CC BY
26УДК 661.174
Igor A. Virolainen1, Alexey V. Martynov2, Andrey A. Ustinov3, Olga A. Zybina4
DEVELOPMENT OF LABORATORY METHODS FOR EVALUATING THE PERFORMANCE INDICATORS OF INTUMESCENT COATINGS
Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 29, Polytechnicheskaya St., St. Petersburg, 195251, Russia OOO «Stroitel'stvoKachestvoBezopasnost'», Kosmonavtov av., 37, Rostov-na-Donu, 344113, Russia e-mail: [email protected]
Adhesion of a charred layer to the surface of constructions and materials is one of the main components of fire protective efficiency of intumescent charring compositions, especially for metal surfaces. The paper overviews itera-ture concerning an investigation of adhesive-cohesive properties of charred layers. It is shown that there are no easily performable methods to asess those properties. The laboratory device based on the back strike method has been developed. Adhesive-cohesive properties of charred layers modified with carbon additives were asessed using back strike method and pushing method. It is shown that those methods perform equally.
Key words: fire protection, adhesion, cohesion, char, intumescent fire retardant coatings, intumescent compounds, swelling coefficient, testing methods.
Введение
При строительстве сооружений промышленного, общественного и жилого назначения в проекте всегда оговаривается степень огнестойкости объекта, которая, как правило, предусматривает мероприятия по огнезащите строительных конструкций. В настоящее время широкое распространение находят тонкослойные огнезащитные покрытия вспучивающегося типа, способные при воздействии высоких температур рас-
И.А. Виролайнен1, А.В Мартынов2, А.А. Устинов3,
О.А. Зыбина4
РАЗРАБОТКА
ЛАБОРАТОРНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ИНТУМЕСЦЕНТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» Политехническая ул., 29, Санкт- Петербург, 195251, Россия ООО СтроительствоКачествоБезопасность, пр. Космонавтов, 37, Ростов-на-Дону, 344113, Россия е-таН: [email protected]
Адгезия пенококса к поверхности защищаемы/х конструкций и материалов является одним из определяющих факторов огнезащитной эффективности интумес-центны/х коксообразующих покрытий, особенно если защищаемым субстратом является металл. В работе проанализированы/ литературные источники, касающиеся определения адгезионно-когезионных характеристик пенококсовых слоев. Показано, что на данный момент отсутствует легко воспроизводимая методика оценки таких характеристик. Разработана лабораторная установка, основанная на методике обратного удара. Методами продавливания и обратного удара определены/ адгезионно-когезионны/е характеристики инту-месцентныхх слоев, модифицированных углеродны/ми добавками. Показано, что применение данных методов дает результаты, коррелирующие между собой.
Ключевые слова: огнезащита, адгезия, когезия, пе-нококс, вспучивающиеся огнезащитные покрытия, ин-тумесцентные составы, коэффициент вспучивания, методы испытаний.
ширяться и образовывать на поверхности теплоизолирующий пенококсовый интумесцентный слой. Этот слой выступает как физический барьер, не допускающий чрезмерно быстрого нагревания, а значит и утраты эксплуатационных свойств строительной конструкцией [1-3]. Существует потребность в информации об огнезащитных свойствах вспучивающегося покрытия в процессе всего времени эксплуатации [4, 5]. Натурные (полномасштабные) огневые испытания средств.
1. Виролайнен Игорь Андреевич, магистрант 2 курса, базовая кафедра «Пожарная безопасность», СПбПУ Петра Великого, e-mail: [email protected]
Igor A. Virolainen undergraduate 2 course, Fire Safety Department, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
2. Мартынов Алексей Владимирович, генеральный директор ООО «СгроительствоКачествоБезопасность», e-mail: [email protected]
Alexey V. Martynov, GEO, «Stroitel'stvoKachestvoBezopasnost'»
3. Устинов Андрей Александрович, аспирант 1 курса, базовая кафедра «Пожарная безопасность», СПбПУ Петра Великого, [email protected]
Andrey A. Ustinov graduate student 1 course, Fire Safety Department, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University
4. Зыбина Ольга Александровна, канд. техн. наук, доцент, базовая кафедра «Пожарная безопасность»,СПбПУ Петра Велико - го, e-mail: [email protected]
Olga A. Zybina, Ph.D (Eng.), associate professor, Fire Safety Department, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University Дата поступления - 27 ноября 2018 года
огнезащиты для стальных конструкции производятся по методикам, описанным в ГОСТ Р 53295, но данные испытания дорогостоящи и трудоемки, что не позволяет свободно использовать их при оценке огнезащитных показателей вспучивающихся материалов.
