АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВСПУЧИВАЮЩИХСЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ, СОДЕРЖАЩИХ АЗОТ-ФОСФОРНЫЕ АНТИПИРЕНЫ И ЭПОКСИДНЫЕ СМОЛЫ

УДК 66.01

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты инфракрасного спектрального анализа азот- и фосфорсодержащего антипирена, впервые полученные с использованием спектрофотометра IRAffinity-1S (SHIMADZU). Целью работы является исследование физико-химических свойств и эффективности вспучивающихся огнезащитных покрытий на основе азот- и фосфорсодержащих антипиренов и эпоксидных смол, а также оценка их защитного действия при воздействии высоких температур. В работе рассмотрен механизм формирования огнезащитного покрытия на основе азотных и фосфорсодержащих антипиренов, а также эпоксидных смол. Кроме того, предложена экспериментальная методика оценки огнезащитных свойств покрытий, применяемых для металлических изделий и конструкций. В лабораторных условиях проводились испытания образцов металлических пластин как с нанесённым вспучивающимся композиционным покрытием, так и без него.

Результаты исследования показали, что при нагревании металлической пластины до высокой температуры в течение 17 минут её прочностные характеристики снижаются и достигают критического уровня. На аналогичную металлическую пластину был нанесён слой вспучивающегося огнезащитного покрытия толщиной 2 мм. Эксперимент показал, что в этом случае достижение критической температуры металла происходит лишь через 50 минут.

При увеличении толщины защитного слоя до 4 мм в процессе испытаний было установлено, что температурные изменения и деформационные процессы в пластине начинают проявляться только примерно на 80-й минуте нагревания, что свидетельствует о повышении эффективности огнезащитного покрытия.

ABSTRACT

The article presents the results of infrared spectroscopic analysis of a nitrogen- and phosphorus-containing flame retardant, obtained for the first time using the IRAffinity-1S (SHIMADZU) spectrophotometer. The aim of the study is to investigate the physicochemical properties and effectiveness of intumescent fire-retardant coatings based on nitrogen- and phosphorus-containing flame retardants and epoxy resins, as well as to evaluate their protective performance under high-temperature exposure.

The study examines the mechanism of formation of fire-protective coatings based on nitrogen- and phosphorus-containing flame retardants and epoxy resins. In addition, an experimental methodology is proposed for evaluating the fire-retardant properties of coatings used for metal products and structures.

Under laboratory conditions, tests were carried out on metal plate samples both with and without an applied intumescent composite coating.

The results showed that when a metal plate is heated to a high temperature for 17 minutes, its strength characteristics decrease and reach a critical level. When an intumescent fire-retardant coating with a thickness of 2 mm was applied to a similar metal plate, the critical temperature of the metal was reached only after 50 minutes.

When the thickness of the protective layer was increased to 4 mm, it was found during testing that temperature changes and deformation processes in the plate began to appear only around the 80th minute of heating, which indicates an increase in the effectiveness of the fire-retardant coating.

Ключевые слова:, огнестойкость, вспучивающееся покрытие, термический анализ, азот, фосфор,  металл, покрытие.

Keywords: fire resistance, intumescent coating, thermal analysis, nitrogen, phosphorus, metal, coating.

Введение.

В статье представлены результаты инфракрасного спектрального анализа азот- и фосфорсодержащего антипирена, впервые полученные с использованием спектрофотометра IRAffinity-1S (SHIMADZU). Целью работы является исследование физико-химических свойств и эффективности вспучивающихся огнезащитных покрытий на основе азот- и фосфорсодержащих антипиренов и эпоксидных смол, а также оценка их защитного действия при воздействии высоких температур.

В работе рассмотрен механизм формирования огнезащитного покрытия на основе азотных и фосфорсодержащих антипиренов, а также эпоксидных смол. Кроме того, предложена экспериментальная методика оценки огнезащитных свойств покрытий, применяемых для металлических изделий и конструкций.

В лабораторных условиях проводились испытания образцов металлических пластин как с нанесённым вспучивающимся композиционным покрытием, так и без него.

Результаты исследования показали, что при нагревании металлической пластины до высокой температуры в течение 17 минут её прочностные характеристики снижаются и достигают критического уровня. На аналогичную металлическую пластину был нанесён слой вспучивающегося огнезащитного покрытия толщиной 2 мм. Эксперимент показал, что в этом случае достижение критической температуры металла происходит лишь через 50 минут.

При увеличении толщины защитного слоя до 4 мм в процессе испытаний было установлено, что температурные изменения и деформационные процессы в пластине начинают проявляться только примерно на 80-й минуте нагревания, что свидетельствует о повышении эффективности огнезащитного покрытия.

Методология исследования

В результате наших научных исследований получены огнестойкие полимерные композиционные покрытия на основе азотных, фосфорсодержащих антипиренов и эпоксидной смолы. Антипирен полуенный на основе созданного вспучивающегося покрытия на основе аммофоса, мочевины, оксида алюминия и уротропина изучен ИК-спектральным анализом. Кроме того, в результате тестовых испытаний определено, что механизм вспучивания полученного вспучивающегося покрытия в результате термообработки, по ГОСТу предлагаемые в 7 группе покрытия относятся к группам 4 и 5. Полученные составы вспучивающихся покрытий анализировали дифференциально-термогравиметрическим методом, определяемым на дериватографе, работающем в системе ДТГ-60/(ШИМАДЗУ). Этот метод основан на изменении теплового действия соединений в интервале температур 293-793 К, когда скорость подъема температуры составляет 2-5 К/мин.

