Object

Abstract:

Praca doktorska dotyczyła opracowania innowacyjnych układów ograniczających palność materiałów polimerowych. Praca została podzielona na następujące części:  Wykorzystanie włókien naturalnych do otrzymania proekologicznych kompozytów elastomerowych.  Zastosowanie POSS w układzie synergicznym z organicznymi związkami fosforu.  Opracowanie kompozytów ceramizujących na bazie lekkiego, modyfikowanego metalem napełniacza cenosferycznego  Wykorzystanie napełniacza bazaltowego do otrzymania kompozytów o zredukowanym zagrożeniu pożarowym, w tym kompozytów ceramizujących.  Otrzymanie kompozytów elastomerowych o zredukowanym zagrożeniu pożarowym przy wykorzystaniu napełniaczy węglowych. W pierwszej części pracy opisano wyniki badań wpływu napełniacza celulozowego, w postaci słomy pszenicznej na właściwości termiczne, mechaniczne oraz zagrożenie pożarowe kompozytów kauczuku naturalnego. Wykazano iż celuloza, także w postaci niemodyfikowanej chemicznie, może efektywnie ograniczać palność zawierających ją kompozytów elastomerowych. Na podstawie uzyskanych wyników badań udowodniono, iż w układzie synergicznym z włóknem naturalnym, największą efektywnością działania charakteryzuje się układ polifosforanu amonu z wodorotlenkiem glinu. W drugiej części przedstawiono wpływ POSS także w układzie synergicznym z polifosforanem melaminy na właściwości termiczne i palność kompozytów kauczuku silikonowego. Na podstawie analiz wykonanych techniką SEM-EDX oraz kalorymetrii stożkowej, wykazano iż POSS katalizując tworzenie ceramicznej bariery pomiędzy próbką a płomieniem, w znaczącym stopniu ogranicza palność kauczuku SR. Wykorzystując technikę FB-FTIR (złoże fluidalne sprzężone ze spektrometrią w podczerwieni) udowodniono, iż w zakresie wysokich temperatur POSS efektywnie redukuje ilość toksycznych, potencjalnie śmiertelnych produktów gazowych. W części trzeciej pracy wykorzystano napełniacz cenosferyczny, także pokryty żelazem, do wytworzenia kompozytów ceramizujących na bazie kauczuku nitrylowego. Ceramizacja jest innowacyjną metodą fizycznej redukcji zagrożenia pożarowego materiałów polimerowych, opierającą się na tworzeniu litej, odpornej termicznie warstwy ceramicznej na powierzchni kompozytu, w efekcie odziaływania ognia lub/i wysokiej temperatury. Wytworzona bariera ceramiczna chroni przed dyfuzją ciepła i tlenu w głąb kompozytu, inhibitując jednocześnie procesy transportu ciekłych destruktów polimerowych (paliwa) do strefy płomienia.
Analiza termiczna, jak również wykonane badania palności dowiodły, iż napełniacz cenosferyczny nie tylko bardzo dobrze dysperguje się w matrycy elastomerowej, ale także posiada doskonałe właściwości barierowe. Udowodniono, iż żelazo znajdujące się na powierzchni cenosfery, pełniąc funkcję zmiatacza rodnikowego, może inhibitować termooksydacyjne procesy degradacji kompozytu, zwiększając jednocześnie wydajność reakcji sieciowania termicznego. Ponadto napełniacz cenosferyczno-metaliczny, w obecności wollastonitu, miki oraz topnika nieorganicznego, zastępując krzemionkę, pozwala na wytworzenie efektywnej, z punktu widzenia parametrów mechanicznych, powłoki ceramicznej. W czwartej części pracy wykazano efektywność działania napełniacza bazaltowego w procesach redukcji zagrożenia pożarowego zawierających go kompozytów elastomerowych. Udowodniono, iż bazalt pochłaniając energie promieniowania cieplnego działa jak tarcza termiczna chroniąca polimer przed następczymi reakcjami degradacji i destrukcji termicznej. Na podstawie analiz EDS (mapa rozkładu Si, Ca, Na, O) stwierdzono, iż w obecności płatków bazaltowych występował zdecydowanie mniejszy stopień agregacji krzemionki, tlenku wapnia, boranu cynku czy tlenku glinu. Prawdopodobnie, charakteryzujący się zarówno dużą pojemnością cieplną jak i rozmiarem cząstek, napełniacz bazaltowy, ograniczył procesy tworzenia się tzw. wysp napełniacza, przyczyniając się do powstawania jednorodnej, ciągłej warstwy ceramicznej. W ostatniej części pracy wykazano, iż synergizm działania napełniaczy węglowych w postaci płatków grafenowych lub nanorurek węglowych a bazaltem ogranicza zagrożenie pożarowe kompozytów kauczuku EPDM, wpływając jednocześnie pozytywnie na jego parametry mechaniczne.

