ВСПУЧИВАЮЩИЕСЯ ОГНЕЗАЩИТНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

АННОТАЦИЯ

В настоящей работе представлены результаты комплексного исследования вспучивающихся огнезащитных полимерных композитных покрытий марки EDP-1 на основе эпоксидной смолы. Изучены состав, технология получения и функциональные свойства покрытия, направленные на повышение огнестойкости металлических конструкций. Установлено, что введение в состав покрытия металлсодержащего аддукта, ортофосфорной кислоты, гидроксида алюминия и уротропина обеспечивает формирование прочного теплоизоляционного вспененного слоя, а также способствует снижению дым образования. Применение разработанных покрытий позволяет значительно повысить предел огнестойкости металлических конструкций (до 90 минут), что подтверждается результатами испытаний по стандарту ISO 834 и требованиям ГОСТ Р 53295-2009.

ABSTRACT

The article presents the results of a comprehensive study of EDP-1 brand bulging flame-retardant polymer composite coatings based on epoxy resin. The composition, production technology and functional properties of the coating aimed at increasing the fire resistance of metal structures have been studied. It has been found that the introduction of a metal-containing adduct, orthophosphoric acid, aluminum hydroxide and urotropin into the coating ensures the formation of a durable thermal insulation foam layer, and also helps to reduce smoke formation. The use of the developed coatings makes it possible to significantly increase the fire resistance limit of metal structures (up to 90 minutes), which is confirmed by the test results according to ISO 834 and GOST R 53295-2009 requirements.

Ключевые слова: огнезащитные покрытия; вспучивающиеся композиции; эпоксидная смола; термическая защита; металлические конструкции; дым образование; огнестойкость; теплоизоляция; композиционные материалы.

Keywords: flame-retardant coatings; bulging compositions; epoxy resin; thermal protection; metal structures; smoke formation; fire resistance; thermal insulation; composite materials.

Введение. В последние годы в связи с интенсивным развитием промышленности и увеличением объёмов строительства наблюдается рост интереса к эффективным средствам огнезащиты строительных конструкций и материалов, особенно металлических. Металлоконструкции широко применяются при возведении промышленных объектов, однако низкая огнестойкость металлов, обусловленная их высокой теплопроводностью и потерей несущей способности при воздействии высоких температур, требует использования специализированных защитных покрытий [1; 2].

Среди современных подходов к обеспечению огнестойкости конструкций особое место занимают полимерные композиты и вспучивающиеся (интумесцентные) покрытия, формирующие на поверхности металла теплоизоляционный барьер. Такие покрытия способны значительно замедлить нагрев металлических элементов, предотвратить их преждевременное разрушение и тем самым сохранить устойчивость и целостность зданий и сооружений в условиях пожара на протяжении нормативно установленного времени [3; 4].

Правильный выбор и применение огнезащитных полимерных материалов требует глубокого понимания их физико-химических свойств, механизмов термического разложения и процессов образования теплоизоляционного защитного слоя. Кроме того, системный анализ влияния высоких температур на структуру и свойства строительных конструкций играет ключевую роль при разработке современных технологий повышения огнестойкости [5; 6].

Настоящая работа посвящена исследованию огнезащитных свойств полимерных композитов для металлических конструкций, а также определению их эффективности в условиях теплового и огневого воздействия. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации проектных и спасательных мероприятий при возникновении пожароопасных ситуаций.

Обсуждение полученных результатов. В современном строительстве для повышения огнестойкости широко применяются полимерные композиционные покрытия с эффектом вспучивания (интумесцентные покрытия). Особенно эффективны композиции, содержащие комбинацию добавок на основе металлов, фосфора и азота, которые при воздействии высоких температур формируют защитный теплоизоляционный слой. В рамках данного исследования были изучены новые вспучивающиеся покрытия марки EDP-1 на основе эпоксидной смолы. Установлено, что введение в состав покрытия металлсодержащего аддукта, ортофосфорной кислоты, гидроксида алюминия и уротропина значительно повышает эффективность вспучивания материала под действием температуры и стабилизирует образующийся пенистый защитный слой.

Состав и получение вспучивающегося композиционного материала марки EDP-1. В рамках настоящего исследования была разработана высокоэффективная вспучивающаяся композиция — покрытие марки EDP-1. Состав и технология его получения направлены на повышение огнестойкости материала, обеспечение высокой эффективности вспучивания и усиление процесса формирования теплоизолирующего пенистого слоя.

