Synteza i charakterystyka hydrożeli krzemianowo-polimerowych z wybranymi retardantami palenia

• Autorzy: Mastalska-Popławska J. , Ryś S. , Izak P.

Warianty tytułu

EN

Synthesis and characterization of polymer-silicate hydrogels with selected fire retardants

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących otrzymywania hydrożeli krzemianowo-poliakrylanowych z dodatkiem różnych retardantów palenia, mających na celu poprawę ich właściwości ognioochronnych. Polimery były syntetyzowane na drodze polimeryzacji rodnikowej z wykorzystaniem układu redox substancji inicjujących - tiosiarczan sodu / nadsiarczan potasu (NTS/KPS) - i N,N'-metylenobisakryloamidu (NNMBA) jako monomeru sieciującego. Część krzemianową opisywanego materiału hybrydowego stanowiło szkło wodne sodowe o module molowym (M) mieszczącym się w zakresie 2,0-3,32 i symbolu handlowym R-137, R-145 lub R-150. Jako substancje poprawiające właściwości ognioochronne, tzw. opóźniacze palenia, zastosowano nanokrzemionkę, mocznik oraz sole takie jak chlorek glinu i octan sodu. Otrzymane hydrożele scharakteryzowano pod kątem ich właściwości reologicznych, termicznych i ognioochronnych. Pozwoliło to na określenie wpływu modułu krzemianowego na szybkość żelowania syntetyzowanych mieszanin, a także wpływu składu mieszaniny na jej właściwości lepkosprężyste oraz zachowanie w trakcie kontaktu z ogniem. Wyniki badań reologicznych, wykonanych na mieszaninach utworzonych na bazie szkła wodnego sodowego R-150, dla którego otrzymywano substancje o najlepszej transparentności, wykazały, że dodatek octanu sodu, siarczanu sodu oraz mocznika powodują szybsze żelowanie, natomiast wraz ze wzrostem zawartości nanokrzemionki, mieszanina ulega polimeryzacji w dłuższym czasie, czego powodem jest zmiana modułu molowego. Dodatkowo, mocznik oraz octan sodu powodują słabsze związanie powstałego żelu i jego większą elastyczność, podczas gdy wprowadzenie do mieszaniny nanokrzemionki skutkuje otrzymaniem bardziej wytrzymałego materiału. Analiza termiczna przeprowadzona w celu określenia degradacji termicznej hydrożeli wykazała, że hydrożel w porównaniu do czystego szkła wodnego przejawia większą stabilność termiczną, co pozwala uznać za słuszne ich zastosowanie w aplikacjach ogniochronnych. Ponadto, najlepszą trwałość w wysokich temperaturach ujawnia próbka hydrożelu z octanem sodu, co dowodzi, iż wprowadzenie odpowiednich dodatków powoduje zwiększenie ogniotrwałości powstałego żelu.

EN

The results of research are described, concerning the synthesis of polyacrylate-silicate hydrogels with different fire retardants added for improving their thermal properties. Polymers were synthesized with the use of radical polymerization in the presence of redox initiators, i.e. sodium tiosulphate/potassium persulphate (NTS/KPS), and N,N'-methylenebisacrylamide (NNMBA) as a cross-linking monomer. Sodium water glasses with a silicate modulus (M) in the range 2,00-3,32 and trade names R-137, R-145 and R-150 were providers of silicate species. Nanosilica, urea, aluminum chloride and sodium acetate were the fire retardants. The obtained hydrogels were characterized towards their rheological, thermal and fireproof properties. This helped to determine the influence of silicate modulus on the gelling time as well as the impact of mixture composition on the viscoelastic and fireproof properties of the tested hydrogels. The results of rheological measurements, that were made in case of the mixtures based on sodium water glass R-150 giving the best transparency, revealed that the addition of sodium acetate, sodium sulphate and urea caused faster gellation, while the increasing of nanosilica content entailed elongation of polymerization what was caused by the change of molar modulus. Additionally, urea and sodium acetate caused weaker cross-linking of the gel and its higher elasticity, whereas the incorporation of nanosilica resulted in a more durable material. Thermal analysis carried out to determine thermal degradation of the gels showed that hydrogel had better thermal stability in comparison to the pure water glass, what could substantiate their use in fireproof applications. Moreover, the hydrogel sample with sodium acetate showed the best stability at high temperatures. This proves that the application of proper additives causes higher fire resistance of the synthesized hydrogel.

