研究制造阻燃纳米复合材料涂层保护钢结构的环氧树脂240环氧树脂基热合和粉煤灰的协同作用

文摘

利用工业废弃物如热电厂粉煤灰可以减少环境风险。粉煤灰的特性是有用的,可以促进有机涂料。本文考察了涂料的新战略,防止钢结构火灾而提高力学性能的影响。本研究的目的是要表明,粉煤灰添加剂可以部分代替其他传统添加剂同时具有阻燃效果。研究粉煤灰添加剂的使用的有效性,我们试图把nanoadditives。具体地说,我们研究粉煤灰的协同与多层碳纳米管添加剂来加强涂层系统:环氧树脂环氧树脂240 /聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(/)和三聚氰胺。内容研究了粉煤灰:10 wt. % 0.5, 1, 1.5 wt. %的多层碳纳米管(热合)。结果证明粉煤灰和多层碳纳米管之间的协同效应提高钢结构的耐火增加保护的建筑物。当使用10 wt. %粉煤灰和1 wt. %热合,涂层可以被视为一种阻燃材料与UL 94 v-0耐火极限氧指数的27.2%。

1。介绍

钢铁是世界上广泛使用。然而,钢铁与恶化的外部结构由于攻击的化学物质和环境也受到火灾威胁。之前的研究表明,钢结构能保持强度低于或最高温度为500°C。在更高的温度下分解结构。因此,为了确保钢结构的安全,钢结构的温度必须保持低于500°C在发生火灾事件(1- - - - - -3]。应用有机涂料的方法保护钢结构在土木工程工业是适当和建立。这种涂料可以促进积极的腐蚀防护,电化学和其他正常的气候的影响。粉煤灰、环保添加剂,研究了聚合物的阻燃剂之一。的粉煤灰进行了研究和投入环氧树脂是10,20、30、40、50、60岁和70%按重量与耐火复合材料(4]。研究结果表明,20 wt. %粉煤灰具有良好的力学性能和阻燃性能。研究了粉煤灰作为填料,具有阻燃特性基于环氧树脂的复合材料(5,6]。此外,也有科学家研究了粉煤灰作为添加剂复合材料与绝缘材料的最佳含量40 wt. % (7,8]。另一方面,多壁碳nanoadditive已经被世界各地的许多科学家研究制造阻燃材料。结果表明,只有0.02 wt. %碳管分散在环氧树脂阻燃性能显著提高,力学性能改善(9,10]。派遣Sabbattini研究油漆含有粘土或石膏覆盖影院在意大利是防火的。1820年,作者Fuchs使用nattri硅酸盐在慕尼黑剧院保护木材的木材从火灾的影响11]。公元前200年,罗马人用明矾和醋的混合物(硫酸铝钾大韩航空(₄)₂.12H₂O或硫酸铝铵NH₄艾尔(所以₄)₂.12H₂O)外套和怀孕的木材11]。科学家俄巴底亚书怀用明矾的混合物,铁硫酸盐和硼酸盐减少纺织品的可燃性用于戏剧和公共建设,1935年在英国专利(12]。阻燃涂层是基于1970年膨胀机制研究[13]。其涂层提供了一个厚厚的保护层的火焰在高温下分解形成一层绝缘煤。肿胀的涂层由季戊四醇、三聚氰胺的混合物在塑料衬底温度低,将扩大当煤热分解形成一个隔热层的温度大约280 - 300°C。这个碳层将作为保温层,防止火的热量转移到保护材料衬底(14]。Guo-Qiang等人研究了制造涂料电影基于聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(/)和三聚氰胺聚合物的基础。燃烧时,在温度100 - 250°C,酸化剂的涂料会分解,反应与碳化剂(/)来创建一个煤炭层。这样的温度在280 - 350°C,分解的三聚氰胺涂层释放大量气体,它扩展了煤炭层之间形成一层膨胀的煤炭火热接触受保护的衬底(15]。

