Оценка порового пространства пенококса огнезащитных вспучивающихся покрытий

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2013 ТОМ 22 № 5 ОГНЕЗАЩИТА

М. В. ГРАВИТ, канд. техн. наук, заместитель генерального директора по научно-техническому сопровождению особо сложных и уникальных объектов ООО “Научный инновационный центр строительства и пожарной безопасности” (Россия, 199155, г. Санкт-Петербург, Васильевский о-в, Уральская ул., 13)

Впервые рассмотрена возможность оценки порового пространства пенококса с использованием российской программы “ВидеоТест”. Сделаны выводы, что для достижения огнезащитной эффективности более 45 мин количество пор в пенококсе огнезащитных покрытий на акриловых смолах с диаметром 0,5–1 мм не должно превышать 30 %, с диаметром более 2 мм – 3 %. При этом значение коэффициента вспучивания должно располагаться в интервале 40–65; потеря массы образца при термогравиметрическом анализе не должна превышать 45 % при температуре 500 °С.

Ключевые слова: вспучивающееся покрытие; поровое пространство; пенококс; кратность вспу- чивания; форма; размер.

При вспучивании покрытий при воздействии температур свыше 150 °С образуется пенококс — пористая углеводородная субстанция с низкой теплопроводностью, поры в которой формируются за счет фиксации в углеводородном скелете выделяющихся в процессе разложения газов.

Коэффициент вспучивания таких покрытий Kвс определяют как отношение толщины вспученного слоя h к исходной толщине покрытия h0 [1]: Kвс = h
h0. (1)

Понятно, что в зависимости от размера и расположения пор в пенококсе теплопроводность будет меняться и, соответственно, будут изменяться параметры огнезащитной эффективности вспучивающегося покрытия. Согласно ГОСТ Р 53295–2009 [2] огнезащитная эффективность определяется как время достижения критической для стальной конструкции температуры (500 °С), на которую нанесено испытуемое огнезащитное покрытие.

Для получения требуемых параметров огнезащитной эффективности покрытия образующийся пенококс должен равномерно распределяться на поверхности испытуемого образца и иметь оптимальную кратность вспучивания. Поры образовавшегося пенококса должны быть оптимального размера, предпочительно закрытые, сферическойформы и равномерно распределяться в объеме.

Оценка порового пространства пенококса впервые проводилась методом измерения плоскостных параметров пор и расчета стереологических параметров* структуры с использованием программы “ВидеоТест” [3]. Данная программа позволяет определять толщину, трещиноватость и выполнять фазовый анализ покрытий, а также оценку порового пространства материалов. Программа может использоваться для анализа пористости на изображениях полированных и прозрачных шлифов, а также на макрообъектах.

Основные положения методики состоят в следующем [4]:

- на полученном изображении по яркости автоматически выделяются темные поры;

- при необходимости производится дополнительная подготовка к измерениям: удаление с изображения небольших посторонних деталей, сглаживание границ, заполнение пустот, автоматическое разделение контактирующих объектов;

- автоматические измерения выделенных пор производятся по набору параметров, характеризующих их размеры и форму;

- по результатам измерений производится классификация объектов по параметру “средняя хорда”; строится гистограмма распределения; рассчитываются статистические параметры выборки и стереологические параметры порового пространства. Условия построения гистограммы и набор рассчитываемых параметров определяет пользователь;

- результаты анализа могут быть представлены в виде диаграммы, таблицы и данных статистики по всей выборке (рис. 1).

Эффект образования пенококса, получение оп- тимального коэффициента вспучивания, размеров и формы пор обусловлены системой интумесценции.

В данных исследованиях выбрана следующая система: полифосфат аммония (ПФА) + меламин (МЕ) хлорпарафин + пентаэритрит (ПЕ). Оптимальное содержание компонентов подбирали с помощью метода термогравиметрического анализа по величине усредненного коксового остатка и получения удовлетворительных эксплуатационных параметров (адгезия, прочность на удар, седиментационная устойчивость и т. д.) [5].

* Стереологические параметры — параметры пространственной структуры трехмерных объектов, рассчитанные по их двумерному (плоскому) изображению.

С помощью методики “ВидеоТест” были обработаны фотографии пенококса для покрытий на меламиноформальдегидной и акриловых смолах, поскольку данные покрытия имеют высокую кратность вспучивания и крупные поры [5]. Пенококс получали при 500 °С, так как именно при этой температуре высота его слоя максимальна и поры хорошо различаются.

Фотографии пенококса в разрезе для некоторых покрытий и полученные гистораммы распределения пор в пенококсе с использованием программы “ВидеоТест” приводятся на рис. 2–6.

