CC BY
7Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №5/2022
Научная статья Original article УДК 699.8
РАЗРАБОТКА ОГНЕЗАЩИТНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ МЕСТНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)
DEVELOPMENT OF FLAME RETARDANT BASED ON LOCAL RAW MATERIALS OF THE REPUBLIC OF SAKHA (YAKUTIA)
Григорьев Василий Семенович, магистрант, 2 курс, группа 3В-220 МТ, 2 курс, Техносферная безопасность ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, г. Железногорск
Grigoriev Vasily Semenovich, master student, 2nd year student, group 3V-220 MT, 2nd year student, Technospheric safety FSBEI HE Siberian Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia. Zheleznogorsk
Аннотация: ^атья посвящена разработке рецептуры огнезащитного состав на основе местного сырья Республики Саха (Якутия), не уступающего рыночным аналогам по эффективности и себестоимости. Установлено, что разработанный огнезащитный состав обладает огнезащитной эффективностью. Представлены результаты физико-механических свойств огнезащитного состава. Представлено, что эффективность огнезащитного состава на основе карбамидоформальдегидной смолы КФМТ-15 и наполнителей: вспученный вермикулит, базальтовое волокно и дунитовая минеральная добавка зависит от термостойкости, прочности и теплоизолирующей способности формирующегося при разложении наполненного полимера пористого поверхностного слоя, который
3265
устанавливается химическим и минералогическим составом породой минерала и содержанием связующего.
Annotation: The article is devoted to the development of a flame retardant formulation based on local raw materials of the Republic of Sakha (Yakutia), which is not inferior to market analogues in terms of efficiency and cost. It has been established that the developed flame retardant composition has a fire-retardant effectiveness. The results of the physico-mechanical properties of the flame retardant are presented. It is shown that the effectiveness of a flame retardant composition based on CFMT-15 carbamide-formaldehyde resin and fillers: expanded vermiculite, basalt fiber and dunite mineral additive depends on the heat resistance, strength and thermal insulation ability of the porous surface layer formed during decomposition of the filled polymer, which is established by the chemical and mineralogical composition of the mineral rock and the binder content. Ключевые слова: предел огнестойкости, вспученный вермикулит, огнезащитное покрытие, адгезионные свойства, дунитовая минеральная добавка, стальная и деревянная конструкция.
Keywords: fire resistance limit, expanded vermiculite, flame retardant coating, adhesive properties, dunite mineral additive, steel and wooden construction.
Одной из отраслей применения древесины долгие годы является строительство зданий различного назначения, в том числе и в жилом фонде. До сих пор в нашей стране при строительстве большинства зданий и сооружений используются те или иные элементы, выполненные из дерева. Здания жилого фонда, в особенности, частные домовладения, зачастую выполняются более чем на 70% из древесины и материалов на её основе. Согласно тенденциям развития деревянного домостроения в Российской Федерации, за период до 2030 года объём строительства зданий и сооружений из древесных материалов должен увеличиться примерно на четверть. Этому способствует в том числе разработка новых технологий повышения
3266
долговечности деревянных конструкций. Проблема обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений, а также людей, которые в них находятся, остаётся одной из актуальнейших задач современной науки. Правильное и своевременное применение огнезащиты способно обеспечить предотвращение возгорания, замедлить или прекратить развитие пожара в начальной стадии, обеспечить его локализацию, снизить влияние ОФП и способствует быстрой ликвидации пожара.
Важными аспектами при разработке огнезащитных составов для древесины выступают технологичность их изготовления, а также доступность и дешевизна исходного сырья. Одним из направлений решения этой задачи является вовлечение в производство вторичных минеральных ресурсов. Использование местных сырьевых ресурсов республики Саха (Якутия) позволит снизить стоимость огнезащитных композиций за счет применения доступных компонентов, эксплуатационные показатели которых не уступают, а иногда и превосходят свойства традиционно применяемых материалов. Целью исследования является разработка состава и способа получения огнезащитного материала для состава для деревянных строительных конструкций на основе карбамидоформальдегидной смолы КФМТ-15 и местных сырьевых ресурсов.
