Graphite oxide as an intumescent flame retardant for polystyrene

• Autorzy: Kędzierski M. , Jankowski P. , Jaworska G. , Niska A.

Warianty tytułu

PL

Tlenek grafitu jako pęczniejący antypiren stosowany do polistyrenu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work the possibility to apply graphite oxide (GO) as an intumescent flame retardant added in situ during suspension polymerization of styrene was studied. Synthesis of GO was carried out starting from natural flake graphites with different carbon content and particle size (between 45 and 500 žm). The obtained products were examined using elemental and scanning electron microscopy (SEM) analysis, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) as well as X-ray powder diffractometry (XRD). Thermal stability and expansion properties of GO were also investigated. It was stated that with an increase in particle size GO exhibited a lower degree of oxidation while the temperature of maximum decomposition rate increased. The highest expansion volume at 600 °C was observed for GO prepared from graphite with large-sized plates (300 and 500 žm). In order to prevent the dispersion of hydrophilic GO in an aqueous phase during the polymerization of styrene, GO was modified with organofunctional silane. Polystyrene with added GO (15 wt. %) reached HF-1 rating in the UL 94 horizontal burning test, however it failed to pass the required vertical flame test. The modification with melamine-formaldehyde resin (MF) resulted in an increase of GO thermal stability. Polystyrene with 15 wt. % of GO-MF additive obtained maximum ratings HF-1 and V-O in the UL 94 flame test. An attention should be paid to safe handling of GO which, although stable at ambient conditions, may undergo highly exothermic decomposition, e.g. when subjected to mechanical impact at moderately elevated temperature.

PL

W ramach pracy badano możliwości wykorzystania tlenku grafitu (GO) jako antypirenu pęczniejącego dodawanego in situ w procesie syntezy polistyrenu suspensyjnego. Przeprowadzono syntezę GO wychodząc z naturalnych grafitów płatkowych różniących się zawartością węgla oraz wielkością cząstek (od 45 do 500 žm). Uzyskane produkty analizowano metodami analizy elementarnej, skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) oraz rentgenowskiej dyfraktometrii proszkowej (XRD). Wykonano również badania stabilności termicznej metodą termograwimetrii oraz badanie zdolności ekspandujących otrzymanych tlenków grafitu. Stwierdzono, że ze wzrostem wielkości cząstek grafitu zmniejsza się stopień utlenienia GO, natomiast wzrasta temperatura maksymalnej szybkości rozkładu. Największe objętości ekspansji w temp. 600 °C wykazywały tlenki otrzymane z grafitów o dużych rozmiarach płatków (300 i 500 žm). Aby w trakcie polimeryzacji styrenu zapobiec dyspersji hydrofilowego GO w fazie wodnej, poddano go modyfikacji organofunkcyjnym silanem. Polistyren z dodatkiem 15 % mas. GO osiągnął klasę HF-1 w teście poziomego palenia się UL 94, jednak nie spełnił wymaganych kryteriów palności pionowej. Modyfikacja GO żywicą melaminowo-formaldehydową (MF) prowadziła do zwiększenia stabilności termicznej GO, a polistyren z dodatkiem 15 % mas. kompozycji GO-MF osiągał maksymalne kategorie HF-1 i V-0 w teście palności UL 94. Należy zwrócić uwagę na kwestię bezpieczeństwa stosowania GO, który jest stabilny w temperaturze pokojowej, jednak w wyniku np. oddziaływania mechanicznego może następować jego silnie egzotermiczny rozkład już w umiarkowanie podwyższonej temperaturze.

Słowa kluczowe

EN

graphite oxide; thermal expansion; intumescent flame retardants; polystyrene

PL

tlenek grafitu; ekspansja termiczna; antypireny pęczniejące; polistyren

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2012
• Tom: T. 57, nr 5
• Strony: 347--353
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz.

Twórcy

autor

Kędzierski M.

autor

Jankowski P.

autor

Jaworska G.

autor

Niska A.