В связи с тем, что одним из критериев огнезащитной эффективности интумесцентного покрытия является его сохранность на защищаемой поверхности в условиях пожара, целесообразно осуществлять оценку адгезионно-прочностных характеристик [6-8].
Методы проверки адгезионно- прочностных характеристик интумесцентного покрытия.
В отечественной литературе не были обнаружены легко воспроизводимые методики проверки этих характеристик, кроме тех, которые были предложены авторами [9]:
определение усилия сопротивления сдвигу; определение усилия сопротивления продав- ливанию; группа ударных методов.
Суть первого метода заключается в определе- нии усилия сдвига вспученного (интумесцентного) слоя специальным ножом, закрепленным на высоте h (рисунок 1).
Рисунок 2. Определение прочностных показателей пенококсового слоя методом продавливания
а)
б)
Рисунок 1. Установка для определения адгезионно- когезион-ных показателей пенококсового слоя: 1 - пластина металическая,
2 - слой пенококса, 3 - нож, 4 - устройство предотвращающее перетирание 5 - груз
Модификацией данного метода является «сду-вание» пенококса потоком воздуха определенной скорости или сбивание струей воды. В зарубежных публикациях встречаются сведения об оценке адгезионно-когезионных характеристик пенококса с помощью воздушного потока [10].
Определить усилие сопротивления продавли-ванию (рисунок 2) можно двумя способами. В первом случае определяется глубина продавливания вспученного слоя грузом известной массы, во втором случае определяется масса груза потребовавшегося для продавливания пенококса на заданную глубину. Опыт показал, что более информативным является второй способ.
Рисунок 3. Определение адгезионно-когезионных показателей пенококсового слоя, а) методом обратного удара: 1 - стойки, 2 - держа-тели(лапки), 3 - слой пенококса, 4 - груз, Ь - высота сброса б) методом падения рамки: б) методом падения рамки: 1 - основание, 3 - специальныйй короб, 4 - подложка, 5 - слой пенококса
Группа ударных методов представлена методом обратного удара (рисунок 3а, б) и методом маятникового удара (рисунок 4). Метод обратного удара заключается в ударе бойка по пластинке со слоем пе-нококса с тыльной стороны (рисунок 3а) для определения коэффициента сцепления - количества обрушившегося пенококса по отношению к исходному количеству пенококса образовавшегося на защищаемой поверхности. Вариантом данного метода является способ, при котором происходит падение и удар рамки, удерживающей пластину с пенококсом (рисунок 3б) [11,12].
Трудность применения рассматриваемого метода состоит в том, что удар необходимо производить примерно в одно и то же место пластины. что решается за счет направляющих боек элементов в конструкции установки (рисунок 5). Также приходится учитывать отдачу груза после удара о пластину, по инерции боек производит еще несколько менее сильных, но, тем не менее, оказывающих существенное влияние на точность проведения эксперимента, ударов, воздействие перестает быть однократным. Существенное влияние имеет и форма бойка.
Разновидностью ударного метода является маятниковый метод, суть которого сходна с методами, где используются маятниковые твердомеры.
