Vật liệu chống cháy bền vững và hiệu quả để đạt được độ an toàn cháy cao cho các hợp chất polystyren

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry - Tập 147 - Trang 5733-5742 - 2021
Nour F. Attia1
1Fire Protection Laboratory, Chemistry Division, National Institute of Standards, Giza, Egypt

Tóm tắt

Các tấm carbon rỗng mới đã được phát triển như một vật liệu chống cháy xanh, tái tạo, hiệu quả về chi phí và hiệu quả cho polymer nhiệt dẻo. Các tấm graphite rỗng tái tạo được thu nhận trực tiếp từ quá trình tái chế một bước từ phế thải nông nghiệp là lá củ cải đường ở nhiệt độ thấp và được sử dụng như một vật liệu chống cháy hiệu quả và có thể mở rộng cho polystyrene. Điều này cung cấp hai lợi ích cho môi trường là tái chế phế thải sinh học độc hại và phát triển vật liệu chống cháy hiệu quả và có thể mở rộng mới. Vật liệu chống cháy tái tạo phát triển có diện tích bề mặt riêng là 214 m2 g−1 và kích thước lỗ trung bình là 2.1 nm thêm vào việc doping tự nhiên của các dư lượng kim loại quý. Các tấm graphite rỗng bền vững đã phân tán tốt trong ma trận polymer và khối lượng của chúng đã được thay đổi và tối ưu hóa tạo ra các hợp chất polymer khác nhau. Hơn nữa, các khối lượng khác nhau của hydroxit magie đã được kết hợp với các tấm graphite rỗng trong hợp chất polymer. Các phép đo ổn định nhiệt và độ cháy của các hợp chất polymer phát triển đã làm rõ sự cải thiện đáng kể về an toàn cháy và khả năng chống cháy của các hợp chất polystyrene. Do đó, sự giảm đi trong tỷ lệ giải phóng nhiệt đỉnh (PHRR) và tổng giải phóng nhiệt (THR) của các hợp chất polymer được tìm thấy lần lượt là 62 và 48%. Điều này còn kèm theo sự giảm đáng kể trong tỷ lệ cháy và cải thiện chỉ số oxy hạn chế (LOI) đạt được sự giảm và cải thiện lần lượt là 84 và 33%. Ngoài ra, hiệu suất áp chế phát thải khí CO2 và CO cũng được ghi nhận (~ 40%). Hiệu quả kháng cháy xuất sắc và tác dụng áp chế khí độc của các tấm graphite rỗng phát triển được cho là do khả năng xém và hiệu ứng cấu trúc rỗng, kết hợp với doping tự nhiên của thành phần nguyên tố mong muốn. Nghiên cứu này trình bày một công cụ mới để sản xuất các vật liệu chống cháy và khói có thể mở rộng, xanh, tái tạo và hiệu quả về chi phí cho các polymer nhiệt dẻo.

