Synthesis, characterization, thermal and fire retardant properties of new homo- and block copolymers of polyacrylate and epoxy resin with cyclotriphosphazene core

• Autorzy: Shaban Alaa , Al-Shukri Salah Mahdi , Kahlaf Hussein Ismail , Al Hanbali Othman A.

Identyfikatory

DOI

10.14314/polimery.2019.9.2

Warianty tytułu

PL

Synteza, charakterystyka, właściwości termiczne i ognioodporne nowych homo­kopolimerów i kopolimerów blokowych poliakrylanu i żywicy epoksydowej z rdzeniem cyklotrifosfazenowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

New homo- and block copolymers composed of polyacrylate and epoxy resin with hexafunctional cyclotriphosphazene core were synthesized and characterized by FT-IR and 1H-, 13C-, and 31P- NMR. The first homopolymer, PN-polyacry was prepared from the direct condensation of 2-hydroxyethyl­acrylate with acyl chloride of hexakis(4-carboxyphenoxy)cyclotriphosphazene, PN-acyl. The second homopolymer, PN-Ep, was prepared in a direct reaction of catalyzed carboxyl groups of hexakis(4-carboxyphenoxy)cyclotriphosphazene PN-COOH with epoxy resin via an oxirane ring opening re­action. The block copolymer, PN-Ep/polyacry, was prepared from the partial coupling of 2-hydroxyethyl acrylate with the PN-acyl, followed by the reaction of unreacted carboxyl groups with epoxy resin. Differential scanning calorimetry (DSC) analysis of the PN-Ep/polyacry copolymer exhibited good compatibility between polyacrylate and cured epoxy resin. Thermal gravimetric analysis (TGA) revealed that the prepared polymeric systems accumulate 30–38 wt % char at elevated temperatures, compared to neat polyacrylate and cured epoxy resin, which accumulate negligible char at 700 °C. The limiting oxygen index (LOI) exhibited significant enhancement of fire retardant properties of the prepared polymeric systems. A scanning electron microscopy (SEM) morphology study revealed that PN-polyacry and ­PN-Ep/polyacrylate produced intumescent char residues while PN-Ep produced solid dense char with a nonporous surface.

PL

Zsyntetyzowano nowe homopolimery i kopolimery blokowe złożone z poliakrylanu i żywicy epoksydowej z sześciofunkcyjnym rdzeniem cyklotrifosfazenu. Struktury scharakteryzowano metodami FT-IR i 1H-, 13C- oraz 31P-NMR. Pierwszy homopolimer, poliakrylan (PN), wytworzono w bezpośredniej kondensacji akrylanu 2-hydroksyetylu z chlorkiem acylu heksakis(4-karboksyfenoksy)cyklotrifosfazenu (PN-acyl). Drugi homopolimer (PN-Ep) wytworzono w katalizowanej bezpośredniej reakcji grup karboksylowych heksakis(4-karboksyfenoksy) cyklotrifosfazenu (­PN-COOH) z żywicą epoksydową w wyniku otwarcia pierścienia oksiranowego. Kopolimer blokowy (PN-Ep/poliakry) otrzymano w procesie częściowego sprzęgania akrylanu 2-hydroksyetylu z PN-acylem i następnej reakcji nieprzereagowanych grup karboksylowych z żywicą epoksydową. Analiza kopolimeru PN-Ep/poliakry za pomocą różnicowego kalorymetru skaningowego (DSC) wykazała dobrą kompatybilność między poliakrylanem i utwardzoną żywicą epoksydową, a na podstawie analizy termograwimetrycznej (TGA) stwierdzono, że przygotowane układy polimerowe spalają się w podwyższonej temperaturze do karbonizatu (30—38% mas.), podczas gdy czysty poliakrylan i utwardzona żywica epoksydowa w 700 °C wytwarzają jego pomijalne ilości. Wartość granicznego wskaźnika tlenowego (LOI) wskazywała na znaczące zwiększenie ognioodporności przygotowanych układów polimerowych. Badanie morfologii przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) wykazało, że w wyniku spalania poliakrylanu PN i PN-Ep/poliakrylanu wytwarza się pozostałość pęczniejących karbonizatów, podczas gdy w procesie spalania PN-Ep wytwarzał się zwarty gęsty osad o nieporowatej powierzchni.

Słowa kluczowe

EN

synthesis; cyclotriphosphazene; epoxy resin; polyacrylate; thermal stability; flame retardant

PL

synteza; cyklotrifosfazen; żywica epoksydowa; poliakrylan; stabilność termiczna; środek zmniejszający palność

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2019
• Tom: T. 64, nr 9
• Strony: 577--590
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys.

Twórcy

autor

Shaban Alaa

• Mustansiriyah University, Department of Chemistry, College of Science, Baghdad 10052, Iraq

autor

Al-Shukri Salah Mahdi

• Mustansiriyah University, Department of Chemistry, College of Science, Baghdad 10052, Iraq

autor

Kahlaf Hussein Ismail

• Mustansiriyah University, Department of Chemistry, College of Science, Baghdad 10052, Iraq

autor

Al Hanbali Othman A.

