КОМПОЗИЦИОННЫЕ ОГНЕУСТОЙЧИВЫЕ МАТЕРИАЛЫ: СИНТЕЗ, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

АННОТАЦИЯ

В данной статье изучены и проанализированы научно-техничекие данные  в области синтеза огнезащитных материалов, предназначенных для применения в строительных конструкциях и других отраслях промышленности. Выявлено, что наряду с положительными характеристиками они имеют определённые специфические и технологические недостатки. Так, при разработке таких материалов для строительных конструкций практически недостаточно учтены их адгезионные, огнезащитные и другие важнейшие физико-механические свойства, особенно при работе в агрессивных условиях, определяющих работоспособность и долговечность подобного рода сырья. Проведен анализ применения серпентинитовых, вермикулитовых и базальтовых горных пород в качестве сырьевого компонента для производства композиционных огнеустойчивых материалов. Разработан эффективный состав композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного сырья и отходов производств, обеспечивающий высокий уровень огнестойкости и долговечности.

ABSTRACT

This article examines and analyzes scientific and technical data in the field of the synthesis of flame-retardant materials intended for use in building structures and other industries. It has been revealed that along with their positive characteristics, they have certain specific and technological disadvantages. Thus, when developing such materials for building structures, their adhesive, flame-retardant and other important physical and mechanical properties are almost insufficiently taken into account, especially when working in aggressive conditions that determine their performance and durability. Thus, when developing such materials for building structures, their adhesive, flame-retardant and other important physical and mechanical properties are almost insufficiently taken into account, especially when working in aggressive conditions that determine their performance and durability. The analysis of the use of serpentinite, vermiculite and basalt rocks as a raw material component for the production of composite refractory materials is carried out. An effective composition of composite fire-resistant materials based on local raw materials and industrial waste has been developed, providing a high level of fire resistance and durability.

Ключевые слова: вермикулитовая порода, серпентинит, микрокремнезём, Na-карбоксиметилцеллюлоза, жидкое стекло, композиционный огнеустойчивый материал, огнезащитные свойства, плотность.

Keywords: vermiculite rock, serpentinite, microsilica, Na-carboxymethylcellulose, liquid glass, composite refractory material, fire-retardant properties, density.

Введение. Одной из важнейших задач в строительстве по пожарной безопасности является разработка новых эффективных составов экологически безопасных композиционных огнеустойчивых материалов, с высокими эксплуатационными и технологическими показателями. Разработанные составы композиционных огнезащитных материалов, включая технологические аспекты огнезащиты, должны обеспечивать долговечность и отвечать экологическим требованиям, а также определяющим фактором является соответствие материала нормативным требованиям пожарной безопасности [1; 7].

Для защиты строительных материалов от возгорания используют, такие огнеустойчивые материалы, которые будут оказывать огнезащитное воздействие, сдерживающее развитие процессов горения до температуры воспламенения строительных и конструкционных сырьевых видов [3].  

На сегодняшний день во многих исследовательских работах, посвященных производству огнеустойчивых материалов в качестве сырьевого компонента, используют силикатные вермикулитовые, серпентинитовые и базальтовые горные породы. Эти силикатные горные породы эффективно противостоят возгоранию, отличаются повышенными свойствами теплосбережения и являются относительно безопасными для человека и окружающей среды [1; 11].

Важными аспектами при разработке новых эффективных композиционных огнезащитных составов для строительных конструкций выступают технологичность их изготовления, а также доступность и дешевизна исходного сырья. Одним из направлений решения этой задачи является вовлечение в производство вторичных минеральных ресурсов.

Следовательно, наиболее перспективные направления утилизации промышленных отходов – это их использование в производстве строительных материалов, что позволяет удовлетворить потребности в сырье почти на 40 % от требуемого объёма. Применение отходов производств позволяет на 30 % снизить затраты на изготовление строительных материалов по сравнению с производством их из природного сырья, и экономия капитальных вложений при этом составляет 35–50 % [8].

