Исследование влияния нанодисперсных порошков железа на термическую стойкость и горючесть эпоксидных композитов

Введение добавок, снижающих пожарную опасность материалов, является эффективным способом снижения горючести полимеров. Однако выбор антипиренов является сложным, поскольку существует множество их вариаций, и каждый тип антипиренов имеет свои уникальные
физико-химические свойства и соответствующую стоимость.
Цель работы – исследовать влияние концентраций наполнителей-антипиренов и их комбинации с нанопорошком железа на показатели горючести и термической стабильности эпоксидных композитов.
В процессе исследования проводились: анализ литературных и научных статей, содержащих информацию о пожароопасности полимерных материалов, а также экспериментальные исследования влияния выбранных наполнителей на характеристики горючести эпоксидных композитов.

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………. 13
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………………….. 14
1.1. Теpмичеcкий aнaлиз……………………………………………………………………. 14
1.2. Термические характеристики материалов……………………………………. 22
1.2.1. Температура …………………………………………………………………………….. 22
1.2.2. Тепловые эффекты превращений ……………………………………………… 24
1.3. Методы термического анализа ……………………………………………………. 24
1.3.1. Визуальный метод ……………………………………………………………………. 24
1.3.2. Метод кривых нагрева и охлаждения ……………………………………….. 24
1.3.3. Дифференциальный термический анализ (ДТА) ……………………….. 25
1.3.4. Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) ……………. 27
1.3.5. Термогравиметрический анализ (ТГА) ……………………………………… 28
1.3.6. Синхронный термический анализ (СТА) ………………………………….. 28
1.4. Пожарная опасность полимеров и их классификация по горючести28
1.4.1. Поражающие факторы при горении полимерных материалов …… 29
1.5. Введение наполнителей ………………………………………………………………. 31
1.6. Применение антипиренов …………………………………………………………… 34
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ………………………………………………… 38
2.1. Материалы и методики исследования …………………………………………. 38
2.1.1. Характеристика исходных веществ ………………………………………….. 38
2.1.2. Получение эпоксидных композитов …………………………………………. 43
2.2. Определение температуры воспламенения ………………………………….. 45
2.3. Термический анализ……………………………………………………………………. 45
2.4. Результаты исследований и их обсуждение …………………………………. 46
2.4.1. Температура воспламенения эпоксидных композитов ………………. 46
2.4.2. Результаты термического анализа …………………………………………….. 47
3. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ………………………………………………………………………. 55
3.1. Предпроектный анализ ……………………………………………………………….. 56
3.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования …………… 56
3.1.2. Анализ конкурентных технических решений ……………………………. 56
3.1.3. SWOT-анализ …………………………………………………………………………… 58
3.1.4. Оценка готовности проекта к коммерциализации……………………… 61
3.1.5. Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования …………………………………………………………………………………………. 62
3.2. Инициация проекта …………………………………………………………………….. 63
3.3. Планирование управления научно-техническим проектом ………….. 64
3.3.1. Иерархическая структура работ проекта …………………………………… 64
3.3.2. План проекта……………………………………………………………………………. 65
3.3.3. Бюджет научного исследования ……………………………………………….. 68
3.3.4. Расчёт материальных затрат научного исследования ………………… 68
3.3.5. Основная заработная плата научно-производственного персонала
……………………………………………………………………………………………………………… 69
3.3.6. Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала ………………………………………………………………………………………………. 71
3.3.7. Отчисления на социальные нужды (во внебюджетные фонды) …. 72
3.3.8. Накладные расходы …………………………………………………………………. 72
3.3.9. Формирование бюджета затрат научно-исследовательского
проекта ………………………………………………………………………………………………….. 72
3.4. Организационная структура проекта …………………………………………… 73
3.5. План управления коммуникациями проекта ………………………………… 74
