Разделы: Химия
Размещена 25.02.2024.
Просмотров - 263

Оценка влияния содержания лигнина в фенолформальдегидной смоле на огнестойкость фенольной пены

Тычинкин Илья Владимирович

Уральский государственный лесотехнический университет

Аспирант

Шишлов Олег Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры ТЦБП и ПП ФГБОУ ВО Уральский государственный лесотехнический университет; Глухих Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор, научный сотрудник ФГБОУ ВО Уральский государственный лесотехнический университет

УДК 678

Введение

Фенольные пены представляют собой твердые материалы с пустотами (ячейками), получаемые путем диспергирования пузырьков газа в полимерной матрице.

Как правило, для синтеза фенольных пенопластов используются четыре основных компонента: жидкая фенолформальдегидная смола, пенообразователь, поверхностно-активное вещество (ПАВ) и отвердитель [1].

Фенольные пены (ФП) имеют низкую плотность, как у аналогичных популярных вспененных материалов, таких как пенополиуретаны и пенополиизоцианураты. Они обладают рядом преимуществ в сравнении с конкурирующими вспененными материалами, такими, как, низкая теплопроводность и горючесть, самозатухание и выделение относительно небольшого количества дыма при горении. За счет подобных преимуществ, их применяют в различных отраслях промышленности для тепло- и звукоизоляции [2].

По сравнению с пенополиуретаном и пенополистиролом, фенольные пены считаются экологически чистыми и малотоксичными материалами. Однако, производство фенольных пен включает в себя использование фенолформальдегидных смол, прекурсорами которых являются фенол и формальдегид [3]. Очевидно, что проблемы, связанные с воздействием данного сырья на окружающую среду, а также сопутствующие вредные факторы воздействия на здоровье человека и экономические причины стали вызывать интерес к разработке смол с использованием альтернативных источников сырья, в которых соединения, такие как фенол, можно заменить материалами природного происхождения.

В последние годы природные соединения, богатые фенолами, такие как дубильные вещества, карданол, био-масло и лигнин, рассматривались с точки зрения рационального использования в качестве альтернатив фенолу в производстве фенолформальдегидных смол. В данном сегменте материалов лигнин является перспективным продуктом, благодаря своей доступности (второй по распространенности полимер на Земле) и природной полифенольной структуре (природный источник ароматических молекул). Этот сложный природный полифенольный полимер содержится в клеточных стенках растений, и его биосинтез происходит путем полимеризации трех фенилпропановых звеньев: п-кумарилового, кониферилового и синапового спиртов [4].

К теплоизоляционным материалам в современном мире предъявляют высокие требования не только по теплопроводности, но также огнестойкости и горючести. Поэтому, введение лигнина в фенолформальдегидную смолу и получение на основе такой смолы фенольных пен, может повлиять на огнестойкость готового материла, что неблагоприятно отразится на применении, ограничивая спектр возможных отраслей использования.

Методы и материалы

В данном эксперименте использовали гидролизный лигнин, который представлен в виде аморфного порошка со специфическим запахом, темно-коричневого или светло-кремового цвета, плотность которого составляет 1,20-1,47 г/см³. Молекулярная масса составляет от 5000 до 9000.

Для того чтобы оценить влияние введённого количества лигнина на огнестойкость фенольной пены была выбрана резольная фенолформальдегидная смола, которая используется в производстве вспененных композиционных материалов.

Основные показатели резольной фенолформальдегидной смолы представлены в таблице 1.

Лигнин был введен на синтезе резольной фенолформальдегидной смолы в количестве 5, 10, 15, 20% от общей массы фенола, при температуре 95⁰С, перемешивание вели до полного растворения лигнина в феноле. После с помощью ротационного испарителя смолу высушивали до необходимой вязкости. Готовая смола имела специфический запах и темно-коричневый цвет.

Образцы фенольной пены были получены в результате смешивания резольной фенолформальдегидной смолы, отвердителя и вспенивающего агента. Перемешивание всех компонентов проводили с использованием смесителя, затем готовую смесь загружали в термостатированный ящик, и выдерживали при температуре 90⁰С в течении 35 минут. Полученные блоки готового материала, имеющего различное соотношение лигнина в составе смолы, оставляли под вытяжной вентиляцией на сутки для устранения запаха и пост-отверждения.

Образцы, размером 250х250х40 мм пены, в количестве трех штук, были вырезаны из готовых блоков, чтобы изучить влияние лигнина на огнестойкость фенольной пены в количестве трех штук для каждого образца.

По ГОСТ 30244-94 «Методы испытаний на горючесть» была проведена оценка огнестойкости образца. В соответствии с данным стандартом разработано испытательное устройство, которое использовано для нанесения (воздействия) пламени на поверхность испытуемых образцов, которые устанавливались и надежно закреплялись благодаря опорной конструкции в вертикальном положении. В качестве источника воспламенения использовали стандартную бутановую горелку с регулируемым пламенем, которое подавалось от газового баллона. Горелка размещалась на подвижной опоре, наклоненной под углом около 45 градусов, и выравнивалась по центру от испытуемого образца. Опору придвигали ближе к испытуемому образцу до тех пор, пока горелка не будет находиться на высоте 4 см от нижнего края образца и на расстоянии 5 см от его поверхности. После придвижения горелки к образцу включали секундомер, который фиксировал время прогорания материала насквозь. Проводя испытание, отслеживали воспламеняемость (визуально) и наличие выделения дыма при горении. Данный опыт повторяли для каждого образца [5].