В последние годы на территории АО «Узметкомбината» накоплен ряд крупнотоннажных отходов промышленности, которые обладают стабильным химическим составом и физическими свойствами, определяющими основные направления их применения. Использование местных сырьевых ресурсов позволит расширить номенклатуру и снизить стоимость огнезащитных композиций за счет применения доступных компонентов, эксплуатационные показатели которых не уступают, а иногда и превосходят свойства традиционно применяемых материалов.

Многолетняя практика показывает, что жидкое стекло является наиболее распространенным и широко используемым связующим для огнезащитных составов, соответствует всем требованиям по экологии, сырьевой обеспеченности и возможности применения низкозатратных технологий. При температурном воздействии жидкое стекло образует вспучивающийся пенный слой с низкой теплопроводностью, что позволяет в совокупности со специальными добавками получить определенный уровень огнезащитных свойств [1].

В качестве связующего при производстве огнезащитных покрытий использовали жидкое стекло, изготовленное по низкозатратной технологии и для модификации жидкого стекла, использовали микрокремнезем – отход АО «Узметкомбината», что позволило значительно улучшить свойства исследуемого материала. Все необходимые сухие компоненты предварительно высушены и измельчены до остатка 50 % на сите № 008. Вермикулит с серпентинитом растворяли в ортофосфорной кислоте и нейтрализовали гидроксидом натрия. Таким образом, удалось повысить активность и, следовательно, растворимость минеральной составляющей жидкого стекла, что положительно повлияло на адгезионную способность огнезащитной композиции. При этом для приготовления композиционных огнеустойчивых материалов использовали жидкое стекло с плотностью ρ=1,40г/см³ как обеспечивающими наилучшие показатели огнезащитной эффективности [6].

Исследования показали, что эффективность огнезащиты строительных конструкций зависит от плотности жидкого стекла и чем выше плотность силиката натрия, тем выше огнезащитная эффективность образцов. Высокие огнестойкие результаты получены при плотности жидкого стекла 1,4–1,45–1,53 г/см³, потеря массы образцов при воздействии огня соответственно равны 7,4–7,0–6,5 %. Силикат натрия с плотностью выше 1,53 г/см³ имеет тягучую консистенцию и непригоден для использования в качестве компонента огнеустойчивых материалов [2; 5; 10].

Химическая стойкость композиционных огнеустойчивых материалов характеризует их способность не разрушаться в результате химического воздействия агрессивных сред. В процессе взаимодействия композиционных огнеустойчивых материалов с агрессивной средой происходит его механическое истирание и их химическое взаимодействие, в результате чего уменьшается толщина футеровки. На границе огнеустойчивого материала образуется расплав, проникающий в футеровку и образующий с ней метаморфический слой [4].

В таблице 1 приведено влияние плотности силиката натрия на эффективность огнезащиты разработанных образцов.

Таблица 1.

Влияние плотности силиката натрия на эффективность огнезащиты разработанных образцов

В исследованиях по разработке эффективных составов композиционных огнезащитных покрытий использовали 10 %-ный раствор вермикулита и серпентинита в ортофосфорной кислоте.

В качестве «добавки» использовали микрокремнезём и натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ). Для изучения зависимости огнезащищённости строительных конструкций от концентрации серпентинита и водного раствора Na-КМЦ, готовили композиции, состоящие из вспученного вермикулита (20–28 %), серпентинита (5–20 %), микрокремнезёма (10 %) и 12 % водного раствора Na-КМЦ (5 %). Подготовленные деревянные образцы покрывали составом толщиной слоя 1мм и после полного высыхания, определяли огнестойкие свойства.

Исследования показали, что эффективность огнезащиты деревянных образцов зависит от концентрации Na-КМЦ и серпентинита. При понижении и повышении концентрации Na-КМЦ и серпентинита, композиция получается слишком жидкой или густой, плохо перемешивается со вспученным вермикулитом и микрокремнезёмом, ложится на поверхность неровно, образуя комки. Нормальную консистенцию имеет состав, полученный на основе 5 % водного раствора Na-КМЦ (низковязкий), и данная композиция ровно ложится на поверхность образца, потеря массы образцов при огневом испытании, покрытых этим составом равна 8,9 %. Полученные результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Влияние концентрации Na-КМЦ на эффективность огнезащиты образцов

На основе вышеприведенных исследований, изучая физико-химические, механические и технологические свойства выбранных органоминеральных ингредиентов нами были разработаны эффективные составы композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного сырья и отходов производств.

