Введение к работе
Актуальность темы. Интумесцентные материалы - это, своего рода, «последнее слово» технологии защиты от пожаров. Использовавшиеся ранее материалы пониженной горючести — самозатухающие - постепенно выходят из употребления в связи с существенной токсичностью выделяемых ими при горении и термической деструкции веществ.
Вспучивающиеся огнезащитные материалы известны уже более двадцати лет, вследствие чего в их производстве и использовании существуют достаточно стойкие традиции. Интумесцентные композиции действуют по принципу существенного снижения теплопроводности образуемых ими покрытий в результате превращения их при интенсивном тепловом воздействии в пенококсовые ячеистые слои. Эти вспученные пенококсовые слои значительно отодвигают во времени как момент возгорания в принципе горючих конструкций: дерева, пластмасс, органических прессматериалов и т.п., - так и нагрев в течение заданного времени металлических конструкций до недопустимо высоких температур, снижающих их конструкционную прочность. Интумесцентные материалы -это многокомпонентные системы, при производстве которых широко используется принцип суперпозиции «обязательных» ингредиентов. Наиболее активно в научной и технической литературе обсуждается группа ингредиентов таких композиционных систем. Прежде всего - это порофоры, т.е. химические вещества способные при терміиеском разложении и горении производить обильные газовыделения, что, в конечном счете, и обеспечивает вспучивание. Выделяющиеся газы не должны быть высокотоксичными, обычно это аммиак и оксиды углерода. Кроме порофоров системы, естественно, содержат полимерное связующее и дополнительные высоко реактивные агенты, способные активно участвовать как в процессах
4 газовыделения, так и рационального распределения газов, обеспечиваемого полимерно-олигомерной структурой, образующейся в процессе термолиза и горения, и - в конечном счете - карбонизированным остатком - пенококсом. Вспучивающиеся краски при нагревании увеличивают толщину слоя в 10-40 раз.
Не требует, по-видимому, доказательств тот факт, что качественные параметры пенококсового слоя в значительной степени зависят от выбранных коксообразующих ингредиентов интумесцентных композиций. Между тем, как показывает анализ литературных источников, большинство авторов не до конца четко представляют механизмы, протекающие при термическом разложении огнезащитных композиций, а также не вполне конкретно обосновывают роль каждого из коксообразующих агентов. В связи с постоянным ростом потребления огнезащитных вспучивающихся композиций, увеличением интереса к возможным модификациям уже существующих материалов и появлением новых беспрецедентных возможностей их усовершенствования вопрос о механизме огнезащитного действия интумесцентных композиций, а также описание роли каждого из ее ингредиентов заслуживает пристального внимания и в настоящее время является исключительно актуальным.
Цель диссертационной работы состояла в исследовании феноменологии процессов, происходящих при формировании огнезащитных композиций и при термолизе (в условиях, моделирующих пожар) защитных, образующих прочный карбонизированный пенококсовый слой покрытий. Конкретно, исследования преследовали следующие составляющие указанной цели:
- создание системы четких представлений о роли каждого из
коксообразующих ингредиентов интумесцентных композиций;
- описание механизмов юс взаимодействия в процессе термолиза;
- определение возможного влияния на параметры пенококса как
различных наполнителей (интеркалированный графит, фуллеренсодержащая
сажа), так и пленкообразователей различной природы.
Определено решение следующих задач:
разработка морфологических моделей комплексных вспенивающихся покрытий;
описание методов исследования и экспериментальных установок для изучения механизмов превращения основных коксообразующих ингредиентов, влияния наполнителей и пленкообразователей различной природы на характеристики коксового слоя;
установление роли отдельных компонентов композиции и изучение их превращений в процессе термолиза;
- установление влияния наполнителей и пленкообразователей
различной природы на характеристики коксового слоя;
- изучение механизма адгезионного взаимодействия интумесцентного
покрытия с защищаемой поверхностью.
Методологической основой диссертационной работы, поставленных в ней проблем явились научные труды российских и зарубежных специалистов в области изучения и создания интумесцентных огнезащитных композиций.
Методы исследования. Во время проведения исследований применялись такие методы термического анализа как термогразиметрия (ТГ), дифференциальная термогравиметрия (ДТГ) и дифференциально-термический анализ (ДГА), инфракрасная спектроскопия, метод среза для определения прочностных характеристик пенококса.