В результате эксперимента, было выявлено, что введение лигнина до 10% не оказывает значительного влияния на огнестойкость фенольной пены. Однако, увеличение количества введенного лигнина более 10% стало снижать огнестойкость фенольной пены.

В ходе испытания всех образцов, для каждого были отобраны по три одинаковых образца, было рассчитано среднее арифметическое время прогорания фенольной пены насквозь. Время прогорания фенольной пены на основе лигнинсодержащей фенолформальдегидной смолы насквозь в сравнении с образцом стандартной фенольной пены представлены в таблице 2.

Полученные данные свидетельствуют о том, что введение лигнина в состав фенолформальдегидной смолы до 10% значительного влияния на огнестойкость не оказывает. Однако, введение лигнина больше 10% в смолу, снижает показатель огнестойкости готовой фенольной пены. 

Заключение

1. Проведены испытания по изучению влияния количественного содержания лигнина в фенолформальдегидной смоле на огнестойкость готовой фенольной пены.

2. Установлено, что введение лигнина в состав фенолформальдегидной смолы до 10% значительного влияния на огнестойкость не оказывает. Однако, введение лигнина больше 10% в фенолформальдегидную смолу, снижает показатель огнестойкости готовой фенольной пены.

1. Shuting Z., Xiaodong C., Zhitian F. Using lignin degraded to synthesize phenolic foams with excellent flame retardant property // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2023. Pp. 666. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.131373
2. Elodie M., Hugo D., Filipe E.A. Engineering novel phenolic foams with lignin extracted from pine wood residues via a new levulinic-acid assisted process // International Journal of Biological Macromolecules. 2023. Pp. 248. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.125947
3. Shuxian W., Zhuo L., Caiying B. Design lignin doped with nitrogen and phosphorus for flame retardant phenolic foam materials // Reactive & Functional Polymer 2023. Pp. 185 https://doi.org/10.1016/j.reactfunctpolym.2023.105535
4. Pattaraporn S., Sutasinee N., Somnuk T. Comparison of dehydration methods for untreated lignin resole by hot air oven and vacuum rotary evaporator to synthesize lignin-based phenolic foam// Heliyon. 2022. Pp. 8. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2022.e08769
5. Тычинкин И. В. Влияние полифосфата аммония на огнестойкость лигнинсодержащей фенольной пены // Effect of ammonium polyphosphate on the fire resistance of lignin-containing phenolic foam / И. В. Тычинкин, О. Ф. Шишлов, В. В. Глухих. – Текст: электронный // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: труды XVII Международного евразийского симпозиума 13–16 сентября 2022 г. / под науч. ред. В. Г. Новоселова; Министерство науки и высшего образования РФ; Уральский государственный лесотехнический университет; Министерство промышленности и науки Свердловской области [и др.]. – Екатеринбург, 2022. – С. 157–161.

Рецензии:

25.02.2024, 18:01 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: В устройствах с огнезащитной функцией используются пенопластовые материалы на основе фенольных смол. Основным сырьем для производства фенольных смол являются фенол и формальдегид с низкой безопасностью и высокой стоимостью. В статье [https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0927775723004570] показано, что фенол был частично заменен лигнином для синтеза более безопасной смолы. Фенольную смолу вспенили для получения сотового изоляционного материала, который мог бы улучшить экологию окружающей среды и снизить стоимость изоляционных плит. Количество добавляемого отвердителя составляло 20% от массы фенольной смолы, а дозировка бикарбоната натрия составляла 1,5% от массы смолы. Полученный образец показал лучший эффект при вспенивании при температуре 110 ℃. Статья "Оценка влияния содержания лигнина в фенолформальдегидной смоле на огнестойкость фенольной пены" имеет актуальность. Статью рекомендую к публикации после доработки с описанием научной новизны статьи.

1.03.2024, 21:05 Балтаева Мухаббат Матназаровна
Рецензия:  Статья содержит сведения об исследовании влияния количественного содержания лигнина в фенолформальдегидной смоле на огнестойкость фенольной пены. Проведены испытания на огнестойкость фенольной пены на основе лигнинсодержащей фенолформальдегидной смолы с содержанием 5, 10, 15, 20% лигнина в составе, а также без него. Отмечено, что фенольная пена карбонизируется в процессе горения, выделяет небольшое количество дыма. Введение лигнина в состав фенолформальдегидной смолы до 10% значительного влияния на огнестойкость не оказывает. Однако, введение лигнина больше 10% в смолу, снижает показатель огнестойкости готовой фенольной пены. Непонятно, почему введение лигнина больше 10% в смолу, снижает показатель огнестойкости готовой фенольной пены. А после, введение лигнина с содержанием 15, 20% происходит рост показателя огнестойкости готовой фенольной пены. Статья получила бы более научный смысл, если рассматривались химические связи между лигнином и фенолформальдегидной смолы. Статья "Оценка влияния содержания лигнина в фенолформальдегидной смоле на огнестойкость фенольной пены" актуальная и статью рекомендую к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий