CC BY
83
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
dr inz. Dominika Dçbska1
dr hab. inz. Maria Fiertak, prof. PK2
Przyjçty/Accepted/Принята: 30.07.2014; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 14.02.2015; Opublikowany/Published/Опубликована: 31.03.2015;
Efektywnosc dzialania silikonowych powlok ogniochronnych3
The Effectiveness of Silicone Fire Retardant Coatings Эффективность огнезащитного действия силиконовых покрытий
ABSTRAKT
Cel: W artykule omowiono rodzaje powlok ochronnych stosowanych do zabezpieczenia budowlanych konstrukcji stalowych oraz przedstawiono wyniki przeprowadzonych badan, ktorych celem byla ocena efektywnosci i sposobu dzialania powlok silikonowych stanowi^cych zabezpieczenia zaroodporne stopow zelaza.
Metody badan: Badaniami obj^to okreslenie wplywu wysokiej temperatury oraz bezposredniego oddzialywania ognia na zmiany grubosci powlok. Oddzialywanie wysokiej temperatury realizowano w piecu firmy Nabertherm zaopatrzonym w elektroniczny uklad sterowania przyrostu i spadku temperatury. Obraz zmian wygl^du powierzchni powlok rejestrowano w mikroskopie optycznym Zeiss Stereo Discovery v20. W celu okreslenia zmian st^zen pierwiastkow wchodz^cych w sklad powlok, powstalych w trakcie wygrzewania probek w piecu oraz przy bezposrednim dzialaniu ognia, elementy poddano ocenie w mikroskopie skaningowym z emisj^ polow^ firmy FEI Nova NanoSEM 200 zaopatrzonym w sond^ rtg. Prezentowane wyniki dotycz^ powierzchniowej analizy rozkladu st^zen pierwiastkow w badanych powlokach.
Wyniki: Przeprowadzone badania wykazaly, ze skutecznosc ochronna badanych powlok silikonowych jest zroznico-wana. Lakier silikonowy wykazuje wi^ksz^ zdolnosc ochronn^ zarowno w warunkach dzialania otwartego ognia, jak i obci^zenia termicznego zwi^zanego z wygrzewaniem wysokotemperaturowym. Badane pokrycia silikonowe nalez^ do powlok wolno rozprzestrzeniaj^cych ogien, ktore chronic podloze stalowe, nie wykazuj^c istotnych zmian grubosci warstw ochronnych. W przypadku farby silikonowej obnizenie grubosci wynosi od 13% do 20% odpowiednio dla 500 i 820°C. Lakier silikonowy, zastosowany jako pokrycie powierzchni stali, zmienia w tych samych warunkach tempera-turowych grubosc w granicach 13-51%. W warunkach dzialania otwartego ognia zmiany grubosci s^ znacznie mniejsze i wynosz^ od 9% (farba) do 5% (lakier). Obnizenie srednich grubosci powlok zwi^zane jest z cz^sciowym topieniem si§ i sublimaj skladnikow pokrycia, w wyniku czego zahamowany zostaje strumien ciepla docieraj^cy do chronionej powierzchni. W skladzie badanych materialow wyst^puj^ istotne roznice przejawiaj^ce si§ w analizie powierzchniowej rozkladu pierwiastkow. Roznice te dotycz^ glownie zawartosci glinu, zelaza i w^gla. W farbie zawartosc Al wynosi 7%, Fe okolo 20%, podczas gdy w lakierze - 51% Al i mniej niz 1% Fe. Zawartosc w^gla jest dwukrotnie wi^ksza w farbie (odpowiednio ok. 20% i ok. 10% w lakierze). W wyniku dzialania ognia glowne zmiany dotycz^ zawartosci w^gla w powlokach. Zawartosc w^gla w farbie maleje 3x (otwarty ogien) do 10x (piec), podczas gdy w przypadku lakieru, niezaleznie od rodzaju oddzialania termicznego, zmniejsza si§ 2,5-krotnie.