Анализы и результаты

В ИК-спектре металлсодержащего олигомера, кривые поглощения образованные колебаниями группы (–N–Н) находятся в валентности -3450 см¹, в валентности 1660 см^-1 группа (–С=N), в 1588 см^-1 группа (–С–N=O) образует ассиметричные колебания, в валентности 1444 см^-1 группа (–CH₂ ), в 1356 см-1 группа (–CH₃ ), в 1252 см^-1 (–P=O) образует ассиметричные колебания, в 1130 см^-1 группа (–С–ОH) образует симметричные колебания, в 1044 см -1 группа (–С–О–C–) образует симметричные колебания, в 1022см -1 группа (–Р–О–C).

На рисунке 1 приведён внешний вид вспучивающихся покрытий после испытаний.

Рисунок 1. Состояние покрытия, полученного на основе азотных, фосфорсодержащих соединений и эпоксидной смолы, нанесенного на поверхность металла до и после испытаний

Изучение механизма образования огнестойкого пено-коксового слоя, его теплофизических и физико-механических свойств, а также огнестойкости является важным. Тонкослойная поверхность вспучивающегося покрытия нагревается под действием теплового потока пламени, а высокий коэффициент вспучивания зависит от интенсивности теплового потока и свойств компонентов композита (Рис.2).

Рисунок 2. Термостойкость вспучивающегося покрытия на основе азота, фосфорсодержащего антипирена и эпоксидной смолы

Анализ кривой динамического термогравиметрического анализа (ТГА) показывает, что кривая ТГА возникает в основном между двумя температурами интенсивного разложения. Первый интервал разложения соответствует температуре 63-537⁰С, а 2-й интервал разложения соответствует температуре 540-790⁰С.

Анализы показывают, что интенсивное разложение происходит в первом интервале разложения. За этот период происходит разложение до 62%.

Подробный анализ кривой динамического термогравиметрического анализа и кривой ДСК приведен в таблице ниже.

Таблица 1.

Анализ результатов ДТГА и ДСКЭгри линейки вспучивающегося покрытия на основе азота, фосфорсодержащего антипирена и эпоксидной смолы

Эти дериватографические исследования показывают, что основная потеря массы происходит в интервале 100-750°С, при котором теряется 84% основной массы, т.е. 10 мг массы. Никаких изменений не наблюдается после 790^oC. Масса остается прежней.

Вывод

В данном исследовании изучены физико-химические свойства и термостойкость вспучивающихся огнезащитных композиционных покрытий на основе азот- и фосфорсодержащих антипиренов и эпоксидных смол. Результаты ИК-спектрального анализа, выполненного с использованием спектрофотометра IRAffinity-1S (SHIMADZU), подтвердили наличие в составе синтезированного антипирена функциональных групп N–H, C=N, C–N=O, P=O и P–O–C, что свидетельствует о сложной структуре материала.

Проведённые термические исследования (ТГ и ДТА) показали, что основной процесс разложения материала протекает в интервале 100–750°C, при котором суммарная потеря массы составляет около 84%. При этом вспучивающееся покрытие при высокотемпературном воздействии формирует устойчивый пенококсовый слой, эффективно защищающий металлическую поверхность от теплового воздействия.

Лабораторные испытания показали, что увеличение толщины покрытия (с 2 мм до 4 мм) значительно увеличивает время достижения критической температуры металла (с 50 до 80 минут), что подтверждает повышение его огнезащитной эффективности.

В целом полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности вспучивающихся огнезащитных покрытий на основе азот- и фосфорсодержащих антипиренов и эпоксидных смол, а также о целесообразности их применения для защиты металлических конструкций в строительной, нефтегазовой и химической промышленности с экологической и экономической точки зрения.

Список литературы:

1. E.A. Vohidov, F.N. Nurkulov, A.T. Jalilov, Investigation of the physical and chemical properties of metal-containing fire-retardant coatings // Scientific Bulletin of Namangan State University, Namangan 2021. No. 9, P.-98-104
2. Nurkulov E.N., Beknazarov K.H.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, Vol. 2, No. 3, Pp. 100-103. (In Russ.).
3. Khalturinsky N.A., Krupkin V.G. [On the mechanism of formation of fire-retardant foaming coatings] // Pozharobezopasnost, 2011, Vol. 20, No. 10, P. 33.
4. 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.
5. N. A. Khalturinsky, V. G. Krupkin on the mechanism of formation of fire-protective intumescent coatings// Fire Safety 2011. Vol. 20. No. 10. p-33.
6. Nateeva V.I., Keldysheva L.I. [Investigation of foaming fire-retardant coatings based on water- and organosoluble film formers with a cheap filler] // Vestnik Tekhnologicheskogo Universiteta, 2017, Vol. 20, No. 15, P. 50.