В качестве связующего при изготовлении огнезащитного состава для древесины использовали карбамидоформальдегидной смолы КФМТ-15. Выбор связующего обусловлен сравнительно низкой стоимостью и доступностью мочевиноальдегидных смол. Горючесть смолы понижали путем введения в состав диаммонийфосфата. Введение фосфорсодержащих фрагментов фосфорсодержащих антипиренов в системы покрытий не только снижает их горючесть, но и повышает адгезию, противокоррозионную стойкость и улучшает важные свойства. Добавки на основе фосфора единственные препятствуют тлению - фосфорсодержащие антипирены действуют на начальных стадиях процесса горения, предотвращая разогрев и
3267
вызывая дегидратацию полимера, ускоряя его коксование, поэтому они больше подходят для зоны пиролиза. В качестве наполнителей использовали каолин, вспученный вермикулит, минеральную дунитовую добавку и базальтовое волокно.
Для модификации смолы использовали минеральную дунитовую добавку, что позволило значительно улучшить свойства исследуемого материала. Игналинской щелочно-ультраосновной массив находится в северной краевой части Алданского щита, в верховьях р. Инагли - правого притока р. Алдана, в 30 км к западу от г. Алдана. Центральная часть массива площадью 16 км2 сложена форстеритовыми дунитами, отороченными узкой (5 -25м) прерывистой каймой пироксен-оливиновых пород, по составу отвечающих перидотитам и слюдосодержащими пироксенитам. Дуниты представляют собой средне-или мелкозернистые породы темно-серого цвета со стальным оттенком. Для идентификации пробы дунита выполнены химический анализ с помощью энергодисперсионного анализа с получением спектра рентгеновского изучения элементов на электронном микроскопе JCM-6000. Результаты представлены в таблице 1, спектр рентгеновского излучения - на рисунке 1.
Таблица 1. Химический состав дунита
Наименование Содержание оксидов, % мас. Модули
Дунит массива Инагли (Якутия) MgO SiO2 CaO Al2O3 MnO Fe2O3 Дтир MgO/ SiO2 MgO/ Fe2O3
45,61 34,59 1,06 0,41 0,39 8,07 10,88 1,34 5,65
3268
Мг
- с ) 1
- 1 1 М1 Ре
7 СаПа FeK.es М1 Мп
.1 ! И 1
..... 1
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00
ке\'
Рис.1. Спектр рентгеновских излучений элементов дунита массива Инагли,
Якутия
Минеральная дунитовая добавка получена следующим образом: дробление породы в лабораторной щековой дробилке; получение песка просеиванием через сито с размерами отверстий 5 мм; помол в лабораторной барабанной мельнице марки МБЛ в течение двух часов. Истинная плотность зерен исследуемой породы определена пикнометрическим методом и составляет 2,69 г/см3. Удельная поверхность составила соответственно 5510 см2/кг. В качестве армирующего наполнителя применяли непрерывное базальтовое волокно БНВ-13-80 (Васильевское месторождение, Якутия). Все сырьевые расходные компоненты соответствуют требованиям нормативных документов для использования в строительных материалах.
Выбор процентного соотношения компонентов рецептур огнезащитных покрытий представлен в таблице 2. Составы огнезащитных покрытий получали следующим образом: в вертикальный реактор с пропеллерной мешалкой при постоянном перемешивании со скоростью 600 об/мин добавляли последовательно в необходимых пропорциях: карбамидоформальдегидную смолу, диаммоний фосфат, базальтовое волокно, вспученный вермикулит, минеральную диопсидовую добавку и каолин. Полученную смесь перемешивали в течение 30-40 мин. и наносили на
3269
защищаемую поверхность с помощью кисти, шпателя или аппаратом безвоздушного нанесения.