Slowa kluczowe: stal, powloka malarska, zabezpieczenie ognioochronne, obci^zenie termiczne Typ artykulu: oryginalny artykul naukowy
Politechnika Krakowska; Krakow; ddebska@pk.edu.pl / Cracow University of Technology, Poland; Politechnika Krakowska; Krakow / Cracow University of Technology, Poland;
Autorzy wniesli rowny wklad merytoryczny w powstanie artykulu / The authors contributed equally to this article; Artykul zo-stal wyrozniony przez Komitet Redakcyjny / The article was recognised by the Editorial Committee;
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
ABSTRACT
Aim: The article describes different types of coverings utilized in the protection of steel building constructions and reveals results from research, designed to assess the effectiveness and behaviour of silicone coatings intended to provide heat resistant protection for steel alloys.
Methods: Research was focused on the influence of high temperatures and impact of direct fire on the change in the thickness of protective coating. High temperature tests were performed in a Nabertherm furnace, which was equipped with an electronic temperature control mechanism. Changes to the surface appearance were recorded by an optical microscope, Zeiss Stereo Discovery v20. In order to determine changes in the concentration of coating elements, formed during heating of samples in the furnace and under influence of direct fire, the elements were examined using a scanning electron microscope with a field emission, FEI Company Nova Nanos 200, equipped with an X-ray probe. Results from an analysis of the coating surface revealed a state of decomposition in the concentration of coating elements.
Results: The study revealed a variation in protective effectiveness of tested silicone coatings. Silicone varnish presented a greater protective ability in conditions involving direct fire as well as high temperatures in a furnace. Examined silicone coatings belong to a group, which slow down the spread of fire and protect the steel substrate, and do not reveal significant changes to the thickness of the protective layer. In the case of silicone paint a reduction in of the thickness of coatings ranged between 13% and 20% at temperatures of 500°C and 820°C respectively. Silicon varnish, applied as a surface coating for steel, under the same temperature conditions, showed changes in the thickness of 13% and 51% respectively. Action by direct fire caused lesser changes to the thickness of the coating and ranged from 9% (paint) to 5% (varnish). The average decrease in coating thickness was partially associated with the melting as well as sublimation of coating components, whereby the heat flow reaching the protected surface is slowed down. In the make-up of examined material significant differences were identified during analysis of surface decomposition of component elements. These differences were mainly associated with the content of aluminium, iron and carbon. The elements content in the silicone painting were respectively 7% to Al and about 20% to Fe, while the same elements content in the silicone varnish were 51% to Al and less than 1% to Fe. The carbon content was approximately 20% in silicone paint and about 10% in varnish respectively. As a result of direct fire application, the main changes were associated with the carbon content in both types of coating. The carbon content decreased in silicone paint from 3 times (direct fire) to 10 times in case of the furnace heating action. Whereas with silicone varnish, regardless of the type of temperature level, the content was reduced by only 2.5 times.
Keywords: steel, paint coating, fire retardant protection, high temperatures Type of article: original scientific article
АННОТАЦИЯ
Цель: В статье рассмотрены типы огнезащитных покрытий, которые используются для защиты стальных строительных конструкций, а также представлены результаты проведенных исследований, целью которых была оценка эффективности и изучение механизма действия силиконовых покрытий, являющихся теплостойкой защитой сплавов железа.
Методы исследований: Исследования включали в себя определение влияния высокой температуры и непосредственного влияния огня на изменение толщины покрытий. Воздействие высокой температуры проводилось в печи производства Nabertherm, оснащённой электронной системой контроля роста и снижения температуры. Визуальное изображение изменений поверхности покрытий регистрировалось оптическим микроскопом Zeiss Stereo Discovery v20. С целью определения изменений концентрации элементов, входящих в состав покрытий, появившихся во время нагрева образцов в печи, а также при непосредственном воздействии огня, компоненты были подвержены оценке в сканирующем микроскопе с автоэлектронной эмиссией производства FEI Nova NanoSEM 200 с рентгеновским зондом. Представленные результаты касаются поверхностного анализа распределения концентрации химических элементов в исследуемых покрытиях.