Подбор состава огнезащитных покрытий проводили на композициях, состоящих из вспученного вермикулита и серпентинита с добавлением 5 % водного раствора натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы и микрокремнезёма. Для получения покрытий нормальной консистенции, в массу вводили пластификатор С-3 и для улучшения адгезии покрытия с поверхностью деревянных и металлических конструкций, в композицию вводили неионогенный ПАВ в пределах от 0,5 до 1,5 %.

В таблице 3 приведены разработанные новые эффективные составы композиционных огнеустойчивых материалов на основе местного сырья и отходов производств. Разработанные эффективные составы композиционных огнеустойчивых материалов условно обозначали – КОУМ.

Таблица 3

Разработанные эффективные составы композиционных огнеустойчивых материалов

Композиционные огнезащитные покрытия готовили в следующей последовательности: расчетное количество 10 %-ного раствора молотого вспученного вермикулита и серпентинита, перемешивали в шаровой мельнице с микрокремнезёмом, затем добавляли расчетное количество 5 % водного раствора Na-КМЦ. Пластификатор С-3, ПАВ и жидкое стекло перемешивали отдельно в ёмкости до получения однородной массы. Затем смешивали обе композиции до образования однородной консистенции. Приготовленными композиционными огнеустойчивыми покрытиями крыли деревянные и металлические образцы размером 150x60x30 мм. После естественной сушки в течение 16 часов, образцы подсушивали в сушильном шкафу при температуре 40°С.

Далее были исследованы важнейшие физико-механические и эксплуатационные свойства разработанных композиционных огнеустойчивых материалов. Одним из основных требований, поставленных для композиционных огнеустойчивых покрытий является их адгезионная прочность. Адгезионная прочность композиционных огнеустойчивых покрытий определяли методом Х-образного надреза и визуальной оценке состояния покрытия по 4-балльной системе, так как данный метод используется на покрытиях любой толщины.

На рисунке 1 представлена зависимость адгезионной прочности от содержания серпентинита при нанесении состава в 3 слоя.

Рисунок 1. Зависимость адгезионной прочности композиционных огнеустойчивых покрытий от содержания серпентинита

Из графической зависимости видно, что наилучшая адгезия наблюдается при 15 % содержании серпентинита в составе композиции.

На рисунке 2 представлена зависимость содержания серпентинита на огнезащитную эффективность при нанесении покрытия в 3 слоя.

Рисунок 2. Зависимость содержания серпентинита на огнезащитную эффективность при нанесении покрытия в 3 слоя

Из графической зависимости (рисунок 2) видно, что потери по массе уменьшаются с увеличением содержания серпентинита до 20 %, и общие потери по массе не превышают 8,9 %, что говорит о соответствии I группе огнезащитной эффективности состава. Небольшое увеличение потерь по массе может быть следствием повышения плотности состава и снижения теплопроводности. Увеличение содержания серпентинита от 5 до 20 % ведет к снижению потерь по массе.

На рисунке 3 представлена зависимость адгезионной прочности композиционных огнеустойчивых покрытий от количества слоев нанесения.

Рисунок 3. Зависимость адгезионной прочности композиционных огнеустойчивых покрытий от количества слоев нанесения

Из рисунка 3 видно, что адгезионная прочность композиционного огнезащитного покрытия улучшается с нанесением до 3 слоев при среднем и максимальном содержании серпентинита в составе композиции. Это явление можно объяснить предположением, что при нанесении трех слоев происходят сокращение протяженности сквозных пор при высыхании, повышение сил сцепления, упрочнение пористого слоя и, как следствие, повышение адгезионной прочности огнеустойчивой композиции.