Słowa kluczowe

PL

hydrożele krzemianowo-polimerowe; retardanty palenia; ognioochronność; szkło wodne sodowe; moduł molowy

EN

polymer-silicate hydrogels; fire retardants; fire protection; sodium water glass; molar modulus

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 69, nr 1
• Strony: 33--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Mastalska-Popławska J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Ryś S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Izak P.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Hench, L. L., West, J. K.: The sol-gel process, Chemical Reviews, 90, (1990), 33-72.
• [2] Elphingstone, E. A., McLaughlin, H. C., Smith, C. W.: Temperature gelation activated aqueous silicate mixtures and process of forming impermeable gels, US Patent 4293440 A, 1981.
• [3] Hua D.-W., Withiam, M. C., Godwin, F. R. W., Sinclair, F. A.: Silica gel manufacturing method and gels made thereby, US Patent 7803343 B2, 2010.
• [4] Coradin, T., Durupthy, O., Livage, J.: Interactions of amino-containing peptides with sodium silicate and colloidal silica: A biomimetic approach of silicification, Langmuir, 18, (2002), 2331-2336.
• [5] Ye H., Zhao J., Zhang J.: Novel degradable superabsorbent materials of silicate/acrylic-based polymer hybrids, Journal of Applied Polymer Science, 91, (2004), 936–940.
• [6] Shi X., Xu S., Lin J., Feng S., Wang J.: Synthesis of SiO2-polyacrylic acid hybrid hydrogel with high mechanical properties and salt tolerance using sodium silicate precursor through sol–gel process, Materials Letters, 63, (2009), 527–529.
• [7] Breu, R., Gaertner, F., Gaeth, R., Stastny, F.: Thermally insulating transparent laminated glass with alkali metal silicate interlayer, US Patent 3640837, 1972.
• [8] Schaar, J. L., Ellard, J. A., Butler, J. M.: Intumescent compositions and substrates coated therewith, US Patent 3955987, 1976.
• [9] Gandini, G., Frignoli, L.: Fireproofing materials, US Patent 4102794, 1978.
• [10] De Boel, M., Baudin, P.: Light- transmitting fire screening panel, US Patent 4 190 698, 1980.
• [11] Nasr-El-Din H. A., Taylor K. C.: Evaluation of sodium silicate/urea gels used for shutoff-treatments, Journal of Petroleum Science and Engineering, 48, (2005), 141-160.
• [12] Swann, J. M. G., Bras, W., Topham, P. D. et al.: Effect of the Hofmeister anions upon the swelling of a self-assembled pH-responsive hydrogel, Langmuir, 26, (2010), 10191-10197.
• [13] Shi X., Xu S., Lin J., Feng S., Wang J.: Synthesis of SiO2-polyacrylic acid hybrid hydrogel with high mechanical properties and salt tolerance using sodium silicate precursor through sol–gel process, Materials Letters, 63, (2009), 527–529.
• [14] Mastalska, J., Izak, P., Wójcik, Ł., Stempkowska, A.: Wykorzystanie diagnostyki termowizyjnej w badaniach ognioodporności kompozytów krzemoorganicznych, Materiały Ceramiczne, 64, (2012), 519-523.
• [15] Rabek, J. F.: Współczesna wiedza o polimerach, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008.
• [16] Subasri, R., Nafe, H.: Phase evolution on heat treatment of sodium silicate water glass, J. Non-Cryst. Solids, 354, (2008), 896-900.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).