Результаты: Проведённые исследования показали, что защитная эффективность исследуемых силиконовых покрытий неодинакова. Силиконовый лак проявляет лучшую защиту как в условиях воздействия открытого огня, так и в условиях термической нагрузки, связанной с высокой температурой нагрева. Исследуемые силиконовые покрытия принадлежат к покрытиям, которые медленно распространяют огонь, защищая стальную поверхность и не проявляют существенных изменений толщины защитных слоев. В случае силиконовой краски снижение толщины составляет от 13% до 20% для температур 500°C и 820°C соответственно. Силиконовый лак, используемый в качестве покрытия поверхности стали, изменяет свою толщину в тех же температурных условиях в пределах 13-51%. В условиях воздействия открытого огня изменения толщины значительно меньшие и составляют от 9% (краска) до 5% (лак). Снижение средней толщины покрытия связано с частичным плавлением и сублимацией компонентов покрытия, в результате которых задерживается поток тепла, достигающий защищаемой поверхности. В составе исследуемых материалов выступают существенные различия, наблюдаемые при поверхностном анализе распределения элементов. Эти различия касаются прежде всего содержания алюминия,
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ 001:10.12845/Ьйр.37.1.2015.4
железа и угля. В краске объём А1 составляет 7% и Бе около 20%, в то время как в лаке 51% А1 и менее чем 1% Бе. Содержание угля в два раза выше в краске (соответственно около 20% и около 10% в лаке). Вследствие воздействия огня главные изменения касаются содержания угля в покрытиях. Содержание угля в краске снижается в 3 раза (открытый огонь) и в 10 раз (печь), в то время, как в случае лака, независимо от вида термического воздействия, снижается в 2 с половиной раза.
Ключевые слова: сталь, малярное покрытие, термическая нагрузка Вид статьи: оригинальная научная статья
1. Wprowadzenie
Jednym z 7 podstawowych wymagan w zakresie bezpieczenstwa pozarowego konstrukcji budowlanych jest zapewnienie nosnosci konstrukcji w okreslonym czasie lub przez caly okres trwania pozaru. W warunkach pozaru konstrukcje metalowe ulegaj^ nie-korzystnym zmianom. Pod wplywem ogrzewania stal uplastycznia sif, a elementy konstrukcji deformuj^ sif, gdyz maleje ich sztywnosc. W odroznieniu od zelbeto-wych i drewnianych konstrukcje stalowe stosunkowo szybko osi^gaj 4 wysokie wartosci temperatury w calym przekroju. Krytyczna temperatura rzfdu 450-550°C osi^gana jest zazwyczaj po 4-5 minutach pozaru.
Tylko elementy o duzej masywnosci, a wifc ma-lym stosunku powierzchni do przekroju (U/F), przy niewielkich obci^zeniach mog^ uzyskac odpornosc ogniow^ od R15 do R30.
Mozna wifc jednoznacznie stwierdzic, ze poza ma-lymi wyj^tkami elementy konstrukcji stalowych nie maj^ nosnosci ogniowej. W kazdym budynku, w kto-rym jest wymagana od elementow konstrukcji chocby najmniejsza nosnosc ogniowa, uzycie konstrukcji sta-lowej wymaga nalozenia na jej elementy odpowiednich powlok lub uzycia innych rozwi^zan, np. obudowy czy zastosowania chlodzenia. To dzifki nim stal nabiera cech odpornosci ogniowej, a w konsekwencji moze byc wykorzystywana jako samodzielny material kon-strukcyjny w nowoczesnym budownictwie.
