. 1. Tabulka 1: Charakterizace všech použitých plniv. Metody stanovení Nanoplnivo FR 20 TEM (nm) Spec. povrch (m2/g) změřený Spec. povrch (m2/g) počítaný Teplota rozkladu ( C) Sekce STČ 2006, strana 60

Byly připraveny vzorky s obsahem nanometrického MH připraveného laboratorně a s obsahem komerčního mikrometrického hydroxidu hořečnatého - FR 20 (DEAD SEA PERICLASE Ltd., Israel).

Pro charakterizaci vlastností kopozitních vzorků byly použity následující metody: (1) termogravimetrická analýza, (2) stanovení kyslíkového čísla, (3) dynamicko-mechanická analýza, (4) tahové testy.

3 Pro charakterizaci vlastností kopozitních vzorků byly použity následující metody: (1) termogravimetrická analýza, (2) stanovení kyslíkového čísla, (3) dynamicko-mechanická analýza, (4) tahové testy. Obr. 2: SEM snímky lomových ploch kompozitů s nano-mh (vpravo) a s mikro-mh FR-20 (vlevo). VÝSLEDKY A DISKUSE Z průběhu křivek izotermální degradace při 430 C, obr. 3 vlevo, je zřejmé, že vzorky EVAc plněné nanometrickým hydroxidem hořečnatým vykazovaly rychlejší pokles hmotnosti v porovnání se vzorky EVAc plněné mikrometrickým MH. Limitní kyslíkové číslo, kyslíkový index je stanovení relativní hořlavosti plastů podle ČSN EN ISO LOI je test zpětného hoření tenkých vzorků polymerních proužků v proudu plynu a vyjadřuje nejnižší koncentraci kyslíku ve směsi s dusíkem (v %), která ještě stačí na to, aby materiál při podmínkách zkoušky hořel. Nízká hodnota LOI znamená, že materiál hoří i při malém podílu kyslíku ve směsi. Obr. 3: TGA skeny čisté matrice a obou kompozitů při konstantní teplotě 430 C a LOI test. Uvedené výsledky naznačují, že velký specifický povrch nanometrického MH vede k výraznému katalytickému působení a snížení retardační schopnosti MH. Sekce STČ 2006, strana 61

3 vlevo, je zřejmé, že vzorky EVAc plněné nanometrickým hydroxidem hořečnatým vykazovaly rychlejší pokles hmotnosti v porovnání se vzorky EVAc plněné mikrometrickým MH.

4 Výsledky tahových zkoušek jsou uvedeny na obr. 4. Z výsledků je patrné, že došlo k výraznému zvýšení modulu pružnosti (směrnice tahové křivky při hodnotě deformace 0,15 %) u nanokompozitního vzorku ve srovnání s čistou matricí a EVAc plněného mikrometrickým MH. Na druhé straně, nedošlo k výrazné změně houževnatosti EVAc kopolymeru s přídavkem MH plniv. Obr. 4: Mechanická tahová zkouška. ZÁVĚR Na základě termogravimetrické analýzy a stanovení limitního kyslíkového čísla bylo zjištěno, že v případě velký specifický povrch nanometrického hydroxidu hořečnatého může působit katalyticky na procesy termooxidační degradace. Tento jev je schopen efektivně snižovat endotermický efekt hydroxidu hořečnatého daný rozkladem na vodu a MgO. Z mechanických zkoušek vyplynulo, že použití nanometrického MH jako plniva vede k výraznému zvýšení modulu pružnosti ve srovnání s mikrometrickým hydroxidem hořečnatým. Tento jev je pravděpodobně dán výraznou imobilizací polymerních řetězců v přítomnosti velkého specifického povrchu plniva. LITERATURA [1] Rychlý, J., Veselý, K., Gál, E., Kummer, M., Jančář, J., Rychlá, L.: Use of Thermal Methods in the Chracterization of the High-Temperature decomposition and Ignition of Polyolefins and EVA Copolymers Filled with Mg(OH) 2, Al(OH) 3 and CaCO 3. Polymer Degradation and Stability, 1990, 30, [2] Troitzsch, J.: Plastics Flammability Handbook: Principles, Regulations, Testing, and Approval. 3. vydání. Mnichov: Hanser, s. ISBN: [3] Halikia, I., Neou-Syngouna, P., Kolitsa, D.: Isothermal kinetic analysis of the thermal decomposition of magnesium hydroxide using thermogravimetric data determination of polymerization shrinkage kinetice in visible-light-cured materials: methods developement. Thermochimica Acta, 1998, 320, Sekce STČ 2006, strana 62

mikrometrickým MH. Na druhé straně, nedošlo k výrazné změně houževnatosti EVAc kopolymeru s přídavkem MH plniv. Obr. 4: Mechanická tahová zkouška.

5 [4] Kalfus, J.: Viscoelastic properties of polyvinylacetate-hydroxyapatite nanocomposites. Brno : Vysoké učení technické, s. Sekce STČ 2006, strana 63

Podobné dokumenty

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE PLASTY VZTAH MEZI STRUKTUROU A VLASTNOSTMI Obsah Definice Rozdělení plastů Vztah mezi strukturou a vlastnostmi chemické složení a tvar molekulárních jednotek