3.6. Реестр рисков проекта ………………………………………………………………… 74
3.7. Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования ….. 75
3.8. Оценка абсолютной эффективности исследования ………………………. 75
3.8.1. Чистая текущая стоимость (NPV) …………………………………………….. 75
3.8.2. Оценка сравнительной эффективности исследования ……………….. 80
4. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ ………………………………………………… 85
4.1. Производственная безопасность …………………………………………………. 85
4.1.1. Анализ выявленных вредных факторов на рабочем месте
лаборанта ………………………………………………………………………………………………. 86
4.1.1.1. Недостаточная освещенность рабочей зоны …………………………… 87
4.1.1.1.1. Расчёт искусственного освещения ………………………………………. 87
4. 1.1.2. Отклонение показателей микроклимата в помещении …………… 91
4.1.1.3. Превышение уровней шума …………………………………………………… 92
4.1.2. Анализ выявленных опасных факторов на рабочем месте
лаборанта …………………………………………………………………………………………………. 93
4.1.2.1. Поражение электрическим током…………………………………………… 93
4.1.2.2. Пожарная опасность ……………………………………………………………… 94
4.2. Экологическая безопасность……………………………………………………….. 95
4.3. Безопасность в чрезвычайных ситуациях ……………………………………. 97
4.4. Перечень нормативно-технической документации ………………………. 98
Заключение ………………………………………………………………………………………. 99
Список публикаций …………………………………………………………………………. 100
Список литературы …………………………………………………………………………. 101
Приложение II…………………………………………………………………………………. 105

На основании проведенного обзора литературных источников был
выбран для исследований такой метод снижения горючести полимеров как
введение антипиренов в эпоксидную смолу композиционных образцов.
Определены изменения значений показателей термоокислительной
деструкции в зависимости от концентрации наполнителей, а также проведена
оценка влияния антипиренов-наполнителей, таких как гидроксид алюминия и
полифосфата меламина, на горючесть изготовленных эпоксидных композитов.
Согласно результатам экспериментов по определению температуры
воспламенения, введение гидроксида алюминия в эпоксидную матрицу более
эффективно для снижения горючести полимера. С точки зрения повышения
термической стойкости образцов более эффективным является введение
полифосфата меламина в эпоксидную смолу. Кроме того, комбинация
полифосфата меламина с нанопорошком железа приводит к ускорению
процесса деструкции, в отличие от гидроксида алюминия. Поэтому для
практического использования для снижения горючести эпоксидных полимеров
можно рекомендовать использовать в качестве наполнителя полифосфата
меламина индивидуально или гидроксид алюминия в комбинации с
нанопорошком железа.
Результаты проведенного исследования могут быть применены в целях
изучения и разработки полимерных материалов пониженной горючести.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ
1. Nazarenko O. B., Lipchansky D. S., Smirnova I. N. Effect of iron
nanopowder on flammability of epoxy composites // IOP conference series: materials
science and engineering. – 2021 – vol. 1019 – №. 1, article number 012001. – p. 1-6.
2. Nazarenko O. B. , Lipchansky D. S. , Smirnova I. N. Effect of Iron
Nanopowder on Flammability of Epoxy Composites // 14th International Forum on
Strategic Technology (IFOST – 2019): Proceedings, Tomsk, October 14-17, 2019. –
Tomsk: TPU Publishing House, 2019 – p. 20-22.
3. Смирнова И. Н. , Назаренко О. Б. Сравнительное исследование
влияния антипиренов на температуру воспламенения эпоксидных композитов //
Интеграция науки, образования и производства – основа реализации Плана
нации (Сагиновские чтения № 12): труды Международной научно-
практической online конференции. В 2-х частях. Часть 2, Караганда, 18-19
Июня 2020. – Караганда: КарГТУ, 2020 – C. 264-267.
4. Смирнова И. Н. Оценка горючести эпоксидных композитов по
кислородному индексу // Функциональные материалы: разработка,
исследование, применение: сборник тезисов V Всероссийского конкурса
научных докладов студентов, Томск, 22-23 Мая 2018. – Томск: ТПУ, 2018 – C.
77-78.