Rozne s^ rodzaje i efektywnosc dzialania powlok ochronnych, rozny sposob ich zamocowania na chro-nionym elemencie, ale cel jest ten sam - minimalizacja przyrostu temperatury chronionego elementu. Bardzo waznym parametrem jest wskaznik masywnosci elementu, ale pozostale stale jego cechy charakterystyczne jak m.in.: wspolczynnik przejmowania ciepla, cieplo wlasciwe czy przenikanie cieplne przejmuj^ powloki ochronne [1], [2].
Powloki ogniochronne, ze wzglfdu na mechanizm ich dzialania, mozna podzielic na pfczniej^ce i wolno rozprzestrzeniaj^ce plomien.
Powloki pfczniej^ce pod wplywem temperatury staj^ sif plastyczne i wydzielaj^ obojftne chemicznie gazy, ktore spieniaj^ material powloki, czym nadaj^
mu porowat^ strukturf. Po ulegnifciu zas zwfgleniu zestalaj^ sif i tworz^ izolacjf ciepln^. Powloki tego typu znajduj^ zastosowanie w ochronie konstrukcji stalowych, a takze innych materialow takich jak: drewno, tworzywa sztuczne i tekstylia.
Powloki wolno rozprzestrzeniaj^ce plomien po-woduj^ wytwarzanie dymu. Zawieraj^ one substancje chemiczne, ktore w podwyzszonej temperaturze la-two sif rozkladaj^ z wydzieleniem niepalnych gazow hamuj^cych rozprzestrzenianie sif ognia. Powloki takie stosuje sif mifdzy innymi do pokrywania scian i sufitow z materialow latwopalnych.
2. Rodzaje powlok ochronnych
Farby pfczniej^ce s^ najczfsciej stosowanymi po-wlokami ochronnymi. Stanowi^ one izolacjf ognio-chronn^, ktora moze nadawac elementom stalowym odpornosc ogniow^ od R15 do R120. Dzialanie ich polega na przyroscie objftosci powloki pod wplywem wzrastaj^cej temperatury. Dzifki niskiej przenikalnosci cieplnej oraz zmianie objftosci, powloka pozwala na osi^gnifcie odpornosci ogniowej stali [3], [4]. Farby pfczniej^ce sprzedawane s^ w formie zestawow, w kto-rych znajduj^ sif:
• farba podkladowa (grunt) - przystosowuje podloze do j ak najlepszego pol^czenia sif z farb^ zasadnicz^,
• farba zasadnicza - wlasciwa powloka pfczniej^ca o wlasnosciach ogniochronnych,
• farba nawierzchniowa - dzifki niej chroniony element nabiera walorow estetycznych.
Na warstwf farby podkladowej naklada sif powlokf pfczniej^c^, ktora w swym skladzie zawiera: substancjf blonotworcz^, srodek tworz^cy warstwf zwfglon^, substancjf odwadniaj^c^ oraz srodek porotworczy (spieniaj^cy powlokf). Jako substancje blonotworcze (spoiwa) stosuje sif chlorokauczuki, kopolimery winy-lowe, zywice epoksydowe oraz lateksy akrylowe. Jako skladnik dostarczaj^cy wfgiel najczfsciej stosowany jest pentaerytryt, (C(CH2OH)4) - zwi^zek organiczny z grupy alkoholi polihydroksylowych.
Podstawowymi zaletami farb pfczniej^cych s^: la-twosc pokrycia elementow, co jest szczegolnie istotne dla konstrukcji stalowych kratowych lub stfzonych,
gdzie wystçpuje duza liczba elementów, pol^czonych ze sob^ czçsto w skomplikowane struktury; estetyka zabezpieczanych elementów (róznorodna kolorystyka i mnogosc faktur), a takze szybkosc wykonywanych prac ochronnych. Podstawowym ograniczeniem stoso-walnosci tych farb jest mozliwosc uzyskania odpornosci ogniowej tylko do R60, choc znane s^ zabezpiecze-nia powlokowe o odpornosci ogniowej R120, a które dla wielu obiektów s^ niewystarczaj^ce.