Научная новизна работы заключается в детальном исследовании механизма образования карбонизированных вспученных (вследствие химических превращений) пенококсовых слоев на защищаемых от горения и нагревания поверхностях.
Важным элементом научной новизны является обоснование функций каждого из коксообразующих компонентов исходных огнезащитных вспучивающихся систем.
Отличительной особенностью научной новизны, в сравнении с известными и общепринятыми описаниями механизма образования карбонизированных вспученных слоев, является доказательство функции пентаэритрита как источника выделения альдегидов, обусловливающих синтез пространственно сшитых альдегидных смол.
Прикладной аспект научной новизны заключается:
- в установлении возможных пределов регулирования огнезащитной
эффективности варьированием концентраций основных ингредиентов и
добавок;
в установлении действенности и рациональных количественных пределов введения в исходные рецептуры нанотел (углеродных каркасных структур);
в доказанности целесообразности применения в системах на органических растворах полимеров моноаммонийфосфата вместо полифосфата аммония.
Практическую полезность и значение работы автор усматривает:
- в возможности минимизировать толщины наносимых слоев
композиций для достижения заданного времени защитного действия, с
учетом повышающейся при этом стоимости исходной композиции;
- в возможности выбора типа композиционного материала сообразно
технологическим параметрам нанесения (по температуре, атмосферным
условиям и др.);
- в разработке, внедрении в производство и сферу применения ряда интумесцентных композиций.
Практическая ценность данной работы заключается еще и в том, что ее результаты позволяют повысить огнезащитную и эксплуатационную эффективность интумесцентных материалов. Помимо этого описанные механизмы создают предпосылки к созданию принципиально новых огнезащитных композиций или усовершенствованию уже существующих.
Реализация в внедрение результатов исследований. С учетом изученных механизмов поведения и принципов действия основных коксообразующих ингредиентов были откорректированы их рецептурные количества в огнезащитных вспучивающихся красках производства ООО «Полихим-Строй+»: «Огнезащита+» ВД, которая предназначена для огнезащиты деревянных поверхностей, и «Политерм-М» ВД-ВА-50060гМ -для металлических поверхностей. Указанные краски прошли сертификацию, для них разработана соответствующая техническая документация. При участии автора данной работы были разработаны и запущены в производство аналоги обозначенных воднодисперсионных красок «Огнезащита+» ХВ и «Политерм-М» ХВ, изготавливаемых на основе органического раствора поливинилхлоридной смолы ПСХ-ЛС. Готовятся к сертификации огнезащитные краски: <<Огнезащита+» износостойкая ВД, изготавливаемая на основе водного раствора акрилового полимера и включающая в свой состав в качестве антипирена интеркалированный графит (краска предназначена для огне- и биозащиты напольных покрытий); краска на основе органического раствора акрилового сополимера, включающая в свой состав фуллеренсодержащую сажу (рабочее название «Политерм-М» АК).
Личный вклад автора состоит в следующем:
участие в постановке задач при выполнении этапов диссертационного исследования;
- проведение экспериментов исследования;
проведение анализа и интерпретации полученных результатов;
формулирование основных выводов и положений, выносимых на защиту;
внедрение в производство завершенных разработок.
Апробация работы. Отдельные вопросы и разделы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях факультета Фотографии и технологии регистрирующих материалов Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения в период 2008-2010 гг.
Публикации. По основному содержанию диссертационной работы опубликовано 4 статьи, из них статья в журнале «Химическая промышленность» №8 2009 г., С. 414-417; статья в Журнале Прикладной Химии №9 2009 г., С. 1445-1449; две статьи в сборниках научных трудов СПбГУКиТ (выпуск 22: С. 199-202, С.202-205).
Структура и объем работы. Диссертация сформирована таким образом, чтобы в наиболее доступной форме отразить актуальные и малоисследованные проблемы по теме работы. Цели исследования, а также его задачи определяют последовательность изложения материала и его объем. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии, включающей в себя 67 наименований и 4 приложений - два сертификата пожарной безопасности и два санитарно-эпидемиологических заключения. Основной текст содержит 125 страниц с 42 рисунками и 13 таблицами.