Технология получения: Композиция марки EDP-1 готовится в следующей последовательности: эпоксидная смола, пентаэритрит, соединения, содержащие металл и фосфор (гидроксид алюминия и ортофосфорная кислота), а также полиэтиленполиамин тщательно перемешиваются до получения однородной консистенции. Затем в смесь вводится уротропин. Далее в массовом соотношении 0,5:1:2 добавляются гидроксид алюминия, ортофосфорная кислота и карбамид (мочевина), после чего состав тщательно перемешивается. Приготовленная смесь выдерживается при комнатной температуре (20–30°С) в течение 30 минут.

Научное обоснование состава: Эпоксидная смола выполняет функцию основного связующего и конструкционного каркаса покрытия, обеспечивая его высокую механическую прочность и адгезионные свойства. Пентаэритрит, как многофункциональный спирт, способствует интенсификации процессов пиролиза, образованию пенистого защитного слоя и углеродсодержащего остатка (карбонизованного слоя). Комбинация металлсодержащего аддукта (гидроксид алюминия, ортофосфорная кислота и мочевина) представляет собой активные компоненты, обеспечивающие образование плотного углеродистого барьерного слоя в процессе вспучивания. Наличие металлических элементов усиливает термостойкость покрытия и его сопротивляемость воздействию пламени. Уротропин служит источником свободного азота при пиролизе, что ограничивает поступление кислорода в зону горения и повышает стабильность защитного слоя. Полиэтиленполиамин выполняет вспомогательную роль связующего и конструкционного стабилизатора, увеличивая механическую прочность покрытия [7].

На основе оптимальных массовых соотношений вышеперечисленных компонентов полученная композиция EDP-1 обладает следующими преимуществами: Образует интенсивно вспучивающийся и прочный пенистый слой под воздействием высокой температуры и пламени. Синергетическое действие компонентов, содержащих металл, азот и фосфор, значительно повышает эффективность огнезащиты. Покрытие обладает высокими показателями адгезии, плотности и механической стабильности. Эффективно используется для огнезащиты металлических конструкций.

В таблице 1 приведены сравнительные физико-химические показатели вспучивающегося покрытия EDP-1 с аналогами.

Таблица 1.

Физико-химические характеристики вспучивающегося покрытия марки EDP-1

Установлено, что плотность покрытия марки EDP-1 выше по сравнению с аналогом, что объясняется повышенным содержанием компонентов, содержащих металл и фосфор. Этот показатель играет ключевую роль в повышении механической стабильности покрытия и эффективности его теплоизоляционных и огнезащитных свойств.

Таблица 2.

Степень вспучивания и коэффициент адгезии композиции EDP-1

Степень вспучивания покрытия EDP-1 составляет 2650 %, что сопоставимо с показателем аналогичного материала, защищённого патентом. Остальные образцы демонстрируют несколько более низкие, но удовлетворительные результаты. Стабильный коэффициент адгезии (1 балл) обеспечивает надёжное сцепление материала с поверхностью, что способствует формированию непрерывного и прочного защитного слоя.

Добавление металлсодержащего аддукта и уротропина позволило сохранить высокую степень вспучивания покрытия. Оптимальное массовое соотношение гидроксида алюминия, ортофосфорной кислоты и карбамида (0,5:1:2) стимулирует эффективное вспучивание и образование углеродсодержащего защитного слоя под действием высоких температур. Повышенная плотность покрытия EDP-1 обуславливает его высокую структурную стабильность и повышенную огнестойкость. Под воздействием огня и высоких температур материал образует плотный пенистый слой, надёжно защищающий металлические конструкции.

В условиях высокотемпературного пиролиза наличие в составе металлов и азотсодержащих соединений способствует выделению свободного азота, что ограничивает поступление кислорода и замедляет процессы горения. Это ускоряет формирование вспучивающегося защитного слоя, эффективно изолирующего защищаемую поверхность от теплового воздействия.

Научный анализ показателей дымообразования и характеристик полимерных композитных покрытий. Дымообразование композитных полимерных покрытий с эффектом вспучивания, предназначенных для защиты металлических конструкций, является ключевым параметром при оценке их безопасности и эффективности в условиях пожара. Грамотно подобранный состав покрытия обеспечивает не только вспучивание и термическую защиту, но и способствует снижению выделения вредных дымовых продуктов.