Specjalistyczne farby ogniochronne to dzis w bu-downictwie standard. Nie ma jednak wsród nich pro-duktów, które sprawdzalyby siç w kazdych warunkach.
Akrylowe farby ogniochronne to najtañszy i czçsciej stosowany wariant zabezpieczeñ ogniochronnych. S^ proste w aplikacji, mozna je wiçc z powodzeniem za-stosowac, jesli tylko nie mamy do czynienia z groznymi pozarami wçglowodorowymi [5], [6].
Powloki grubowarstwowe z farb ogniochronnych to wariant stosowany w wyj^tkowo trudnych warunkach. Tego typu systemy oparte s^ zwykle na farbach na bazie zywic epoksydowych (farby ogniochronne epoksydowe). Najkrócej odporne na ogieñ powloki tego typu (R30) osi^gaj^ grubosc w granicach 2-4 mm, natomiast zabezpieczenia oferuj^ce najdluzsz^ ochro-nç (R120) to warstwy o grubosci osi^gaj^cej nawet 20 mm. W czasie pozaru rozszerzaj^ siç one w duzo mniejszym stopniu niz farby ogniochronne akrylowe, zwykle okolo 5-krotnie.
Powloki wolno rozprzestrzeniaj^ce ogieñ mog^ opózniac lub tlumic proces spalania poprzez dzialanie fizyczne lub chemiczne. Dzialanie fizyczne polega na oziçbianiu podloza w wyniku reakcji endotermicznych albo na blokowaniu substancji palnych przez pigmenty i wypelniacze oraz wytwarzane w procesie spalania niepalne gazy. Dzialanie chemiczne zachodz^ce w fazie gazowej polega na zaklócaniu reakcji rodnikowych bior^cych udzial w procesie spalania. Dzialanie chemiczne w fazie stalej dotyczy z reguly przyspieszania rozkladu polimeru, co powoduje usuwanie paliwa ze strefy ognia. Drugi mechanizm ochronny to tworzenie odpornej na wysok^ temperaturç warstwy wçglowej,
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
utrudniaj^cej dostçp tlenu do chronionego podloza. Mechanizm ogniochronnego dzialania powlok zalezy od skladu farby, w tym glównie od zastosowanego srodka opózniaj^cego palenie.
Natryskowe powloki ogniochronne stosuje siç do zabezpieczania elementów konstrukcji stalowych znajduj^cych siç wewn^trz obiektu. Uzyskuje siç odpornosc ogniow^ w przedziale od R30 do R240. W przeciwieñstwie do farb pçczniej^cych powloki te s^ jednowarstwowe, natryskiwane bezposrednio na konstrukcjç po jej uprzednim oczyszczeniu i od-tluszczeniu. W zaleznosci od spoiwa wyróznia siç powloki natryskowe na bazie: spoiwa cementowe-go z wypelniaczami w postaci granulowanej welny skalnej, kruszywa wermikulitowego czy wlókien mi-neralnych (bez azbestu i wermikulitu) oraz spoiwa gipsowego z wypelniaczami w postaci granulowanej welny mineralnej skalnej i kruszywa perlitowego oraz z dodatkami.
Plytowe powloki ogniochronne maj^ zastosowa-nie zarówno do izolacji konstrukcji, stref pozaro-wych czy kanalów wentylacyjnych. Podstawowym elementem systemu ochronnego s^ plyty wykonane na bazie welny mineralnej, które z powodów tech-nicznych nie wymagaj^ dodatkowej oslony, ale tez nie s^ specjalnie estetyczne. Aby izolacja ochronna dzialala prawidlowo, musi miec wlasciw^ grubosc, która zalezy od temperatury krytycznej, wskaznika masywnosci oraz oczekiwanego poziomu odpornosci ogniowej [7].