Таблица 2. Соотношение компонентов рецептур огнезащитных покрытий
Состав Порядковый номер рецептур, масс ч , 100%
Смола КФМТ- 15 Базальтовое волокно Диаммоний фосфат Вспученный вермикулит Минеральная дунитовая добавка Каолин
К-1 64 8,3 13 8 5,2 1,5
К-2 61 4,2 23 9 2 0,8
К-3 57 9 25 - 6 2
К-4 58 5,4 24 - 10,8 1,8
К-5 59 4,6 27 - 8,2 1,2
Для определения огнезащитной эффективности разработанных огнезащитных составов проведены исследования по определению основных физико-механических показателей в зависимости от соотношения содержания выбранных компонентов, различной толщины и крупности заполнителя. Условия проведения испытаний и определение пределов огнестойкости конструкций определяли в соответствии с ГОСТ 30.247.0-94. Огнезащитная эффективность составов подразделяется на 5 групп:1-я - не менее 150 мин., 2-я - не менее 120 мин., 3-я - не менее 60 мин., 4-я - не менее 45 мин., 5-я не менее 30 мин. Результаты испытаний представлены в таблице 3.
Таблица 3. Результаты испытаний огнезащитной эффективности
Наименование Порядковый номер рецептур
К-1 К-2 К-3 К-4 К-5
Предел огнестойкости, ч 0,34 0,20 0,61 0,65 0,72
Исследование огнезащитной эффективности покрытий, составы которых приведены в таблице 3, показало, что для рецептур, включающих вспученный вермикулит (составы К-1, К-2), предел огнестойкости не превышает 0,34 часа. Наибольшей эффективностью характеризуется состав К-5. Достигаемый им
3270
предел огнестойкости значительно выше других (0.72час). Эта композиция содержит (масс.%): 61,23 карбамидоформальдегидной смолы КФМТ-15, 18,36 диаммоний фосфата, 4,6 базальтовое волокно, 8,2 минеральная дунитовая добавка и 1,2 каолин.
В таблице 4 представлены результаты физико-механических свойств огнезащитных составов.
Таблица 4. Физико-механические свойства огнезащитного состава
№ состава Водопоглащение при
Величина силы переменной
отслаивания, Н/м относительной воздуха влажности
К-1 130,1 1,8
К-2 127,6 2,0
К-3 131,3 2,2
К-4 135,0 2,0
К-5 133,6 1,9
В дополнении, адгезионную способность покрытия оценивали путём визуального обследования образцов, подготовленных и прошедших испытания в огневой камере. Образцы с приведенной толщиной металла от 1,6 до 20 мм представляли собой стержневые сплошные и коробчатые конструкции с толщиной защитного слоя покрытия от 2 до 32 мм, а также в виде пластин с размерами 200х200х3 мм. Наблюдения показали, что после нанесения состава идет медленный процесс затвердения с образованием твердого покрытия без трещин и отслаиваний от металла. После огневых испытаний защитный слой представляет собой пористый углистый остаток с хорошей адгезионной прочностью. Покрытие, полученное путем нанесения на конструкцию состава, имеет значительно меньшее водопоглощение, которое при переменной относительной влажности воздуха 60-75% составляет 1,82,2%. Соответственно, это исключает растрескивание и расслоение покрытия при эксплуатации и увеличивает срок службы покрытия. Заключение
3271
Представленные результаты свидетельствуют о преимуществе разработанного огнезащитного состава, по сравнению с широким кругом отечественных составов, его более высоком пределе огнестойкости при меньшей толщине. Очевидно, что использование минеральной диопсидовой добавки в составе композиции повышает огнезащитную эффективность. Повышение огнестойкости покрытий на основе разработанного огнезащитного состава с применением местного сырья Алданского месторождения происходит за счет содержания тремолита, который увеличивает температуру разложения дунитовой минеральной добавки и вспученного вермикулита. Экспериментальным путем определены физико-механические характеристики разработанного огнезащитного состава: адгезионная способность 131,52 Н/м. Устойчивость огнезащитного покрытия к воздействию переменных температур оценивалась как визуальным наблюдением, так и определением прочности покрытия при ударе после указанного воздействия.