В настоящем исследовании проведено комплексное изучение показателей дымообразования вспучивающегося композитного покрытия марки EDP-1. Испытания выполнялись в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ 12.1.044-89 и ГОСТ 21793-76. В ходе испытаний образцы покрытия исследовались при различных температурно-давленостных условиях, включая температуру 14,2°С и давление 97,7 атм.

Механизм дымообразования: Дымообразование полимерных композитов обусловлено следующими процессами: Термическое разложение полимерной матрицы приводит к выделению низкомолекулярных летучих органических соединений. В процессе пиролиза выделенные вещества вступают в реакцию с кислородом, в результате чего при высоких температурах образуются токсичные продукты горения, включая дым. При наличии в составе покрытия достаточного количества соединений фосфора, азота и металлов происходит формирование вспучивающегося защитного слоя, ограничивающего доступ кислорода и, соответственно, снижающего интенсивность дымообразования.

В соответствии с этим механизмом, композиция EDP-1 благодаря синергетическому действию таких компонентов, как гидроксид алюминия, ортофосфорная кислота и уротропин, эффективно снижает количество выделяемого дыма.

При использовании покрытия EDP-1 в количестве 10 %, коэффициент дымообразования снижается с 380 м²/кг до 347 м²/кг после обработки. Это свидетельствует о снижении интенсивности образования дыма за счёт формирования защитного вспучивающегося слоя и углеродистой структуры.

Таблица 3.

Показатели дымообразования огнезащитного композитного покрытия марки EDP-1

При увеличении содержания покрытия EDP-1 до 15 % наблюдается переход материала из категории легко воспламеняемого к трудновоспламеняемому. Коэффициент дымообразования уменьшается с 380 м²/кг до 306 м²/кг после обработки, что подтверждает эффективность модифицированного состава покрытия.

Максимально выраженный эффект снижения дымообразования достигается при содержании 19 % покрытия EDP-1. В этом случае коэффициент дымообразования снижается с 380 м²/кг до 263 м²/кг после обработки, что является оптимальным показателем. Такое снижение объёма выделяемого вредного дыма при пожаре значительно повышает безопасность окружающей среды и подтверждает высокую эффективность разработанного композиционного покрытия.

С увеличением массовой доли композиции EDP-1 наблюдается повышение огнезащитных свойств и существенное снижение коэффициента дымообразования. При содержании 19 % композиции достигается оптимальный баланс между трудновоспламеняемостью материала и минимизацией образования дыма, что подтверждает эффективность подобранного состава покрытия для повышения пожарной безопасности металлических конструкций.

На основании полученных результатов установлено, что с увеличением содержания покрытия EDP-1 наблюдается выраженное снижение коэффициента дымообразования. Это объясняется тем, что содержащиеся в составе покрытия компоненты на основе металлов, фосфора и азота эффективно ограничивают образование и выход горючих газов, образующихся при воздействии пламени.

Результаты проведённых исследований научно подтвердили, что вспучивающееся огнезащитное полимерное композитное покрытие марки EDP-1 эффективно не только с точки зрения формирования защитного вспененного слоя и термической защиты, но и за счёт снижения дымообразования при пожаре. Применение подобных покрытий имеет важное значение для обеспечения безопасности жизни людей и защиты окружающей среды на промышленных объектах, в зданиях повышенной опасности и на металлических конструкциях.

Изучение механизма образования вспучивающегося слоя, его термофизических и физико-механических свойств, а также огнестойкости вспучивающегося защитного покрытия представляет собой ключевую задачу для повышения эффективности таких материалов. В рамках исследования огнестойкости и способности к вспучиванию огнезащитных полимерных покрытий был изучен механизм действия композиционных покрытий на основе эпоксидной смолы. Этот механизм реализуется следующим образом:

При воздействии высоких температур компоненты покрытия разлагаются с выделением газов, что приводит к образованию вспененного теплоизолирующего слоя. Фосфорсодержащие соединения стимулируют карбонизацию поверхности и формирование прочного углеродного барьера. Азотсодержащие добавки способствуют выделению инертного газа (азота), что ограничивает доступ кислорода к зоне горения. Наличие металлических компонентов усиливает термическую стабильность покрытия и способствует формированию плотного, трудноразрушаемого коксового слоя.

Сочетание этих факторов обеспечивает комплексную огнезащиту металлических конструкций и строительных материалов, что делает подобные полимерные покрытия высокоэффективными средствами пожарной безопасности.