1. ГОСТ Р 53293–2009. Пожарная опасность веществ и материалов.
Материалы, вещества и средства огнезащиты. Идентификация методами
термического анализа. – М.: Стандартинформ, 2009. – С. 2–5.
2. Берг Г. Г. Введение в термографию /Г. Г. Берг – Изд. 2-е, доп. – М.:
Наука, 1969. – 396 с. 2. Тейтельбаум Б. Я. Термомеханический анализ
полимеров /Б. Я. Тейтельбаум – М.: Наука, 1979. – 236 с.
3. Уэндландт У. Термические методы анализа /У. Уэндландт; пер. с англ.
под ред. В. А. Степанова и В. А. Берштейна. – М.: Мир, 1978. – 526 с.
4. Шестак Я. Теория термического анализа: Физико-химические свойства
твердыхнеорганическихвеществ/Я.Шестак;пер.сангл.
– М.: Мир, 1987. – 456 с.
5. Альмяшев В. И. Термические методы анализа: учеб. пособие /В. И.
Альмяшев, В. В. Гусаров – СПб: Изд-во СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999. – 40 с.
6. Термогравиметрия: учеб. пособие для студентов III курса химического
факультета/сост.В.С.Корзанов,М.Г.Котомцева,
Р. И. Юнусов – Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 2007. – 71 с.
7. Пожароопасность полимерных материалов / Щеглов П.П., Иванников
В.Л. – М., 1992. – 110 с.
8. Дубкова,В.И.Эпоксидныенанокомпозитынаоснове
элементосодержащих углеродных // 18 Менделеевский съезд по общей и
прикладной химии, Москва, 23–28 сент., 2007: Тезисы докладов. Т. 2. Химия
материалов наноструктуры и нанотехнологии. М.: Граница. – 2007. – С. 230.
9. Асеева, Р.М. Горение полимерных материалов: учебник / Р.М. Асеева,
Г.Е. Заиков. – М.: Химия, – 1981. – 280 с.
10. Брык М.Т. Деструкция наполненных полимеров. – М.: Химия, 1989. –
192 с.
11. Ильин А.П., Назаренко О.Б., Тихонов Д.В. и др. Гидроксидные и
оксидные порошки – эффективные пламягасящие добавки в полимеры //
Проблемы и перспективы развития Томского нефтехимического комбината:
Тез. докл. 10-го отраслевого совещания. – Томск, 1996. – С. 37.
12. Эпоксидные полимеры и композиции / Чернин И.З., Смехов Ф.М.,
Жердев Ю.В. – М. – 1982. – 232 с.
13. Кодолов В.И. Замедлители горения полимерных материалов. – М.:
Химия, 1980. – 274 с.
14. Айрапетов Г.А., Безродный О. К., Жолобов А. Л. Строительные
материалы. Учебно-справочное пособие – Издание 4-е, перераб. и доп. Феникс,
– 2009 г. – 699 c.
15. Putkhenpurakalchira Maniyan V., Nazarenko O. B. , Chandran C. S.,
Melnikova T. V. , Nazarenko S. Y. , Jin-Chun K. . Effect of electron beam irradiation
on thermal and mechanical properties of aluminum based epoxy composites //
Radiation Physics and Chemistry. – 2017 – Vol. 136. – p. 17–22.
16. Асеева Р.М., Заиков Г.Е. Снижение горючести полимерных
материалов. – М.: Знание, 1981. – 64 с.
17. ГОСТ Р 53293-2009. Пожарная опасность веществ и материалов.
Материалы, вещества и средства огнезащиты. Идентификация методами
термического анализа. – М.: Стандартинформ, 2009. – 4-6 с.
18. ГОСТ 12.1.007-76. Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. – М.:
Стандартинформ, 2007.
19. ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и
методы их определения/ – М.: Стандартинформ, 2006.
20. ГОСТ 12.0.003-2015. Система стандартов безопасности труда
(ССБТ). Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. – М.:
Стандартинформ, 2019 г.