Рисунок 4. Определение адгезионно-когезионных показателей пенококсового слоя методом маятникового удара: 1 - слой пенококса, 2 - держатель с лапками, 3 - проволока, 4 - груз
Данный метод имеет собственные недостатки помимо общих с ударными методами, приведенными выше. Закрепленная с одного конца металлическая пластина от механического воздействия приходит в колебательное движение, что может вызвать дополнительное обрушение пенококса и тем самым сказаться на точности проведения эксперимента. Во-вторых, удар должен быть обязательно однократным и приходиться в одну точку. Для этого в данной установке применяют жесткий стержень, укрепленный на под-
шипнике. Отвод жесткого стержня на определенную высоту предопределяет появление в уравнении силы угловой составляющей, что, соответственно, затрудняет последующие расчеты, поэтому, как и в предыдущем методе, оценку результатов целесообразно относить к коэффициенту сцепления (определению доли сохранившегося пенококса при ударе). После сравнения вышеописанных методик бы- ли выбраны наиболее легко технически реализуемые методы продавливания и обратного удара. Цель работы: усовершенствование методик оценки адгезионно-прочностных характеристик инту- мес-центного слоя огнезащитного коксобразующих покрытий.
Усовершенствованная установка для определения адгезионно- коге-зионных характеристик пенококса
Для определения адгезионно-когезионных ха- ракте-ристик пенококса методом обратного удара была изготовлена установка, приведенная на рисунке 5. В основании 1 установки закреплены направляющие колонки 2, по которым свободно скользит рамка 3 (условно показана контуром) с образцом 4 (пластин- кой, имеющей размеры 80x140x4) со слоем пенококса 5, об-ращённым вниз. Над рамкой 3 вдоль колонок также может свободно двигаться (падать) рамка 6 с бойком (ударником) 7. Таким образом, установка мо- жет работать двумя способами: когда на рамку с пено- коксом падает рамка с бойком (воздействие бойка), и когда сама рамка с пенококсом падает на основание (падение рамки).
а) б) в)
Рисунок 5. Изображения микроструктуры пенококса по данным растровой электронной микроскопии а) контрольный образец; б) образец, модифицированный нанотрубками(1); в) образец, модифицированный измельченным терморасширенным графитом(П)
Таблица 1. базовый состав огнезащитной композиции
Компоненты Содержание, % мас.
Водная дисперсия сополимера 23
винилацетата с этиленом
Полифосфат аммония 29
Меламин 11
Пентаэритрит 11
Вода До 100
Таблица 2. Испытуемые огнезащитные композиции
Образец Модифицирующие добавки
Контрольный (КО) -
I Углеродные нанотрубки
II Терморасширенный графит
а) б)
Рисунок 5. а) схема; б) внешний вид установки обратного удара
Сравнительная оценка адгезионно-когезионных характеристик пенококса с помощью разработанных методик
Ранее было показано [13, 14], что модифика- ция огнезащитных композиций углеродными каркас- ными структурами, такими как нанотрубки и интерка- лиро-ванный графит, приводят к увеличению огнеза- щит-ной эффективности. Очевидно, это связано и с тем, что данные добавки меняют микроструктуру пе- нокок-са, о чем свидетельствуют данные растровой электронной микроскопии (рисунок 6), полученные в режиме вторичных электронов на РЭМ JSM 7001F (JEOL, Japan). Микроструктура пенококса изучалась на пиро-лизатах интумесцентных композиций, изготовлен- ных на основе композиции (таблица 1), модифициро- ванной 0,7 % углеродных нанодобавок (таблица 2).
На стальные пластины размером 80x140x4, которые предварительно были обезжирены, очищены от загрязнений и окислов до степени 2 по ГОСТ 9.402, и огрунтованы ГФ-021 ГОСТ 25129. Средняя толщина слоя ГФ-021 составила 20 мкм. После высыхания грунта до степени не ниже 5 по ГОСТ 19007, наносили соответствующий огнезащитный состав, обеспечивая одинаковую толщину сухого слоя покрытий. Толщину сухого слоя покрытий измеряли с помощью прибора МТ-41НЦ в 9-ти точках образца, за результат принималось среднеарифметическое значение измерений, при значении среднеквадратичного отклонения не более 10 %. Испытания характеристик огнезащитных покрытий проводили не менее чем через 72 ч после нанесения. Сформировавшиеся покрытия помещали на 5 мин в муфельную печь, предварительно разогретую до 600°С. Пластины с образовавшимся пенококсом после остывания испытывали методами продавливания и обратного удара (воздействия бойка и падение рамки), регистрировали долю сохранившегося на поверхности пластины пенококса и массу образца, обеспечивающую продавливание пенококса на 5 мм. Результаты всех испытаний принимались как среднее значение 3-5 параллельных опытов, которые приведены в таблице 3
Таблица 3. Результаты испытаний огнезащитного покрытия
Модифицирующие добавки Ксц. (воздействия бойка), % Ксц. (падение рамки),% Продавливающая масса, г
Контрольный образец 45 9 90,3
Углеродные нанотрубки(УНТ) 93 17 104,2
Терморасширяющийся графит (ТРГ) 64 12 97,8
Выводы
Разработаны и реализованы на установках методы адгезионно-прочностных характеристик. Результаты оценки адгезионно-прочностных характеристик методами обратного удара и падения рамки коррелируют между собой. Метод продавливания показал наилучшие результаты с образцом, со- держащим углеродные нанотрубки.