Список литературы
1. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций. // Пожарная безопасность. 2014. № 3. С. 48 57.
2. Худякова Л.И., Войлошников О.В., Котова И.И. и др. Отходы горнодобывающих предприятий как сырье для получения строительных материалов.- Вестник ДВО РАН.-2010.-№1.- С. 81-84.
3. Бердов Г.И., Ильина Л.В. и др. Влияние вида и количества минеральных добавок на прочность цементного камня//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований.- 2010.-№9.- С.87-91.
4. Собурь, C. B. Огнезащита строительных материалов и конструкций: Справочник /С.В.Собурь.-М.:ООО «Пожарная Книга», 2016. -215 с.
5. S.Pozdieiev, O. Nuianzin, O. Borsuk, O. Binetska, A. Shvydenko, B. Alimov Temperature Effect on the Thermal-Physical Properties of Fire-Protective Mineral Wool Cladding of Steel Structures Under the Conditions of Fire
3272
Resistance Tests. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Т. 4. -№. 12, (2020) 106.
6. ГОСТ 16363-98 (2002). Средства огнезащитные для древесины методы определения огнезащитных составов.
7. Еремина Т Ю , Крашенинникова М.В, Дмитриева Ю Н , Семенов Д С Нормируемые требования к качеству огнезащитных покрытий при сдаче строительных объектов и применение методов термического анализа для прогнозирования долговечности покрытий. // Пожаровзрывобезопасность 2007 № 5.
8. Бердов Г.И., Ильина Л.В. и др. Влияние вида и количества минеральных добавок на прочность цементного камня//Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований.- 2010.- №9.- С.87-91.
Literature
1. Golovanov V.I., Pavlov V.V., Pekhotikov A.V. Ensuring fire resistance of load-bearing building structures. // Fire safety. 2014. No. 3. pp.48-57.
2. Khudyakova L.I., Voiloshnikov O.V., Kotova I.I., etc. Waste from mining enterprises as raw materials for the production of construction materials.-Bulletin of the FEB RAS.2010.No.1.- pp.81-84.
3. Berdov G.I., Ilyina L.V. et al. The effect of the type and amount of mineral additives on the strength of cement stone//International Journal of Applied and Fundamental Research. 2010.No.9. pp.87-91.
4. Sobur C.B. Fire protection of building materials and structures: Handbook /S.V.Sobur.Moscow:LLC "Fire Book", 2016. 215 p.
5. S.Pozdieiev, O. Nuianzin, O. Borsuk, O. Binetska, A. Shvydenko, B. Alimov Temperature Effect on the Thermal-Physical Properties of Fire-Protective Mineral Wool Cladding of Steel Structures Under the Conditions of Fire Resistance Tests. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Т. 4. - №. 12, (2020) 106.
3273
6. GOST 16363-98 (2002). Flame retardants for wood methods for determining flame retardants.
7. Eremina T.Yu., Krasheninnikova M.V., Dmitrieva Yu.N., Semenov D.S. Standardized requirements for the quality of fire-resistant coatings during the delivery of construction projects and the use of thermal analysis methods to predict the durability of the coating // Fire and explosion safety. 2007. No. 5. pp.105-107.
8. Berdov G.I., Ilyina L.V. etc. Influence of the type and amount of mineral additives on the strength of cement stone//International Journal of Applied and Fundamental Research.- 2010.- No. 9.- P.87-91.
© Григорьев В.С., 2022 Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей «StudNet» №5/2022.
Для цитирования: Григорьев В.С. Разработка огнезащитного состава на основе местного сырья Республики Саха (Якутия)// Научно-образовательный журнал для студентов и преподавателей №5/2022
3274