Siqi霍等人研究了P-containing耐火阻燃剂及其影响,环氧树脂的热稳定性和机械性能。研究小组指出重要的未来的发展方向卤系阻燃剂(P)的使用。磷(P)阻燃剂是一种物质在过去用于环氧树脂,因为它提供了一个高阻燃效果[16]。的结合传统纳米材料和阻燃剂,通过化学或物理的方法,允许可调机械和阻燃性能,倾向于提高性能。Wentao他等人研究了纳米材料的组合和传统阻燃剂含有磷、氮、硅。,结果表明,组合给了良好的机械性能和抗火(17]。一般来说,nanofillers一直认为是适合使用阻燃添加剂。目前,蒙脱石(MMT)和碳纳米管(CNT)是最广泛使用的填料,因为他们不仅提高阻燃性能,还力学性能(18- - - - - -21]。聚合物纳米材料的热分解和燃烧是一个复杂的物理和化学过程。nano-synthetic聚合物的耐火性是受许多因素的影响。的重要因素之一是分散的nanoadditive树脂矩阵。改进的耐火性的一部分是由于碳纳米管分散在树脂基体。热合形成一个厚的火山灰层表面的材料,防止燃烧的材料接触热量和空气中的氧气22- - - - - -25]。

在这项研究中,我们关注的是热电厂废弃物含有铝和硅作为粉煤灰结合nanoadditive。本研究的目的是探索潜在的粉煤灰作为一种环保添加剂结合多层碳纳米强化传统阻燃系统。

2。材料和方法

2.1。材料

固化剂:LUCKAMIDE聚胺n - 153 - im - 65 (Sigma-Aldrich越南)。热合降价nm直径和长度约3µm日本昭和电工有限公司提供的硼酸(BA)、聚磷酸铵(APP),三聚氰胺从σ购买。240环氧树脂环氧树脂(EP)树脂壳的化学物质(美国)(见表1)。每:季戊四醇(2,以叔(羟甲基)- 1,探索)是由Sigma-Aldrich提供越南(越南)。飞灰收集从Pha赖热电厂(越南)的属性如表所示2。

2.2。方法

2.2.1。样品制备

所有发泡成分都与各自的重量比例混合所表3。技术条件是搅拌速度2000 rpm,搅拌时间是90分钟,90分钟超声振动。一个结构钢板测量100厘米²作为底物。

2.2.2。分析

(1)阻燃剂评价方法极限氧指数(减量)根据JIS K720标准(日本):用于测试样品酒吧150 x 6.5×3毫米³。水平燃烧试验(ul - 94 hb):标准栏标本是125±5毫米长,13.0±0.5毫米宽,和提供的最小厚度和3.0(−0.0 + 0.2)毫米厚(ASTM D635-12)。垂直燃烧测试:UL 94 V,标准栏样本125±5毫米长x提供13.0±0.5毫米宽,最小和最大厚度。最大的厚度不超过13毫米(ASTM D635-12)。

(2)确定涂层的力学性能的方法耐冲击:决定根据astm - 2794 - 304埃氏工具模型。相对硬度:决定根据iso - 1522在299年埃氏工具模型。扩张压力:决定根据ISO 1520 - 1973 (E)于200年埃氏设备模型。抗划伤:测量根据ISO 1518埃氏模型239 /我的工具。测定漆膜的附着力(TCVN 2097 - 1993)。抗弯强度的测定漆膜(TCVN 2099 - 1993)。测定漆膜的硬度(ASTMD3363 - 2011)。94 UL阻燃和氧限制测试高分子材料研究中心进行的,越南河内科技大学。样品的形态是由扫描电子显微镜(SEM、S4800、日本)。

3所示。结果与讨论

3.1。机械性能

3.1.1。评估的结果涂层附着力

测量成为2202/1°C的附着力漆膜附着力工具包(中国)在不同浓度样品给了以下结果(见图1)。

所有样品测试后附着力(每个样品测试3次),发现有小电影剥落的交集点,和剥落区域占据了不超过5%的表面积各自的网络以2分的评价标准。从那时起,它表明涂层的附着力不是最佳的水平,但遇到了附着力要求。