Полученная огнеустойчивая композиция на основе жидкого стекла, вспученного вермикулита, микрокремнезёма с использованием в качестве огнестойкого наполнителя серпентинита и добавки ПАВ с пластификатором С-3 позволяет обеспечить пористое покрытие с повышенной адгезионной прочностью, вспучивающееся при воздействии высоких температур и обеспечивающее соответствие I группе огнезащитной эффективности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, разработан эффективный состав огнеустойчивой композиции для применения в строительной отрасли промышленности. Установлено, что на химическую устойчивость композиционных огнеустойчивых материалов влияет не только состав огнеустойчивых композиций, но и воздействующая на них агрессивная среда, истинная пористость композиционного огнеустойчивого материала, температура процесса и вязкость композиционных огнеустойчивых материалов.

Показано, что введение микрокремнезёма в качестве наполнителя в состав разработанных композиционных огнеустойчивых покрытий способствует повышению огнезащитных свойств покрытий за счет формирования плотного вспученного слоя на поверхности строительных конструкций при действии огня.

Установлено, что, проводя исследование современными методами физико-химического анализа, был обоснован состав и качество разработанного композиционного огнеустойчивого материала, который отвечает требованиям, поставленным к строительным материалам и конструкциям по пожарной безопасности.

Список литературы:

1. Арифов П.А., Андронова В.И., Таджиев К.Ф., Арифов П.А. Вспучивающие огнезащитные краски серии ВПК // Строительные материалы. – Москва, 2007. – № 11. – С.70–72.
2. Белых С.А., Лебедева Т.А., Зайцева Ю.В., Красичкова К.В. Оптимизация свойств жидкого стекла для получения жаростойких ячеистых материалов // Актуальные проблемы современного строительства. Строительные материалы и конструкции: материалы междунар. научно-техн. конф. Пенза, 2005. – С. 252–256.
3. Белых С.А., Новоселова Ю.В., Скоков Д.В. Тонкодисперсные отходы промышленности при получении огнезащитного покрытия для древесины // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов: материалы II всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. –Пенза, 2007. – С. 367–370.
4. Еремина Н.В. Огнезащитные композиции на основе жидкого стекла и механически активированных оксидов алюминия и магния: автореф. дис. … канд. тех. наук. – Томск, 2007. – 19 с.
5. Зарецкая Ю.В. Виды огнезащитных материалов // Молодой ученый. – 2020. – № 20 (310). – С. 177–179. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://moluch.ru/archive/310/70145. (дата обращения: 12.05.2025).
6. Кадырова З.Р., Пирматов Р.Х., Эминов А.А. Перспективные сырьевые ресурсы Узбекистана для получения огнеупорных материалов // Новые огнеупоры. – 2019. – № 7. – С. 8–11. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-7-8-11.
7. Руми М.Х., Уразаева Э.М. Структурные и технологические свойства вспученного вермикулита при получении высокотемпературной теплоизоляции // Новые огнеупоры. – 2022. – № 5. – С. 79–86.
8. Сокорев А.А., Мишуров С.С., Наумова Е.А., Летягин Н.В. Исследование гранулометрического состава промышленных отходов для литейного производства // Цветные металлы. – 2018. – № 12. – С. 63–68.
9. Юнусов М.Ю., Алимов Б.Б. Исследование пригодности местного минерального сырья в качестве основы огнезащитных материалов // Современные проблемы экологии и охраны окружающей среды и биотехнологии: материалы междунар. конф., г. Ташкент, 15–16 июня 2022. – С. 1066–1068.
10. Юнусов М.Ю., Алимов Б.Б., Камолов Л.А. Разработка огнезащитных покрытий на основе местного сырья // Современные решения по предупреждению и эффективному ликвидации чрезвычайных ситуаций в научных исследованиях в области точных и естественных наук: сб. материалов науч.-практ. конф. в Академии Министерства по чрезвычайным ситуациям, 30 октября 2024 г.– С. 176–180.
11. Akramov X.A., Ganiyev A. (2022). To Produce an Effective Composition of Vermiculite Plita and to Study the Coefficient of Thermal Conductivity // The Peerian Journal. – 2022. – Vol. 8. – Рр. 29–37.