Проекты

Получение и изучение новых антипиренов, модифицированных нано-TiO2∙nH2O

Работа победителя конкурса «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная химия, физическая химия» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 2065
Предметы: Химия, Экология, ОБЖ
Классы: 9 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Увы, многие ООПТ каждую весну горят. Это опасно и для природы, и для здоровья людей. Основные антипирены – полифосфат аммония и полиакрилат натрия – при низкой концентрации малоэффективны, а при высокой – слишком вязки для подачи через стандартный отечественный ранцевый лесной огнетушитель (РЛО). Мы предложили решение: подавать через РЛО промежуточный продукт перехода титаноксидного золя в гель, чтобы он окончательно становился гелем уже на защищаемой поверхности.

Цель

Получение и изучение нового класса огнетушащих и огнезащитных полититанатных наноматериалов.

Задачи

  1. Получить гели полититаната аммония, в ряде случаев с полиакрилатом натрия и /или H2O2.
  2. Изучить структуру полученных образцов: вид электронных спектров поглощения и микроморфологию (основной метод – сканирующая зондовая микроскопия).
  3. На основании характеристик смеси золя оксида-пероксида Ti(IV) с гелем полиакрилата натрия проанализировать взаимное влияние коллоидов и установить корреляции «синтез−структура−свойства» для поиска инструментов направленного получения составов, оптимальных в каждой конкретной ситуации.
  4. Сопоставить огнетушащие и огнезащитные свойства полученных образцов с основным коммерческим аналогом – полифосфатом аммония.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • АСМ Phywe Compact
  • Спектрофотометр ЭКРОС
  • Датчики ph, температуры Releon Lab
  • Сульфат титанила, 34.5−36.5%-й Н2О2 (Aldrich)
  • Полиакрилат натрия (Navisap), 25%-й раствор аммиака (Русхим)

Описание

  1. автор выполнила всесторонний анализ имеющихся антипиренов;
  2. разработала способ синтеза составов на основе нано-TiO2, в ряде случаев модифицированного полиакрилат-ионами и/или пероксогруппами, и провела 9 синтезов;
  3. изучила микроморфологию поверхности всех образцов; записала и проанализировала электронные спектры поглощения наиболее значимых образцов;
  4. лично изучила огнезащитные свойства составов на зубочистках и кубиках для розжига из ДСП; поучаствовала дистанционно в испытаниях огнетушащих свойств (на пожарной станции в Нахабино);

   5. проанализировав всю совокупность данных, построила корреляции «синтез-структура-свойства», сделала выводы и на их основе продумала и начала воплощать стратегию дальнейшего развития проекта;

    6. метод синтеза близок к золь-гель;

    7. методы изучения структуры:

  • СЗМ и электронная спектроскопия поглощения;
  • основной алгоритм проведения огневых испытаний – по протоколу испытаний огнетушащего порошка Fireice (полиакрилат натрия), проведённых сотрудниками МЧС в 2015 г.

Результаты работы/выводы

Основной результат: при взаимодействии титаноксидных наночастиц и полиакрилатного геля образуется частично наноструктурированный гель, который сначала легко подаётся через РЛО, а потом эффективно тушит или защищает от огня.

Выводы:

1. Впервые получена, изучена и апробирована серия антипиренов на основе нано-TiO2nH2O.

2. С помощью СЗМ установлено следующее:

а) частицы твёрдой фазы в составе всех наших антипиренов до нагревания наноразмерны;

б) золь оксида-пероксида Ti(IV) и гель полиакрилата натрия «наноструктурируют» друг друга;

в) при c(Н2О2)↑ в исходном составе перепад высот частиц в отожжённой плёнке монотонно убывает; при действии пламени на антипирены с Н2О2 образуется аэрогель.

3. Суммируя: c(Н2О2)↑ ⇒ {батохромный сдвиг и увеличение интенсивности полосы поглощения [TiOx(O2)2–x(H2O)m]), уменьшение агломерации частиц при 900°С} ⇒ улучшение огнезащитных свойств.

4. Работоспособность антипиренов доказана; получены отзывы; начато применение на ООПТ.

Перспективы использования результатов работы

Доработать способ синтеза из легко транспортируемых твёрдых реагентов; попробовать сертифицировать составы на экобезопасность.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИТУ МИСиС

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

  • XII Городской Экофорум – лауреат;
  • Конференция НИТУ МИСиС «Создаём будущее вместе» – призёр;
  • МГК-2021 – победитель;
  • Открытая городская научно-практическая конференция «Старт в медицину» 2021 г. – призёр;
  • Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 2021 г. – победитель.

Мнение автора о своей работе, проекте «Инженерный класс в московской школе», конференции «Инженеры будущего», пожелания

«Очень постараюсь сделать работу максимально полезной для ООПТ. Проекту «Инженерный класс» признательна за высококлассное оборудование, прежде всего – АСМ. На конференции всё понравилось. Пожелание: сохранение традиций конференции»