Способ получения модифицированных пленок на основе поливинилового спирта
Владельцы патента RU 2355707:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный технический университет (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к технологии получения пленок на основе поливинилового спирта с повышенной огне- и теплостойкостью и может быть использовано в различных отраслях промышленности, науки и техники, сельского хозяйства. Способ включает обработку поливинилспиртовых пленок смесью 5-10%-ного водного раствора борат метилфосфита с 5-10%-ным водным раствором хитозана при их массовом соотношении 1:1 и сушку. Полученные пленки обладают повышенной огне- и теплостойкостью, являются нетоксичными, биодеградируемыми и безопасными для окружающей среды. 1 табл.
Изобретение относится к способу получения пленок на основе поливинилового спирта (ПВС) с повышенной огне- и теплостойкостью, что позволяет использовать их в различных отраслях промышленности, науки и техники, сельского хозяйства.
Известен способ химической модификации пленок на основе ПВС растворами хлоридов рения с целью придания водо-, свето-, термостойкости и устойчивой окраски [Авторское свидетельство СССР №332102, МПК C08F 27/04; опубл. 14.03.72].
Однако данный способ модификации не обеспечивает придание огнестойкости модифицируемым пленкам и продолжителен по времени.
Известен способ модификации пленок на основе ПВС путем обработки производными ортотитановой кислоты с целью придания повышенных физико-механических свойств и увеличения огнестойкости [Авторское свидетельство СССР №319614, МПК C08F 27/00; опубл. 02.11.71].
Данный способ модификации не обеспечивает значительного увеличения огнестойкости пленок и требует сложного аппаратурного оформления.
Известен способ получения пленок на основе разбавленных и умеренно концентрированных растворов смесей хитозана с ПВС [Мухина В.Р. и др. Свойства растворов и пленок смесей хитозана с поливиниловым спиртом // Высокомол. соед. Серия А, том 43, №10, 2001. - С.1797-1804].
Однако данный способ не обеспечивает получения пленок с достаточной огнестойкостью.
Известен способ модификации пленок на основе ПВС диалкилфосфитами. Пленки предварительно подвергаются дегидратации путем нагревания в течение 35 часов, в присутствии бисульфата калия как катализатора, с применением гептана в качестве растворителя и далее обрабатываются водными растворами диалкилфосфитов при комнатной температуре [Куликова О.И. и др. Изучение продуктов присоединения диалкилфосфитов к ПВС-волокну методом инфракрасной спектроскопии // Журнал прикладной химии. №10, 1967. - С.2318-2322].
Недостатками данного способа являются незначительное увеличение огнестойкости пленок, длительный по времени процесс модификации, необходимость использования сложного аппаратурного оформления и повышенных температур процесса.
Наиболее близким является способ модификации пленок на основе ПВС обработкой указанных пленок фосфорсодержащим соединением, при этом в качестве фосфорсодержащего соединения используется 5-15%-ный водный раствор борат метилфосфита, обработку проводят в течение 1-2 мин с последующей сушкой при комнатной температуре [Патент №2278874, МПК C08F 116/06; опубл. 27.06.06].
Недостатками данного способа являются недостаточная огнестойкость пленок, токсичность и крайне низкая их способность к биодеградации.
Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа химической модификации пленок на основе поливинилового спирта, позволяющего повысить огне- и теплостойкость пленок.
Техническим результатом является получение пленок на основе поливинилового спирта, обладающих повышенной огне- и теплостойкостью. При этом пленки получаются нетоксичными, биодеградируемыми и безопасными для окружающей среды.
Поставленный технический результат достигается в способе получения модифицированных пленок на основе поливинилового спирта обработкой указанных пленок водным раствором, включающим борат метилфосфита с последующей сушкой, при этом обработку проводят смесью 5-10%-ного водного раствора борат метилфосфита с 5-10%-ным водным раствором хитозана при их массовом соотношении 1:1.
Борат метилфосфита известен ранее как ингибитор горения (Патент 2278874). Используют хитозан - ТУ 6-09-05-397-75.
Наличие в составе модификатора атомов фосфора и бора, являющихся ингибиторами процессов горения и окисления, позволяет значительно повысить огне- и теплостойкость пленок на основе ПВС и способствует достижению максимального результата.
Использование смеси водного раствора борат метилфосфита с водным раствором хитозана обеспечивает повышенную теплостойкость и способность пленок выдерживать действие высоких температур за счет взаимодействия циклических структур хитозана и его функциональных групп (-NH2, -ОН, -СН2ОН) с функциональными группами борат метилфосфита (-ОН, -О-В(ОН)-, -О-Р(ОН)-О-).