3.1.2。评估的结果,涂层的硬度

进行硬度测试(从铅笔硬度6 b 6 h)为样品在不同浓度图所示2。

测试结果评估如下:当涂层的表面硬度比铅笔,钢笔将幻灯片长表面不会造成伤害。当涂层表面硬度相当于一个铅笔,涂层表面会稍微挠。当涂层表面硬度小于铅笔硬度、涂层表面将严重受损,这取决于铅笔硬度。

从图2,它显示了所有三个样本(每个样品测试3次)严重受损当6 h的铅笔硬度沿表面和略挠5 h表面硬度下降;因此,涂层的表面硬度相当于5 h铅笔的硬度。

根据硬度标度,所有三个样品有相应硬度5 h铅笔的硬度,表明膜样品涂上环氧基体的粉煤灰和多层碳纳米管刚度高。

3.1.3。评价涂层的挠曲强度的结果

电影的挠曲强度表示为最小的直径圆柱形轴,该涂层没有变形。的直径变形第一批记录,并重复测试新表相同大小的三倍,平均结果作为最终结果。图3显示了圆柱轴的挠曲强度结果与直径2,3,4,5,6、8、10、12、13日,16日,19、20、25、32毫米包括在铰链。这些样本进行了使用相同的方法与测试样本在不同的卷。从图3组涂层弯曲测试铰链,在圆柱轴的最小直径2毫米,这三个测试块不失真,显示三个各自的抗弯强度测试件的最小轴直径2毫米,会议良好的抗弯强度要求epoxy-based电影粉煤灰和多层碳纳米管的存在。

3.2。阻燃性能的涂层

3.2.1之上。根据测试方法UL 94 HB和定律

从图4,结果碳管的分散到环氧粘结剂具有明显的改善了涂层的耐火性。当可燃材料碳管形成统一和密封煤涂料表面的材料,降低氧的扩散,从而防止火灾的发展。一层煤的形成(灰)均匀表面的材料防止火灾的渗透,并帮助扑灭燃烧的过程。这证明显著提高材料的耐火性。由于性能的阻燃机理,材料的阻燃性能已得到改进。两个样品的阻燃涂料F2、F3是火通过水平实现HB水平评价方法根据UL 94标准;两个样品之前25毫米马克之后停止燃烧(参见图30年代点火时间5)。对于F2示例,点火后的涂层不点燃而形成一层煤和显示了良好的耐火性和条件评估根据垂直防火标准。碳管分散成环氧树脂的过程的结果明显改善了纳米复合材料的防火涂层的影响。barrier-like防护层由纳米颗粒,天生耐热,减缓热氧扩散和防止易燃挥发物中的材料,限制材料的传热从而减少燃烧的保留时间。但如果热合内容超过阈值(质量分数1.5%)导致的减少与环氧树脂的兼容性和纳米颗粒的积累,多余的纳米粒子创造黑洞的主要材料。这个因素是负责机械强度的减少1%相比nano-mass样本。因此,1%的碳管环氧树脂纳米复合材料涂层是最合适的内容,确保高火迟钝。

根据UL 94 V方法,测试涂料的阻燃性电影由UL94 V进一步评估方法;这项研究的结果发表在表4。

表4表明,纳米复合涂料的阻燃添加剂包括纳米——和基本成分有良好的耐火性。总燃烧时间(t1 + t2)的三个样本(F1, F2, F3)达到签证官的水平(t1和t2≤50年代)。显然,热合发挥了非常重要的作用在提高涂料的耐火性和最佳的碳管数量是1 wt. %。

两个样本之间的可燃性测试结果F2, F3和钢铁两个样品表面剥落涂层后火(图6),它显示了示例介绍了粉煤灰的耐火添加剂和多壁nanocarbon管达到很高的效率。样本F3,样例烧伤后,无烟煤层形成的粉煤灰和多壁nanocarbon管增加耐热性。F2样本,样本不燃烧点火之后创建一个层煤的膨胀由于阻燃添加剂的混合物的存在(应用程序、每三聚氰胺)和一层煤形成的多层nanocarbon管F2模型有一个优越的能力来防止燃烧相比,F3。

