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

Актуальность

К сожалению, многие особо охраняемые природные территории (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 основными коммерческим аналогом – полифосфатом аммония.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• АСМ Compact (PHYWE)
• Спектрофотометр ПЭ-5300 (ЭКРОС)
• Датчики pH (Releon Lab)
• Датчики высокой температуры (Releon Lab)
• Сульфат титанила (Aldrich)
• Н₂О₂, 34,5−36,5%-ный водный раствор (Aldrich)
• Полиакрилат натрия (Navisap)
• Аммиак, 25%-ный водный раствор (РусХим)

Описание

Автор в ходе выполнения работы:

• Выполнил всесторонний анализ имеющихся антипиренов.
• Разработал способ синтеза составов на основе нано-TiO₂, в ряде случаев модифицированного полиакрилат-ионами и/или пероксогруппами и провел 9 синтезов.

• Изучил микроморфологию поверхности всех образцов; записал и проанализировал электронные спектры поглощения наиболее значимых образцов.

• Лично изучил огнезащитные свойства составов на зубочистках и кубиках для розжига из ДСП; участвовал дистанционно в испытаниях огнетушащих свойств (на пожарной станции в Нахабино).

• Проанализовав всю совокупность данных, построил корреляции «синтез-структура-свойства», сделал выводы и на их основе продумал и начал воплощать стратегию дальнейшего развития проекта.

Метод синтеза был близок к стандартному «золь-гель» методу; также применялись методы изучения структуры: сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) и электронная спектроскопия поглощения; основной алгоритм проведения огневых испытаний осуществлялся по протоколу испытаний огнетушащего порошка Fireice (на основе полиакрилата натрия), проведённых сотрудниками МЧС в 2015 г.

Результаты работы

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

Выводы

• Впервые получена, изучена и апробирована серия антипиренов на основе нано-TiO₂∙nH₂O.

• С помощью СЗМ установлено:

- Частицы твёрдой фазы в составе всех наших антипиренов до нагревания наноразмерны.

- Золь оксида-пероксида Ti(IV) и гель полиакрилата натрия «наноструктурируют» друг друга.

- При возрастании концентрации Н₂О₂ в исходном составе перепад высот частиц в отожжённой плёнке монотонно убывает

- При действии пламени на антипирены с Н₂О₂ образуется аэрогель.

Суммируя вышеизложенное, можно сказать, что возрастание концентрации Н₂О₂ приводит к батохромному сдвигу и увеличению интенсивности полосы поглощения [TiO_x(O₂)₂–x(H₂O)_m]), а также к уменьшению агломерации частиц при 900℃, тем самым приводя к улучшению огнезащитных свойств.

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

Лауреат XII Городского Экофорума.

Призёр конференции НИТУ МИСиС «Создаём будущее вместе».

Победитель МГК-2021.

Призёр открытой городской научно-практической конференции «Старт в медицину» 2021 г.

Победитель открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 г.

Мнение автора

«Очень постараюсь сделать работу максимально полезной для ООПТ. На конференции всё понравилось»