Метод продавливания позволяет оценить упрочнение вспененного слоя, и легко реализуем в условиях любой лаборатории.
Метод удара требует наличия специальной установки, однако является более информативным с точки зрения оценки адгезионно-когезионных характеристик, поскольку в условиях реального пожара инту-месцентные покрытия подвергаются ударным воздействиям турбулентных потоков горячих газов.
Литература
1. Павлович А.В. Огнезащитные вспучивающиеся покрытия // Лакокрасочная промышленность. 2012. №5. С. 22-27.
2. Зыбина О.А., Варламов А.В., Мнацаканов С.С. Проблемы технологии коксообразующих огнезащитных композиций Новосибирск: ЦРНС, 2010. 50 с.
3. Ненахов С.А., Пименова В.П. Физико-химия вспенивающихся огнезащитных покрытий на основе полифосфата аммония. (Обзор) // Пожаровзрывобез-опасность. 2010. Т. 19. № 8. С. 11- 58.
4. Халилова Р.А. Огнезащита металлических
конструкций вспучивающимися красками // Нефтегазовое дело. 2012. Т. 10. № 1. С. 78-82. вспучивающимися красками // Нефтегазовое дело. 2012. Т. 10. № 1. С. 78-82.
5. Халтуринский Н.А., Крупкин В.Г. О механизме действия огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожаровзрывобезопасность.2010.Т.20.№10.С.33-36.
6. Порядок осуществления контроля за соблюдением нормативных требований к средствам огнезащиты и их применению: методическое руководство. М.: ВНИИПО, 2010. 11 с.
7. Руководство по оценке качества огнезащиты и установления вида огнезащитных покрытий на объектах. М.: ВНИИПО, 2011. 39 с.
8. Смирнов Н.В., Булага С.Н., Дудеров Н.Г., Михайлова ЕД, Булгаков В.В., Толпекина Н.А. Оценка качества огнезащиты и установление вида огнезащитных покрытий на объектах: Руководство ФГУ ВНИИПО. М.: МЧС Москва, 2011. 26 с.
9. Зыбина О.А. Адгезия огнезащитных вспучивающихся полимерных материалов к поверхности металлических конструкций при повышенных температурах: дис... канд. техн. наук. СПб, 2004. 143 с.
10. Lucherini A, Maluk C. Novel test methods for studying the fire performance of thin intumescent coatings
// Fire Technology. 2017. Vol. 53. Is. 4. P.
11. Бабкин ОЭ, Зыбина О.А., Танклевский Л. Т., Мнацаканов С.С. Диагностика качества нанесения и эффективности коксообразующих огнезащитных покрытий для металлоконструкций // Промышленные покрытия. 2014. № 7-8. С. 50-54.
12. Масютина Е.У., Ловцова Е.М. К вопросу определения адгезии лакокрасочных покрытий // Очистка. Окраска. 2009. № 1. С. 45.
13. Устинов А.А. Влияние функциональных до- ба-вок на огнестойкость интумесцентных композиций //
Матер. 5-й междунар. научно-практ. конф. «Ройтма-новские чтения». Москва, 25 февраля 2017 г. М.: Академия ГПС МЧС России, 2017. С. 94-96.