21. Р 2.2.2006-05 Гигиена труда. Руководство по гигиенической оценке
факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация
условий труда. – Бюллетень нормативных и методических документов
Госсанэпиднадзора, Вып.3 (21), сентябрь 2005 г.
22. Безопасность жизнедеятельности: практикум / Ю.В. Бородин,
М.В. Василевский, А.Г. Дашковский, О.Б. Назаренко, Ю.Ф. Свиридов,
Н.А. Чулков, Ю.М. Федорчук. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2009. – 101.
23.СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение.
[Электронный ресурс]: – URL: https://minstroyrf.gov.ru/upload/iblock/011/Izm1-
k-SP-52.pdf, – Текст: электронный.
24. ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.:
Стандартинформ, 2008 г.
25.НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. – М.: ФГУ
ВНИИПО МЧС России, 2003 г.
26. Методикапроведенияработпокомплекснойутилизации
вторичных драгоценных металлов из отработанных средств вычислительной
техники / Государственный Комитет РФ по телекоммуникациям / 1999 г.
27. ГОСТ 12.1.038-82. Система стандартов безопасности труда (ССБТ).
Электробезопасность.Предельнодопустимыезначениянапряжений
прикосновения и токов.
28. СП 12.13130.2009. Определение категорий помещений, зданий и
наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
29. ГОСТ12.0.003-2015. Опасныеивредныепроизводственные
факторы. Классификация, 2015.
31. Lee H. and Neville K., 1967, Handbook of Epoxy Resins (New York:
McGraw-Hill), p. 960.
32. Jin F-L., Li X., Park S-J., 2015, J. Ind. Eng. Chem. 29, р. 1–11.
33. Irvine D.J., McCluskey J.A., Robinson I.M., 2000, Polym. Degrad. Stab.,
67, р. 383–396.
34. Wilkie C.A., Morgan A.B., 2010, Fire Retardancy of Polymeric Materials
(Boca Raton: CRC Press), p. 856.
35. Dasari A., Yu Z.Z., Cai G.P., Mai Y.W., 2013, Prog. Polym. Sci., 38,
р. 1357–1387.
36. Visakh P.M., Nazarenko O.B., Amelkovich Y.A., Melnikova T.V., 2015,
IOP Conf. Ser.: Mater. Sc. Eng. 81 012095.
37. Visakh P.M, Nazarenko O.B., Amelkovich Y.A., Melnikova T.V., 2016,
Polym. Adv. Technol. 27, р. 1098–1101.
38. Laoutid F., Bonnaud L., Alexandre M., Lopez-Cuesta J.M., Dubois P,
2009, Mater. Sci. Eng. R., 63, р. 100–125.
39. Arao Y., 2015, Flame retardancy of polymer nanocomposite. Flame
Retardants: Polymer Blends, Composites and Nanocomposites eds P.M. Visakh
and Y. Arao (Cham: Springer InternationalPublishing), p. 15–44.
40. Kwon Y.S., Ilyin A.P., Tikhonov D.V., Nazarenko O.B., Yablunovskii
G.V., 2003, Proceedings of the 7th Korea-Russia International Symposium on
Science and Technology KORUS’2003, vol. 1 (Ulsan: University of Ulsan),
p. 175–178.
41. Ilyin A.P., Nazarenko O.B., Tikhonov D.V., Ushakov V.Ya., Yablunovskii
G.V., 2002, Russian Phys. Journal, 45(12), p. 1176–1180.
42. Kwon Y.S., Kim J.S., Kim H.T., Lee H.K., Nazarenko O.B., Ilyin A.P.,
2004, J. Ind. Eng. Chem., 10(6), p. 949–953.
43. Nazarenko O.B., 2005, Glass Ceram, 62(11–12), p. 364–367.
44. Chen X.L., Jiao C.M., Wang Y., 2009,Express Polym. Lett., 3(6),
p. 359–365.
45. Balci S., Sezgi N.A., Eren E, 2012, Indian Eng. Chem. Res. 51,
p. 11091–11096.