Использование 5-10%-ного водного раствора борат метилфосфита наиболее оптимально, так как позволяет придавать эффект огнезащиты за счет химического взаимодействия указанных функциональных групп, при этом образуется устойчивая структура пленки с плотной упаковкой и наличием в ее структуре взаимопроникающих сеток. Увеличение концентрации водного раствора борат метилфосфита выше 10% вызывает деструкцию пленок, а снижение ниже 5% не позволяет достичь эффекта самозатухания.
Использование в смеси 5-10%-ного водного раствора хитозана придает повышенную огнестойкость пленкам при действии пламени за счет полициклической структуры хитозана и высокого содержания в нем функциональных групп и атомов азота, что обеспечивает формирование устойчивой структуры пенококса и позволяет получать нетоксичные пленки, способные после использования биодеградировать в природных условиях, не нанося вред окружающей среде. При концентрации водного раствора хитозана менее 5% замедляется процесс модификации, при концентрации выше 10% получается очень вязкая реакционная смесь, возникает сложность получения однородного гомогенного продукта.
Заявляемое массовое соотношение смеси 1:1 обеспечивает необходимое эквивалентное соотношение реакционно-способных групп хитозана и борат метилфосфита, что приводит к образованию прочных огне- и теплостойких пленок.
Надо отметить, что данный способ модификации не требует сложного аппаратурного оформления процесса, высоких температур и не продолжителен по времени.
Модификация пленок осуществляется следующим образом.
Навеску хитозана смешивают с водой и оставляют набухать и растворяться в течение 60 мин при температуре 20-25°С. Навеску борат метилфосфита растворяют в воде в течение 10 мин при температуре 20-25°С. Полученные растворы тщательно перемешивают на магнитной мешалке в течение 10-20 мин при температуре 20-25°С.
Пленки на основе ПВС обрабатывают полученной смесью в течение 2-3 мин и сушат в вакууме до постоянного веса.
Пример 1. Пленку на основе ПВС помещают на 2-3 мин в смесь 5%-ного водного раствора борат метилфосфита с 5%-ным водным раствором хитозана при их массовом соотношении 1:1, после чего сушат до постоянного веса.
Примеры 2 и 3 осуществляются аналогично примеру 1.
Полученные образцы по примерам 1-3 подвергались исследованию на стойкость к горению (ГОСТ 21793-76), прочность коксового слоя, глубину прогрева. Полученные результаты представлены в таблице 1.
Прочность коксового слоя определяли по методике, описанной в книге [Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд. / Под ред. В.Ф.Куренкова. - М.: Химия, 1990. - 304 с.].
Глубину прогрева пленок определяли с использованием методики, описанной в статье [Каблов В.Ф. Компьютерное моделирование экстремальных явлений в эластомерных материалах // Каучук и резина. - 1997. - №1, - С.8-10.].
| Таблица 1. | |||||
| Свойства модифицированных пленок на основе ПВС | |||||
| № п/п | Концентрация водного раствора борат метилфосфита, % | Концентрация водного раствора хитозана, % | Стойкость к горению | Глубина прогрева пленок при 1000°С, мм | Прочность коксового слоя, МПА |
| 1 | 5 | 5 | не восплам. | 7,8 | 2 |
| 2 | 7,5 | 7,5 | не восплам. | 7,5 | 3,0 |
| 3 | 10 | 10 | не восплам. | 7,7 | 2,8 |
| исходная пленка из ПВС | горит | 9,0 | 0,5 |
Как видно из табл.1, при выбранных концентрациях наблюдается значительное увеличение прочности коксового слоя и снижение глубины прогрева пленок, что связано с образованием пенококса, который и обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства.
Исследование горючести модифицированных пленок показывает, что в модифицированных образцах горючесть резко снижается по сравнению с исходным образцом, который при воздействии открытого пламени сгорает полностью. Модифицированные пленки на основе ПВС не воспламеняются.
Таким образом, данный способ модификации позволяет значительно повысить огне- и теплостойкость пленок на основе ПВС, не требует сложного аппаратурного оформления процесса, высоких температур и не продолжителен по времени. При этом пленки получаются нетоксичными, биодеградируемыми и безопасными для окружающей среды.
Способ получения модифицированных пленок на основе поливинилового спирта обработкой указанных пленок водным раствором, включающим борат метилфосфита с последующей сушкой, отличающийся тем, что обработку проводят смесью 5-10%-ного водного раствора борат метилфосфита с 5-10%-ным водным раствором хитозана при их массовом соотношении 1:1.