在图7燃烧后,涂层表面有气泡层煤;这一层的煤是检查扫描电子显微镜(SEM)下;图7 (b)表明,煤层肿胀。它有各种各样的小孔隙结构如泡沫coal-coating涂层的结构,从而解释每使煤的失水反应机理和气体机制的三聚氰胺化合物在一个温度范围。此外,煤炭肿胀层有一个小的孔隙结构,创建一个高防护材料的绝缘效果,粉煤灰添加剂之间的相互作用和多层nanocarbon管道不仅提高涂层的机械性能也有能力阻碍金属表面上的涂膜。

3.3。机械性能的纳米复合材料涂层

纳米复合材料涂层的机械性能不同的碳管为:0.5%,1%,1.5%,呈现在图8。从图8,发现环氧碳管含量增加,和机械强度增加。然而,当增加多达1.5%的热合,机械强度不高的增加相比,当添加1%的碳管的材料。样品含有1%的重量热合相对更耐冲击,抗拉强度,耐擦伤性和持久性模型与0.5%按重量和重量1.5%的热合。研究的原因,提高材料的机械强度,SEM(图9断裂表面)进行,显示不同的断裂表面有不同的碳管(0.5、1和1.5 wt. %)。

SEM图像(图9)显示相当均匀分散的样本添加1%热合质量,和集聚树脂发生在碳管的分散在热合质量大于1.5%。纳米复合材料的断裂表面涂层显示抗碳纳米管的脆性。这表明强附着力热合和环氧树脂之间发生E240年,和良好的兼容阻燃添加剂(聚磷酸铵(APP)、季戊四醇(每),和三聚氰胺)。热合发挥重要作用的极限断裂(图发展9),需要更多的作用力。

粗糙断裂面可能显示扩大裂缝由于裂缝被聚合物网络和热合随着作用力的增加。使裂纹发展轨迹的改变。因此,涂料的机械强度显著提高。另一方面,由于nanoadditive系统中的色散和良好的相容性,提高耐火性,因为保护层的热量将制服和广泛分布的影响。这是非常符合测量的结果上面的力学性能和阻燃性能。

图10,在地幔断裂表面上不同的点,表明添加剂均匀地分散并且显示非常清晰的润湿和环氧涂料粘结。证据表明,材料破碎后,粉煤灰颗粒保持在断裂表面和环氧围绕粮食(无缺口在谷物)。在天然气、热合也均匀分布和蠕变到阻燃添加剂的面积;没有形成和聚集的现象,显示良好的兼容性组合MWCNTs-flame retardants-epoxy。

3.4。红外光谱分析

煤炭残留分析使用光谱工具来理解之间的交互机制如应用,三聚氰胺,硼酸,环氧树脂和固化剂。红外光谱谱方程F1, F2, F3, F0如图11。

从红外光谱的结果图11的光谱区域,我们可以看到以下组:胺(NH)₂)、硼酸盐、磷酸盐、三聚氰胺。氨基基团的存在是由于分解的应用和聚酰胺固化剂。

4所示。结论

这项研究的结果表明,三聚氰胺和硼酸酸,热合,粉煤灰有助于提高绝缘材料的属性,但每一种都有其自己的方式。基于melamine-containing配方的结果,我们推断出三聚氰胺作为发泡剂,帮助煤炭扩张。这项工作的结果表明,三聚氰胺的反应产品的退化,而硼酸仍在木炭和保护从火衬底。当硼酸的重量比例已经增加了三聚氰胺配方,防火性能得到了改进。SEM结果表明,煤炭过剩就变得多孔的结构重量百分比热合增加了;最好的结果是1 wt。%热合。热合创建了一个保护屏障像一层绝缘煤。因此,热流降低了底物,这降低了后表面温度。红外光谱显示石墨的存在、磷酸和B₂O₃在剩余煤炭。这些化合物是有用的在降低的温度后板由于其较高的热稳定性。结果表明,添加粉煤灰的涂层材料与其他添加剂对火灾有协同效应。这是一个工业废料。粉煤灰的特性非常有用,可以为有机涂料行业作出贡献。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者希望感谢化学技术的教员,河内工业大学越南为资助这项工作。

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