Рисунок 1. Исследование процесса вспучивания полимерного композитного покрытия (EDP-1), полученного на основе изобретательского патента IAP 07594, под воздействием температуры

Огнезащитные гофрированные покрытия наносятся в несколько слоёв в зависимости от их природы и области применения. Каждый последующий слой наносится только после полного высыхания предыдущего. Такие покрытия образуют современную систему огнезащиты, обеспечивающую защиту металлических конструкций не только от воздействия пламени и высокой температуры, но и от коррозии.

Как правило, подобные покрытия представляют собой комбинацию коррозионностойких и огнезащитных вспучивающихся покрытий, которые разрабатываются с учётом требований, предъявляемых к огнезащите металлических конструкций. В зависимости от условий эксплуатации и дизайнерских решений предлагаемые покрытия могут быть изготовлены в различных цветовых исполнениях. В основе предлагаемых огнезащитных гофрированных покрытий лежат композиции на основе эпоксидных смол, которые, как показано на рисунке, способны конкурировать с существующими аналогами. Согласно данным, полученным с применением стандартной температурной кривой, соответствующей требованиям ISO 834 (при помощи специализированного оборудования), установлено, что температура достигает 1000 °C в течение 80–90 минут. Для примера, стальная пластина марки Ст-3 нагревается до температуры 500 °C за 20 минут. В то же время, покрытия на основе эпоксидной смолы (в частности, марки EDP-1) обеспечивают достижение температуры 500 °C на защищаемой поверхности только через 60–90 минут, что подтверждает их высокую эффективность.

Эти результаты были получены на основании требований ГОСТ Р 53295-2009, регламентирующего скорость теплопередачи через защитное покрытие и её зависимость от времени воздействия огня. Проведённые испытания и анализ показали, что предлагаемые покрытия могут быть отнесены к следующим группам огнезащиты:

Группа 3 — с пределом огнезащиты до 90 минут;

Группа 4 — с пределом огнезащиты до 60 минут.

Разработанные огнезащитные покрытия на основе эпоксидных смол обладают высокой эффективностью и соответствуют современным требованиям к противопожарной защите металлических конструкций.

Заключение. Проведённые исследования показали, что вспучивающееся полимерное композитное покрытие EDP-1 обладает рядом преимуществ: Высокая степень вспучивания (до 2650 %), обеспечивающая эффективную теплоизоляцию; Стабильный коэффициент адгезии, гарантирующий прочное сцепление покрытия с металлическими поверхностями; Значительное снижение дымообразования за счёт синергетического действия азот-, фосфор- и металлсодержащих компонентов; Задержка теплопередачи и повышение времени достижения критических температур металлической основы; Соответствие современным требованиям пожарной безопасности (3-я и 4-я группы огнезащиты). Таким образом, покрытие EDP-1 может быть рекомендовано для применения в качестве высокоэффективного огнезащитного и антикоррозионного материала для защиты металлических конструкций, промышленных объектов и зданий с повышенным уровнем пожарной опасности.

Список литературы:

1. Патент РФ 2500703, МПК C09D5/18, C09D163/00, опубл. 10.12.2013.
2. Баранов, С.В., Лисицын, В.И. Огнезащитные покрытия для строительных конструкций. М.: Стройиздат, 2020. 256 с.
3. Куликов, А.И., Сидоров, П.Н. Интумесцентные материалы: свойства и применение. — СПб.: Химия, 2019. — 198 с.
4. Трофимов, В.А., Петрова, М.В. Современные полимерные композиции для огнезащиты металлоконструкций // Полимерные материалы.  2022.  №4.  С. 55–63.
5. Справочник по огнезащите строительных конструкций / Под ред. Е.А. Волкова. — М.: Академкнига, 2021. — 312 с.
6. Шайкулов Б.К., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. Анализ дериватографических результатов акриловых сополимеров // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2022. 9(99). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14176 (дата обращения: 04.07.2025).
7. Шайкулов Б.К., Нуркулов Ф.Н., Джалилов А.Т. Исследование сополимера акрил-стирол-уретан // Universum: химия и биология: электрон. научн. журн. 2022. 8(98). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/ 14106 (дата обращения: 04.07.2025).
8. Djalilov A.T., Nurkulov F. N., Medensev N.V. Epoksid smolasi asosida qovariqlanuvchi kompozitsiyasini olish usuli // Oʻzbekiston Respublikasi Adliya мazirligi Iztiro patenti № IAP 07594  29.12.2023.