The doctoral thesis concerned the development of innovative systems that reduce the flammability of polymeric materials. The study was divided into five parts:  The use of natural fibers to obtain environmentally friendly elastomer composites.  Application of POSS in a synergistic system with organic phosphorus compounds.  Development of ceramizing composites based on a low weight, metal-modified cenospheric filler.  The use of basalt filler to obtain composites with a reduced fire risk, including ceramizing composites.  Preparation of elastomer composites with reduced fire risk with the use of carbon filler. The first part of the work describes the results of research on the influence of cellulose filler, in the form of wheat straw, on thermal and mechanical properties as well as fire hazard of natural rubber composites. It has been shown that cellulose, also in its chemically unmodified form, can effectively reduce the flammability of elastomer composites containing it. On the basis of the obtained test results, it was proved that in the synergistic system with natural fiber, the ammonium polyphosphate and aluminum hydroxide system is characterized by the highest effectiveness. The second part presents the effect of POSS also in a synergistic system with melamine polyphosphate on the thermal properties and flammability of silicone rubber composites. On the basis of analyzes performed with the SEM-EDX technique and cone calorimetry, it was shown that POSS, by catalysing the formation of a ceramic barrier between the sample and the flame, significantly reduces the flammability of SR rubber. Using the FB-FTIR technique (fluidized bed coupled with infrared spectrometry) it has been proven that POSS effectively reduces the amount of toxic, potentially lethal gaseous products in the high temperature range. In the third part of the work, a cenospheric filler, also covered with iron, was used to produce ceramizing composites based on nitrile rubber. Ceramization is an innovative method of physically reducing the fire risk of polymeric materials, based on the formation of a solid, thermally resistant ceramic layer on the surface of the composite as a result of the action of fire and / or high temperature. The created ceramic barrier protects against the diffusion of heat and oxygen into the composite, while inhibiting the processes of transporting liquid polymer waste (fuel) to the flame zone. Thermal analysis as well as the flammability tests performed proved that the cenospheric filler not only disperses very well in the elastomer matrix, but also has excellent barrier properties. It has been proven that iron on the surface of the cenosphere, acting as a radical scavenger, can inhibit thermo-oxidative degradation processes of the composite, while increasing the efficiency of the thermal crosslinking reaction. In addition, the cenospheric-metallic filler, in the presence of wollastonite, mica and inorganic flux, replacing silica, allows for the production of an effective, from the point of view of mechanical parameters, ceramic coating.
In the fourth part of the work, the effectiveness of basalt filler in the processes of reducing the fire risk of elastomer composites containing it was demonstrated. It has been proven that by absorbing the energy of thermal radiation, basalt acts as a thermal shield protecting the polymer against subsequent degradation and thermal destruction reactions. Based on the EDS analyzes (map of Si, Ca, Na, O decomposition), it was found that in the presence of basalt flakes there was a much lower aggregation degree of silica, calcium oxide, zinc borate or alumina. Probably, the basalt filler, characterized by both high heat capacity and particle size, limited the processes of formation of the so-called filler islands, contributing to the formation of a homogeneous, continuous ceramic layer. In the last part of the work it was shown that the synergism of the action of carbon fillers in the form of graphene flakes or carbon nanotubes and basalt reduces the fire hazard of EPDM rubber composites, while positively influencing its mechanical parameters.

Additional notes:

Zawiera bibliografię

Identifier:

oai:bibliotekacyfrowa.ujk.edu.pl:10004

Computer catalogue:

click here to follow the link

Language:

pol

Degree name:

doktor

Date obtained:

14.09.2023

Degree grantor:

Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Supervisor:

Rybiński, Przemysław

Field:

Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych

Scientific disciplines:

Nauki chemiczne

Faculty:

Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych

Type:

rozprawa doktorska

Access rights:

tylko w Oddziale Informacji Naukowej

Publication status:

niepublikowana