РЕЗУЛЬТАТЫ СЭМ И ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА ВСПУЧИВАЮЩЕГОСЯ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ АНТИПИРЕНА И ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ, СОДЕРЖАЩИХ АЗОТ ФОСФОР

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены физико-химические свойства антипиренов, содержащих фосфор, азот и металлы. ИК-спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия, элементный анализ, термический анализ, изучены результаты предтестовых и послетестовых испытаний огнезащитного вспучивающегося покрытия на основе азотно-фосфорной и эпоксидной смолы.

ABSTRACT

The article deals with the physicochemical properties of flame retardants containing phosphorus, nitrogen and metals. IR spectroscopy, scanning electron microscopy, elemental analysis, thermal analysis, the results of pre-test and post-test tests of a fire-retardant intumescent coating based on nitrogen-phosphorus and epoxy resins were studied.

Ключевые слова: вспучивающиеся покрытия, огнестойкость, электронно-микроскопические исследования, элементный анализ.

Keywords: intumescent coatings, fire resistance, electron microscopic studies, elemental analysis.

Важнейшим элементом системы пожарной безопасности зданий и сооружений является противопожарная защита таких объектов, позволяющая обеспечить  повышение огнестойкости конструкций до необходимого уровня, снизить их пожароопасность, предотвратить развитие и распространение огня. Соблюдение этих требований снизит вероятность гибели и материального ущерба в результате пожаров. Одним из наиболее эффективных и недорогих способов повышения огнестойкости различных материалов является нанесение на них огнезащитных покрытий [1-2].

Основной целью различных способов огнезащиты строительных конструкций является сведение к минимуму скорости нагрева защищаемой поверхности при сохранении их прочностных свойств в течение определенного периода времени. Так, быстро нагревающиеся во время пожара металлические конструкции теряют свою несущую способность уже при 500⁰С. Трагедия 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке — наглядный пример недостаточной защиты несущих металлоконструкций [3].

Для повышения огнестойкости конструкций применяют различные материалы и способы защиты: бетонирование, оштукатуривание специальными составами, кирпичная кладка, негорючие слоистые теплоизоляционные материалы и другие.

В настоящее время покрытия вспучивающегося типа являются наиболее перспективными среди огнестойких материалов. Вспучивающаяся технология является относительно новой для защиты конструкций от возгорания, так как при пожаре поверхностный слой материала вспучивается и превращается в кокс. Образующийся пористый коксовый слой некоторое время защищает поверхность от огня и высоких температур [4].

Удобство нанесения огнезащитных вспучивающихся покрытий обусловлено, прежде всего, их тонкослойностью, отсутствием выделения токсичных веществ при нагреве, высокой огнестойкостью и легкостью нанесения на защищаемую поверхность. Такие покрытия внешне схожи с традиционными лакокрасочными покрытиями и выполняют аналогичные защитные и декоративные функции. Толщина и объем вспучивающегося покрытия увеличиваются в десятки раз за счет образования негорючего и жесткого пенопластового слоя (кокса) под действием высоких температур. Слой служит барьером от огня для нижних слоев покрытия и защищаемой поверхности, снижая теплопроводность примерно в 100 раз [5].

Противопожарная эффективность вспучивающихся покрытий зависит от различных факторов:

• эндотермическое поглощение тепла, которое расходуется на различные изменения и химические превращения ингредиентов при образовании пенококсового слоя. Одновременно выделяющиеся газообразные продукты, такие как аммиак, углекислый газ, азот, водяной пар, проходят через нагретые слои образующегося пенистого кокса, значительно охлаждая его и тем самым поглощая значительную часть энергии;
• термическое сопротивление образующегося выпуклого кокса, его теплопроводность, термостойкость, толщина, структура, твердость, кинетика и условия его получения;
• Увеличение производительности газовых продуктов и толщины слоя пены снижает количество летучих веществ, поступающих в зону горения, и снижает интенсивность теплового потока к нижним слоям покрытия. Повышение жаростойкости кокса приводит к повышению температуры его поверхности и способствует увеличению энергии нагрева. Морфология кокса влияет на его проводимость, теплопроводность, способность к горению и разложению.