• Industrial Chemistry Research Institute Department of Polyesters, Epoxide Resins and Polyurethanes ul. Rydygiera 8, 01-793Warsaw, Poland,

Bibliografia

• 1. Brodie B. C.: Ann. Chim. Phys. 1860, 59, 466.
• 2. Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski C.W., Ruoff R. S.: Polymer 2011, 52, 5.
• 3. Kuilla T., Bhadra S., Dahu Y. Kim N. H., Bose S., Lee J. H.: Prog. Polym. Sci. 2010, 35, 1350.
• 4. Boehm H. P., Clauss A., Fischer G. O., Hofmann U. Z.: Naturforschg. 1962, 17b, 150.
• 5. Bourbigot S., Duquesne S.: „Intumescence-based fire retardants” in: „Fire retardancy of polymeric materials” (Eds. Wilkie C. A., Morgan A. B.), Taylor and Francis Group 2010, p. 129.
• 6. Rudorff W., Hofmann U.: Z. Anorg. Allg. Chem. 1938, 238, 1.
• 7. Duquesne S., Le Bras M., Bourbigot S., Delobel R., Camino G., Eling B., Lindsay Ch., Roels T.: Polym. Degrad. Stab. 2001, 74, 493.
• 8. Ye L., Meng X. Y., Ji X., Li Z. M., Tang J. H.: Polym. Degrad. Stab. 2009, 94, 971.
• 9. Lerf A., He H., Forster M., Klinowski J.: J. Phys. Chem. B 1998, 102, 4477.
• 10. Uhl F. W., Wilkie C. A.: Polym. Degrad. Stab. 2004, 84, 215.
• 11. Zhang R., Hu Y., Xu J., FanW., Chen Z.: Polym. Degrad. Stab. 2004, 85, 583.
• 12. Higginbotham A., Lomeda J., Morgan A. B., Tour J. T.: ACS Appl. Mater. Interfaces 2009, 1, 2256.
• 13. Wang Z., Tang X. Z., Yu Z. Z., Guo P., Song H. H., Du X. S.: Chin. J. Polym. Sci. 2011, 3, 368.
• 14. Wang J., Han Z.: „Comparative Study of Nanoeffect on Fire Retardancy of Polymer — Graphite Oxide Nanocomposites” in „Fire Retardancy of Polymers: New application of Mineral Fillers” (Ed. Le Bras M.), Springer Verlag 2005, chapter 12, p. 161.
• 15. Titelman G. I., Gelman V., Bron S., Khalfin R. L., Cohen Y., Bianco-Peled H.: Carbon 2005, 43, 641.
• 16. Hontoria-Lucas C., Lopez-Peinado A. J., Lopez-Gonzalez J. D. D., Rojas-Cervantes M. L., Martin-Aranda R. M.: Carbon 1995, 33, 1585.
• 17. Pat. Ger. (East) DD 150 739 (1981).
• 18. Mehta S., Biederman S., Shivkumar S.: J. Mater. Sci. 1995, 30, 2944.
• 19. Shulga Y. M., Martynenko V. M., Muradyan V. E., Baskakov S. A., SmirnovV. A., Gutsev G. L.: Chem. Phys. Lett. 2010, 498, 287.
• 20. de Farias R. F., Airoldi C.: J. Serb. Chem. Soc. 2010, 75, 497.
• 21. Jankowski P., Kêdzierski M.: Polimery 2011, 56, 20.
• 22. Chattopadhyay D. K., Webster D. C.: Prog. Polym. Sci. 2009, 34, 1068.
• 23. Kim F., Luo J., Cruz-Silva R., Cote L. J., Sohn K., Huang J.: Adv. Fun. Mater. 2010, 20, 2867.
• 24. Lerf A., He H. Y., Riedl T., Forster M., Klinowski J.: Solid State Ionics 1997, 101, 857.
• 25. Cote L. J., Cruz-Silva R., Huang J.: J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 11 027.
• 26. Marcano D. C., Kosynkin D. V., Berlin J. M., Sinitskii A., Sun Z., Slesarev A., Alemany L. B., Lu W., Tour J. M.: ACS Nano 2010, 4, 4806.