3. Opis i wyniki przeprowadzonych badan
Celem przeprowadzonych badañ byla ocena efek-tywnosci i sposobu dzialania powlok silikonowych powszechnie stosowanych jako zabezpieczenia ognio-odporne stopów zelaza.
Do badañ wybrano dwa rodzaje tych powlok.
W tabeli 1 przedstawiono podstawowe cechy zabezpieczeñ.
powloka coating type A B
baza base farba antykorozyjna na bazie zywicy silikonowej, do stosowania wewn^trz i na zewn^trz anticorrosive paint on silicone raisin allowed for use in- and outdoor lakier na bazie zywicy silikonowej varnish on silicone raisin
Tabela 1. Podstawowe cechy charakteryzuj^ce przedmiotowe zabezpieczenia - wedlug danych producenta Table 1. The basic characteristics of the examined coatings - manufacturer data
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
powloka coating type A B
deklarowana zaroodpornosc declared heat resistance standard - 600°C w suchym powietrzu szczyt (krotkoterminowo) - 750°C (suche powietrze) standard - 600°C in dry air condition peak (short-term) - 750°C (in dry air condition) 800°C
wydajnosc efficiency 10-12 m2/l przy grubosci powloki 35-45 |im 10-12 m2/litre, average coating thickness 35-45 |im 11 m2/l 11 m2/litre
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Obydwa systemy nanoszono oddzielnie na wczes- wyciçte z arkusza blachy stalowej o grubosci 0,6 mm niej przygotowane piytki o wymiarach 10x15 cm, (ryc. 1).
Ryc. 1. Wygl^d powierzchni probek przygotowanych do badania odpornosci termicznej; a) farba silikonowa;
b) lakier silikonowy
Fig. 1. The surface appearance of examined specimens prepared for thermal resistance testing; a) silicone paintings;
b) silicone varnish Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Tak przygotowane elementy probne kondycjono-wano termicznie w sposob zalecany przez producenta powloki, a nastçpnie przechowywano w laboratorium do momentu badania.
Badaniami objçto okreslenie wplywu zdefiniowanej wysokiej temperatury oraz wplywu bezposredniego oddzialywania ognia na zmianç nastçpuj^cych cech:
• grubosc przedmiotowych powlok,
• wygl^d powlok w ogl^dzie makro- i mikroskopowym,
• powierzchniowa analiza rozkladu pierwiastkow okreslana w mikroskopie skaningowym. Oddziaiywanie wysokiej temperatury realizo-
wano w piecu firmy Nabertherm zaopatrzonym w elektroniczny uklad sterowania przyrostu i spadku temperatury.
Jako ze obydwa systemy, wedlug deklaracji pro-ducentow, powinny chronic konstrukcje i elementy stalowe w warunkach standardowych w temperaturze wyzszej niz 500°C w pierwszym etapie „wygrzewania" elementy poddano oddzialywaniu nastçpuj^cego cyklu obci^zenia termicznego:
• ogrzewanie probek z wyjsciowej temperatury 20°C do zakladanej temperatury 500°C z szybkosci^ 5°C/min,
• wygrzewanie elementow w temperaturze 500°C przez 60 minut,
• powolne studzenie probek do temperatury 20°C. Zgodnie z oczekiwaniami w tym etapie badan nie
zaobserwowano wiçkszych zmian grubosci powlok oraz zadnych zmian wygl^du powierzchni zewnçtrz-nych w obu systemach (ryc. 2).
W kolejnym etapie elementy poddano oddzialywa-niu niszcz^cej dla obu systemow temperatury 820°C w cyklu realizowanym wedlug zalozen:
• ogrzewanie probek z wyjsciowej temperatury 20°C do zakladanej temperatury 820°C z szybkosci^ 5°C/min,
• wygrzewanie elementow w temperaturze 820°C przez 60 minut,
• powolne studzenie probek do temperatury 20°C. Przy ponownym ogrzewaniu probek zaobserwowano zmiany grubosci powlok oraz zmiany wygl^du powierzchni zewnçtrznych w obu systemach (ryc. 2).