14. Лебедев В.Т, Седов В.П., Устинов А.А. и др. Огнезащитные интемесцентные покрытия, модифицированные наноуглеродом и микрочастицами// Пленки и покрытия-2017: труды 13-й Международной конференции. Санкт-Петербург, 18-20 апреля 2017 г. СПб.: СПбГПУ, 2017. С. 372-375. February 25, 2017. Moscow. M.: Akademiya GPS MCHS Rossii, 2017. S. 94-96.
References
1. Pavlovich A.V. Ognezashhitnye vspuchivajushhiesja pokrytija // Lakokrasochnaja promyshlennost'. 2012. №5. S. 22-27.
2. Zybina O.A., Varlamov A.V., Mnacakanov S.S. Problemy tehnologii koksoobrazujushhih ognezashhitnyh kompozicij Novosibirsk: CRNS, 2010. 50 s.
3. Nenahov S.A., Pimenova V.P. Fiziko-himija vspenivajushhihsja ognezashhitnyh pokrytij na osnove polifosfata ammonija. (Obzor) // Pozharovzryvobezopasnost'. 2010. T. 19. № 8. S. 11-58.
4. Haiilova R.A. Ognezashhita metallicheskih konstrukcij vspuchivajushhimisja kraskami // Neftegazovoe delo. 2012. T. 10. № 1. S. 78-82.
5. Halturinskij N.A., Krupkin V.G. O mehanizme dejstvija ognezashhitnyh vspuchivajushhihsja pokrytij // Pozharovzryvobezopasnost'. 2010. T. 20. № 10. S. 33-36.
6. Porjadok osushhestvlenija kontrolja za sobljudeniem normativnyh trebovanij k sredstvam ognezashhity i ih primeneniju: metodicheskoe rukovodstvo. M.: VNIIPO, 2010. 11 s.
7. Rukovodstvo po ocenke kachestva ognezashhity i ustanovlenija vida ognezashhitnyh pokrytij na ob#ektah. M.: VNIIPO, 2011. 39 s.
8. Smirnov N.V, Buiaga S.N., Duderov N.G., Mihajlova E.D., Bulgakov V.V., Tolpekina N.A. Ocenka kachestva ognezashhity i ustanovlenie vida ognezashhitnyh pokrytij na ob#ektah: Rukovodstvo FGU VNIIPO. M.: MChS Moskva, 2011. 26 s.
9. Zybina O.A. Adgezija ognezashhitnyh vspuchivajushhihsja polimernyh materialov k poverhnosti metallicheskih konstrukcij pri povyshennyh temperaturah: dis... kand. tehn. nauk. SPb, 2004. 143 s.
10. Lucherini A., Maluk C. Novel test methods for studying the fire performance of thin intumescent coatings // Fire Technology. 2017. Vol. 53. Is. 4. P.
11. Babkin OJe, Zybina O.A., Tanklevskij L.T, Mnacakanov S.S. Diagnostika kachestva nanesenija i jef-fektivnosti koksoobrazujushhih ognezashhitnyh pokrytij dlja metallokonstrukcij//Promyshlennye pokryti-ja.2014.№7-8.S.50-54.
12. Masjutina E.U, Lovcova E.M. K voprosu opredele-nija adgezii lakokrasochnyh pokrytij // Ochistka. Okraska. 2009. № 1. S. 45.
13. Ustinov A.A. Vlijanie funkcional'nyh dobavok na ognestojkost' intumescentnyh kompozicij // Mater. 5-j mezhdunar. nauchno-prakt. konf. «Rojtmanovskie chten-ija». February 25, 2017. Moscow. M.: Akademiya GPS MCHS Rossii, 2017. S. 94-96.
14. Lebedev V.T., Sedov V.P, Ustinov A.A. i dr. Ognezashhitnye intemescentnye pokrytija, modificiro-vannye nanouglerodom i mikrochasticami // Plenki i pokrytija-2017: trudy 13-j Mezhdunarodnoj konferencii. Sankt-Peterburg, 18-20 aprelja 2017 g. SPb.: SPbGPU, 2017. S. 372-375.