• The University of Sydney, School of Pharmacy, Sydney NSW 2006, Australia

Bibliografia

• [1] Lu S., Hamerton I.: Progress in Polymer Science 2002, 27 (8), 1661. https://doi.org/10.1016/S0079-6700(02)00018-7
• [2] Schäfer A., Seibold S., Walter O., Döring M.: Polymer Degradation and Stability 2008, 93, 557. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2007.11.016
• [3] Sudhakara P., Kannan P.: Soft Materials 2009, 7, 198. https://doi.org/10.1080/15394450903172814
• [4] Sun D., Yao Y.: Polymer Degradation and Stability 2011, 96, 1720. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2011.08.004
• [5] Huang Z., Shi W.: Polymer Degradation and Stability 2007, 92, 1193. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2007.04.008
• [6] Bai Y., Wang X., Wu D.: Industrial and Engineering Chemistry Research 2012, 51, 15064. https://doi.org/10.1021/ie300962a
• [7] Maaskant E., Gojzewski H., Hempenius M.A. et al.: Polymer Chemistry 2018, 9, 3169. https://doi.org/10.1039/c8py00444g
• [8] Liu R., Wang X.: Polymer Degradation and Stability 2009, 94, 617. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2009.01.008
• [9] Yang R., Wang B., Han X. et al.: Polymer Degradation and Stability 2017, 44, 62. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2017.08.008
• [10] Li J., Pan F., Xu H. et al.: Polymer Degradation and Stability 2014, 110, 268. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2014.08.027
• [11] Guo Y.-N., Qiu J.-J., Tang H.-Q., Liu C.-M.: Journal of Applied Polymer Science 2011, 121, 727. https://doi.org/10.1002/app.33806
• [12] Wang C., Hu F., Yang K. et al.: RSC Advances 2015, 5 (107), 88382. https://doi.org/10.1039/c5ra15598c
• [13] Xu G.-R., Xu M.-J., Li B.: Polymer Degradation and Stability 2014, 109, 240. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2014.07.020
• [14] Yang S., Wang J., Huo S. et al.: Polymer Degradation and Stability 2016, 126, 9. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.01.011
• [15] Zhao B., Liang W.-J., Wang J.-S. et al.: Polymer Degradation and Stability 2016, 133, 162. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.08.013
• [16] Yang Y., Kong W., Cai X.: Polymer Degradation and Stability 2016, 134, 136. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.09.021
• [17] Qian L., Feng F., Tang S.: Polymer 2014, 55, 95. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2013.12.015
• [18] Yang R., Hu W., Xu L. et al.: Polymer Degradation and Stability 2015, 122, 102. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2015.10.007
• [19] Chandrasekhar V., Athimoolam A.P., Vivekanandan K., Nagendran S.: Tetrahedron Letters 1999, 40, 1185. https://doi.org/10.1016/s0040-4039(98)02560-x
• [20] Zhao Z.P., Guo Q., Li X. et al.: Express Polymer Letters 2012, 6 (4), 308. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2012.34
• [21] Miyata K., Watanabe Y., Itaya T. et al.: Macromolecules 1996, 29, 3694. https://doi.org/10.1021/ma951698h
• [22] He Q., Dai H., Tan X. et al.: Journal of Materials Chemistry C 2013, 1 (43), 7148. https://doi.org/10.1039/C3TC31371A
• [23] Qian L.-J., Ye L.-J., Xu G.-Z. et al.: Polymer Degradation and Stability 2011, 96, 1118. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2011.03.001
• [24] Chen Y., Wang W., Qiu Y. et al.: Polymer Degradation and Stability 2017, 140, 166. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2017.04.024
• [25] Kook H.J., Tae K.S., Jung K.H., Kwon Y.: Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2006, 6, 3446. https://doi.org/10.1166/jnn.2006.031
• [26] Liu J., Tang J., Wang X., Wu D.: RSC Advances 2012, 2 (13), 5789. https://doi.org/10.1039/c2ra20739g
• [27] Yuan W., Tang X., Huang X., Zheng S.: Polymer 2005, 46, 1701. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2004.12.040
• [28] Guo Y.-N., Zhao C., Liu S.-Z. et al.: Polymer Bulletin 2009, 62, 421. https://doi.org/10.1007/s00289-008-0035-6
• [29] Blank W.J., He Z.A., Picci M.: Journal of Coatings Technology 2002, 74, 33. https://doi.org/10.1007/BF02720158
• [30] Yile X., Dayo A.Q., Jun W. et al.: Materials Chemistry and Physics 2018, 203, 293. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.10.004
• [31] Zhou L., Zhang G., Li J., Jing Z.: Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2017, 129, 1667. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6319-z
• [32] Liang W.-J., Zhao B., Zhao P.-H. et al.: Polymer Degradation and Stability 2017, 135, 140. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.11.023
• [33] Jin W., Yuan L., Liang G., Gu A.: ACS Applied Materials Interfaces 2014, 6, 14931. https://doi.org/10.1021/am502364k
• [34] Laoutid F., Bonnaud L., Alexandre M. et al.: Materials Science and Engineering R: Reports 2009, 63, 100. https://doi.org/10.1016/j.mser.2008.09.002
• [35] Levchik G.F., Grigoriev Y.V., Balabanovich A.I. et al.: Polymer International 2000, 49, 1095. h t t p s : / / d o i . o r g / 1 0 . 1 0 0 2 / 1 0 9 7-0126(200010)49:10<1095::aid-pi405>3.0.co;2-b
• [36] Qu L., Zhang C., Li P. et al.: RSC Advances 2018, 8, 29 816. https://doi.org/10.1039/c8ra05911j
• [37] Zhang T., Cai Q., Wu D.-Z., Jin R.-G.: Journal of Applied Polymer Science 2005, 95, 880. https://doi.org/10.1002/app.21295

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).