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
farba silikonowa
- strona 1 silicone paint
- side 1
farba silikonowa
- strona 2 silicone paint
- side 2
lakier silikonowy
- strona 1 silicone varnish
- side 1
lakier silikonowy
- strona 2 silicone varnish
- side 2
t = 500°C
t = 820°C
Ryc. 2. Wygl^d powierzchni zewn^trznych probek pokrytych odpowiednio farb^ i lakierem silikonowym przed i po
oddzialywaniu obci^zenia termicznego Fig. 2. Appearance of the external surfaces samples coated respectively with paint and silicone varnish before and after
the impact of the thermal load Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
W kazdym etapie badan grubosc powloki okre-slano metod^ magnetyczn^ [8] przy uzyciu czujnika Minitest 600.
W tabeli 2 przedstawiono wyniki pomiarow gru-bosci otrzymane dla powiok przed obci^zeniem termicznym oraz po kazdym z cykli wygrzewania wysokotemperaturowego.
Tabela 2. Zmiana grubosci przedmiotowych powlok wywolana obci^zeniem termicznym Table 2. Change of thickness of the examined coatings caused by thermal stress
c
l
t = 20°C t = 500°C t = 820°C
farba silikonowa silicone paint n = 30 d,r = 157 |im v = 40 |im n = 30 d,r =137 |m v =24 |m n = 30 d,r = 122 |im v = 24 |im
lakier silikonowy silicone varnish n = 30 d = 37 |m v = 5 |im n = 30 d = 32 |m v = 3 |m n = 30 d,r = 18 |m v =3 |m
gdzie: n - liczebnosc proby; dsr - srednia grubosc powloki; v - odchylenie standardowe where: n - sample size; d,r - average coating thickness; v - standard deviation
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Dokladniejszy obraz zmian wygl^du powierzchni powlok otrzymano w wyniku obserwacji
w mikroskopie optycznym Zeiss Stereo Discovery v20 (ryc. 3-4).
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
d)
e)
Ryc. 3. Zmiana wygl^du powloki wykonanej z farby silikonowej wywolana obci^zeniem termicznym (pow. 50x); a) powierzchnia probki przygotowanej do badania; b) powierzchnia probki po wygrzewaniu w temperaturze 500°C; c-e) powierzchnia probki po wygrzewaniu w temperaturze 820°C Fig. 3. Changes of the appearance of the silicone paintings induced by thermal load (mag. 50x); a) the surface of a specimen prepared for testing; b) the surface of the sample after heating at 500°C; c-e) the surface of the sample after heating at 820°C
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Ryc. 4. Zmiana wygl^du powloki wykonanej z lakieru silikonowego wywolana obci^zeniem termicznym (pow. 50x); a) powierzchnia probki przygotowanej do badania; b) powierzchnia probki po wygrzewaniu w temperaturze 500°C; c-e) powierzchnia probki po wygrzewaniu w temperaturze 820°C Fig. 4. Changes of the appearance of the silicone varnish induced by thermal load (mag.50x); a) the surface of a specimen prepared for testing; b) the surface of the sample after heating at 500°C; c-e) the surface of the sample after heating at 820°C
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Bezposrednia makroskopowa i mikroskopowa ob-serwacja powierzchni poddanej oddzialywaniu wy-sokiej temperatury pokazala, ze powloki wykonane z obu przedmiotowych materialow zachowaly swoje wlasciwosci ochronne przy obciyzeniu temperature 500°C. W mikroskopie optycznym nie mozna bylo zaobserwowac zadnych zmian wyglydu powierzchni (ryc. 2b, 2e, 2h, 2k oraz 3b i 4b). Roznice ujawnily sif po podniesieniu temperatury do 820°C. Na powierzchni wykonanej z farby silikonowej miejscowo mozna bylo zaobserwowac ubytki powloki sifgajyce
az do powierzchni stali (ryc. 3c). Na ile jednak farba skutecznie chroni powierzchnif stali przed zmianami wywolanymi wysoky temperatury pokazujy ryciny 2f, 3d i 3e. Stal celowo nie pokryta farby, w wyniku obciy-zenia temperatury 820°C, pokryla sif zgorzeliny, ktorej granicf stanowilo pierwotne zabezpieczenie malarskie.