Từ khóa

#carbon rỗng #vật liệu chống cháy #polystyrene #bền vững #tái chế

Tài liệu tham khảo

Shi Y, Liu C, Fu L, Yang F, Lv Y, Yu B. Hierarchical assembly of polystyrene/graphitic carbon nitride/reduced graphene oxide nanocomposites toward high fire safety. Compos Part B. 2019;179:107541. Attia NF, Zayed M. Nanoparticles decorated on resin particles and their flame retardancy behavior for polymer composites. J Nanomaterials. 2017;2017:1–8. Kiliaris P, Papaspyrides CD. Polymer/layered silicate (clay) nanocomposites: an overview of flame retardancy. Prog Polym Sci. 2010;35:902–58. Tai Q, Chen L, Song L, Nie S, Hu Y, Yuen RKK. Preparation and thermal properties of a novel flame retardant copolymer. Polym Degrad Stab. 2010;95:830–6. Bao C, Song L, Wilkie CA, Yuan B, Guo Y, Hu Y, Gong X. Graphite oxide, graphene, and metal-loaded graphene for fire safety applications of polystyrene. J Mater Chem. 2012;22:16399–406. Kong Q, Lu H, Chen Z, Fan W. Synthesis and properties of polystyrene/Fe- montmorillonite nanocomposites using synthetic Fe-montmorillonite by bulk polymerization. J Mater Sci. 2005;40:4505–9. Li J, Ke C, Xu L, Wang Y. Synergistic effect between a hyperbranched charring agent and ammonium polyphosphate on the intumescent flame retardance of acrylonitrile-butadiene styrene polymer. Polym Degrad Stab. 2012;97:1107. Duan L, Yang H, Song L, Hou YB, Wang W, Gui Z, Hu Y. Hyperbranched phosphorus/nitrogen-containing polymer in combination with ammonium polyphosphate as a novel flame retardant system for polypropylene. Polym Degrad Stab. 2016;134:179–85. Liu W, Wang D, Zhang Y, Bai T, Li J. Flammability and flame-retardant mechanism of high density polyethylene/wood fiber/modified ammonium polyphosphate composite. Polym Compos. 2018;39:1192–9. Guo Z, Wang C, Li J. An intumescent-like flame-retardant effect of hollow carbon precursor on acrylonitrile–butadiene–styrene/oligomeric aryl phosphate/novolac epoxy composites. Polym-Plast Techno Eng. 2016;55:1441–9. Xu B, Ma W, Wu X, Qian L, Jiang S. Flame retardancy and thermal behavior of intumescent flame-retardant EVA composites with an efficient triazine-based charring agent. Mater Res Express. 2018;5:045309. Cao X, Yang Y, Luo H, Cai X. High efficiency intumescent flame retardancy between Hexakis (4-nitrophenoxy) cyclotriphosphazene and ammonium polyphosphate on ABS. Polym Degrad Stab. 2017;143:259–65. Yew MC, Sulong NHR, Yew MK, Amalina MA, Johan MR. Influences of flame-retardant fillers on fire protection and mechanical properties of intumescent coating. Prog Org Coat. 2015;78:59–66. Stretz HA, Wootan MW, Cassidy PE, Koo JH. Effect of exfoliation on poly(styrene-co-acrylonitrile)/montmorillonite nanocomposite flammability. Polym Adv Technol. 2005;16:239–48. Du M, Guo B, Jia D. Thermal stability and flame retardant effects of halloysite nanotubes on poly (propylene). Euro Polym J. 2006;42:1362–9. Attia NF, Hassan MA, Nour MA, Geckeler KE. Flame-retardant materials: synergistic effect of halloysite nanotubes on the flammability properties of acrylonitrilebutadiene-styrene composites. Polym Int. 2014;63:1168–73. Laachachi A, Leroy E, Cochez M, Ferriol M, Lopez Cuesta JM. Use of oxide nanoparticles and organoclays to improve thermal stability and fire retardancy of poly(methyl methacrylate). Polym Degrad Stab. 2005;89:344–52. Guan F-L, Gui C-X, Zhang H-B, Jiang Z-G, Jiang Y, Yu Z-Z. Enhanced thermal conductivity and satisfactory flame retardancy of epoxy/alumina composites by combination with graphene nanoplatelets and magnesium hydroxide. Compos Part B: Eng. 2016;98:134–40. Attia NF, Abdel Eal NS, Hassan MA. Facile synthesis of graphene sheets decorated nanoparticles and flammability of their polymer nanocomposites. Polym Degrad Stab. 2016;126:65–79. Wang D, Zhang QJ, Zhou K, Yang W, Hu Y, Xl G. The influence of manganese–cobalt oxide/graphene on reducing fire hazards of poly (butylene terephthalate). J Hazard Mater. 2014;278:391–400. Attia NF. Organic nanoparticles as promising flame retardant materials for thermoplastic polymers. J Therm Anal Calor. 2017;127:2273. Park J, Jung M, Jang H, Lee K, Attia NF, Oh H. A facile synthesis tool of nanoporous carbon for promising H2, CO2, and CH4 sorption capacity and selective gas separation. J Mater Chem A. 2018;6:23087. Shi LZ, Yu B, Zhou K, Gui Z, Yuen RKK, Hu Y. Tunable thermal, flame retardant and toxic effluent suppression properties of polystyrene based on alternating graphitic carbon nitride and multi-walled carbon nanotubes. J Mater Chem A. 2015;3:17064–73. Zhou K, Jiang S, Shi Y, Liu J, Wang B, Hu Y, Gui Z. Multigram-scale fabrication of organic modified MoS2 nanosheets dispersed in polystyrene with improved thermal stability, fire resistance, and smoke suppression properties. RSC Adv. 2014;4:40170–80. Qiu S, Hu W, Yu B, Yuan B, Zhu Y, Jiang S, Wang B, Song L, Hu Y. Effect of functionalized graphene oxide with organophosphorus oligomer on the thermal and mechanical properties and fire Safety of polystyrene. Ind Eng Chem Res. 2015;54:3309–19. Attia NF, Park J, Oh H. Facile tool for green synthesis of graphene sheets and their smart freestanding UV protective film. Appl Surf Sci. 2018;458:425–30. Barrett EP, Joyner LS, Halenda PP. the determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. J Am Chem Soc. 1951;73:373–80. International standard IEC 60695-11-10, Fire hazard testing Part 11-10: test flames-50 W horizontal and vertical flame test methods ISO 5660-1. Reaction-to-fire tests—heat release, smoke production and mass loss rate-part1: heat release rate (cone calorimeter method). Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization, 2002 Kun Z, Yue Z, Shiren W. Enhancing thermoelectric properties of organic composites through hierarchical nanostructures. Sci Rep. 2013;3:3448. Sing KSW, Everett DH, Haul RAW, Moscou L, Pierotti RA, Rouquerol J, Siemieniewska T. Pure Appl Chem. 1985;57:603–19. Dittrich B, Wartig K-A, Mülhaupt R, Schartel B. Flame-retardancy properties of intumescent ammonium poly(phosphate) and mineral filler magnesium hydroxide in combination with graphene. Polymers. 2014;6:2875–95. Hong N, Zhan J, Wang X, Stec AA, Hull TR, Ge H, Xing W, Song L, Hu Y. Enhanced mechanical thermal and flame retardant properties by combining graphene nanosheets and metal hydroxide nanorods for acrylonitrilebutadiene-styrene copolymer composites. Compos Part A Appl Sci Manfact. 2014;64:203–10. Attia NF, Abdel Hady K, Elashery SEA, Hashem HM, Oh H, Refaat AM, Abdel Hady A. Greener synthesis route and characterization of smart hybrid graphene based thin films. Surf Inter. 2020;21:100681. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mülhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab. 2013;98:1495–505. Attia NF, Afifi HA, Hassan M. Synergistic study of carbon nanotubes, rice husk ash and flame retardant materials on the flammability of polystyrene nanocomposites. Mater Today: Proc. 2015;2:3998–4005. Attia NF, Hegazi EM, Abdelmageed AA. Smart modification of inorganic fibers and flammability mechanical and radiation shielding properties of their rubber composites. J Therm Anal Calor. 2018;132:1567–78. Wang Y, Qing Y, Sun Y, Zhu M, Dong S. A study on preparation of modified Graphene Oxide and flame retardancy of polystyrene composite microspheres. Desig Mono Polym. 2020;23:1–15.