Вспучивающиеся покрытия на основе меламиноформальдегидной смолы с индексами к-1, к-2 и к-3 (см. рис. 2–4) содержат полифосфат аммония (20–30 %), пентаэритит, меламин (8–10 %). В среднем соотношение в интумесцентной системе ПФА:МЕ:ПЕ представлено как 30:10:10. Покрытие к-2 также содержит хлорпарафин (4 %). Высокая концентрация полифосфата аммония, использование в рецептурах хлорпарафина и меламиноформальдегидной смолы, которые при разложении образуют ряд газообразных продуктов, обуславливают высокое значение K вс (более 80).

Рис. 1. Диаграмма распределения пор по размеру, статистические данные и таблица процентных соотношений и стереологических параметров в интерфейсе программы “ВидеоТест”

Рис. 2. Пенококс покрытия на основе меламиноформальдегидной смолы (к-1) и гистограмма распределения в нем пор (Kвс = 87)

Акрилстирольные покрытия не имеют таких вы- соких значений K вс, как меламиноформальдегидные смолы, однако покрытие а-4, содержащее 5,7 % хлорпарафина, представляет собой пенококс с крупными порами и нерегулярной структурой, получившейся в результате интенсивного газообразования (см. рис. 5). Мелкие поры в плотном пенококсе покрытия а-5 (ПФА:МЕ:ПЕ = 30:15:15) с широким диапазоном распределения по диаметрам (см. рис. 6) позволяют прогнозировать устойчивое поведение пенококса при испытаниях на параметры огнезащитной эффективности согласно [2].

Рис. 3. Пенококс покрытия на основе меламиноформальдегидной смолы (к-2) и гистограмма распределения в нем пор (Kвс = 80)

Рис. 4. Пенококс на основе меламиноформальдегидной смолы (к-3) и гистограмма распределения в нем пор (Kвс = 84)

Рис. 5. Пенококс покрытия на акрилстирольной смоле (а-4) и гистограмма распределения в нем пор (Kвс = 80)

Дальнейшие исследования были посвящены поиску закономерностей между размерами и распределением пор, потерями массы при термогравиметрическом анализе с целью прогнозирования заданных параметров огнезащитной эффективности образца — стальной колонны с огнезащитным покрытием при стандартом огневом испытании [2]. В качестве предварительных результатов можно констатировать, что поры в пенококсе вспучивающегося огнезащитного покрытия на меламиноформальдегидных и акриловых смолах должны распределяться следующим образом: доля пор диаметром 0,5–1 мм не должна превышать 30 %, диаметром более 2 мм — 3 % от общего количества равномерно распределенных пор (см. рис. 6). При этом значение коэффициента вспучивания Kвс покрытия должно располагаться в интервале 40–65, поскольку при более высоких значениях K вс образовавшийся на испытуемом образце (стальной колонне) пенококс либо сползает, либо растрескивается (“раскрывается”). Потеря массы образца покрытия в навеске при термогравиметрическом анализе не должна превышать 45 % от первоначальной при увеличении температуры в испытательной камере дериватографа до 500 °С [5].

Исследования в данном направлении продолжаются, подтверждая положение, что одно из основных влияний на огнезащитную эффективность вспучивающегося покрытия оказывает характеристика образующегося при температурном воздействии пенококса с учетом целого ряда параметров: коэффициента вспучивания, плотности пенококса, а также размера, формы и распределения образовавшихся пор.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 12.3.047–98. ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования. Методы контроля. — Введ. 01.01.2000 г. — М. : ИПК Изд-во стандартов, 1998. — 86 с.

2. ГОСТ Р 53295–2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности. — Введ. 01.01.2010 г. — М. : Стандартинформ, 2009. — 14 с.

3. Бахметьев В. В., Сычев М. М., Крашенинникова М. В. Опыт практического использования программы “ВидеоТест” на кафедре теоретических основ материаловедения СПбГТИ (ТУ) : сб. тез. докл. 4-го ежегодного практического семинара “Современные технологии в металлографии”. — СПб. : СпбГМТУ, 2008. — С. 234.

4. Сайт компании “ВидеоТесТ”. URL : http:

www.videotest.ru
ru
app
153
category_nbr
40 (дата обращения: 14.02.2013 г.).

5. Крашенинникова М. В. Повышение пределов огнестойкости стальных строительных конструкций огнезащитным вспучивающимся покрытием с повышенной атмосферостойкостью : автореф. дис. … канд. техн. наук. — СПб. : СПбГУ ГПС МЧС России, 2007. — 23 с. Материал поступил в редакцию 12 марта 2013 г.

Рис. 6. Пенококс покрытия на акрилстирольной смоле (а-5) и гистограмма распределения в нем пор (Kвс = 54)

огнезащита айсберг, огнезащитная краска, огнезащитный состав, огнезащита углеводородное горение, углеводородный пожар, огнезащита металла, огнезащита кабеля, огнезащита углепластика, повышение предела огнестойкости, огнезащитная эффективность, огнезащита карбона, огнезащита композитных материалов, конструктивная огнезащита, степень огнестойкости