Формирование набухшего слоя с оптимальными защитными свойствами при воздействии на покрытие высоких температур во многом определяется составом огнезащитного покрытия, количественным соотношением компонентов и химическими процессами, происходящими при его формировании. Поэтому знание основных функциональных свойств компонентов и химии их превращения в карбонизированные продукты является ключевым фактором для целенаправленного повышения эффективности огнезащитных покрытий [6].

В результате наших исследований были получены огнестойкие вспучивающиеся покрытия на основе азот-фосфорсодержащего антипирена и эпоксидной смолы. Морфологию поверхности изучали с применением сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), позволяющего проводить сравнение исходного материала покрытия и его остатков, образующихся при испытании на огнестойкость.

Для испытаний образцов металлизацию под электронным микроскопом получали вакуумным напылением слоя платины толщиной 10–20 нм.

Из полученных изображений видно, что вещества, содержащиеся в огнеупорном вспучивающемся композите, равномерно распределены между собой. Равномерное распределение веществ в покрытии увеличивает коэффициент вспучиваемости покрытия и повышает эффективность огнезащиты (рис. 1а, b).

Для определения количества элементов в полученном огнезащитном вспучивающемся композите были рассмотрены результаты элементного анализа (рис. 1c).

Рисунок 1. СЭМ и элементный анализ вспучивающегося покрытия на основе азота, фосфорсодержащего антипирена и эпоксидной смолы:

а) вспучивающееся покрытие; b) СЭМ-изображение покрытия; c) элементный анализ покрытия

Результаты элементного анализа для определения количества элементов в полученном огнезащитном вспучивающемся композите были проанализированы и представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты анализа вспучивающихся элементов

Экспериментальные процессы испытаний вспучивающихся покрытий проводились при температуре 800^oC. После испытания мы изучили СЭМ-изображения и элементный анализ остатка, оставшегося в покрытии (рис. 2). В ходе испытаний покрытие под воздействием тепла вспучивалось в 20 раз (2 мм) по сравнению с доэкспериментальным состоянием. Карбоновая стенка толстая, что эффективно повышает огнестойкость огнезащитного покрытия.

Рисунок 2. Электронно-микроскопическое изображение вспучивающегося покрытия после результатов испытаний и элементного анализа

Для дальнейшего изучения морфологии углеродных остатков образцы были измельчены до порошкообразного состояния, а остаток был повторно просканирован для наблюдения за внутренней структурой углерода, (табл. 2).

Таблица 2.

Элементный анализ остатка покрытия после результатов испытаний

Сканирующая электронная микроскопия и элементный анализ остаточных образцов вспучивающегося покрытия и покрытия после испытаний показывают, что полученная пена достаточно плотная и толстая, содержит элементы, устойчивые к высоким температурам. Эта вспучивающаяся структура эффективно защищает конструкции от воздействия высоких температур.

Полученное вспучивающееся покрытие на основе азота, фосфорсодержащего антипирена и эпоксидной смолы может быть рекомендовано для использования в особо опасных нефтегазовых, химических и строительных производствах.

Список литературы:

1. Нуркулов Э.Н., Сиддиков И.И., Бекназаров Х.С. Синтез и исследование огнезащитных вспучивающихся покрытий //Организационный комитет конференции. – С. 207.
2. Nurkulov E.N., Beknazarov K.Н.S., Jalilov A.T. Synthesis and study of the properties of the metal-containing oligomer antypirene obtained based on local raw materials //Scientific Bulletin of Namangan State University. – 2020. – Т. 2. – №. 3. – С. 100-103.
3. Nurkulov E.N. et al. Mathematical model of incomplete fire protective coatings based on metal-containing oligomer antipyrene //Scientific Bulletin of Namangan State University. – 2020. – Т. 2. – №. 5. – С. 19-23.
4. Натеева В.И.,  Кельдышева Л.И. Исследование  вспучивающихся  огнезащитных  покрытий  на основе  водо- и органорастворимых  пленкообразователей  с  дешевым  наполнителем// Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №15. С-50.
5. Duquesne S., Magnet S., Jama C., Delobel R., Thermoplastic resins for thin film intumescent coatings - towards a better understanding of their effect on intumescence efficiency, Polym. Degrad. Stab. 88 (2005) 63–69, https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2004.01.026.
6. Hu X., Zhu X., Sun Z., Effect of CaAlCO 3 -LDHs on fire resistant properties of intumescent fireproof coatings for steel structure, Appl. Surf. Sci. 457 (2018) 164–169, https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.06.165.