Nieco inaczej prezentowalo sif zniszczenie powloki wykonanej z lakieru sylikonowego. W obserwacji ma-kroskopowej, poza wyrazny zmiany zabarwienia powloki z polyskujycej srebrno-popielatej na ciemnopopiela-ty matowy, mozna bylo zauwazyc rdzawe punkty. Ich
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
koncentracja wystçpowala w obszarze bliskim krawçdzi probki. Obserwacja mikroskopowa pokazala zwiçkszenie porowatosci powloki oraz obecnosc rdzawych punktow w opisanych nieci^glosciach (ryc .4c, 4d). Potwierdzila siç rowniez obserwacja dotycz^ca koncentracji Fe2O3 w obszarach krawçdziowych probek (ryc. 4e).
Kolejne badanie obejmowalo okreslenie wplywu temperatury i plomienia na wlasciwosci ochronne badanych powlok. Do tego etapu przygotowano nowe
Tabela 3. Zmiana grubosci przedmiotowych powlok wywolan Table 3. Change of thickness of the examined coatings caused
elementy probne, ktore otrzymano i kondycjonowano w sposob opisany powyzej. Po (tygodniowym) okresie (dojrzewania), okolo 3-centymetrowy skrajny fragment probki umieszczono nad plomieniem palnika gazowe-go. Podobnie, jak wczesniej, okreslano zmiany grubosci powloki [8] oraz zmiany wygl^du przedmiotowych powierzchni wywolane bezposrednim jednostronnym dzialaniem ognia. Otrzymane wyniki zmian grubosci przedmiotowych powlok przedstawiono w tabeli 3.
ezposrednim oddzialywaniem ognia
flame action
farba, od strony dzialania ognia silicone paint, flame action sample side farba, strona przeciwna silicone paint, opposite to flame action side of sample lakier, od strony dzialania ognia silicone varnish, flame action sample side lakier, strona przeciwna silicone varnish, opposite to flame action side of sample
probka przygotowania do badan sample before flame action n = 15 d, = 182 urn sr r v = 28 um n = 15 d, = 201 um sr r v = 83 |m n = 15 d = 44 um sr r v = 4 um n= 15 d = 41 |m sr r v = 5 |m
po wygrzewaniu w plomieniu palnika sample after flame action n = 15 d, = 164 um sr v = 39 um n = 15 d, = 182 |m sr v = 46 |m n = 15 d, = 42 um sr v = 5 um n= 15 d, = 38 |m sr v = 5 |m
gdzie: n - liczebnosc proby; d,r - srednia grubosc powloki; v - odchylenie standardowe where: n - sample size; d,r - average coating thickness; v - standard deviation
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Obrazy pokazane na ryc. 5 ilustruj^ zmiany wy-gl^du powierzchni powlok poddanych jednostron-nemu oddzialywaniu plomienia. Nalezy zauwazyc, ze po 10-minutowym wygrzewaniu nad plomieniem ogrzewaj^cym palnika laboratoryjnego (t > 800°C) na powloce wykonanej z farby silikonowej (zdjçcie
po lewej) mozna bylo zaobserwowac pojawienie siç podluznych, a nastçpnie poprzecznych spçkan. Spçka-niom tym towarzyszylo odspajanie farby od podloza i powstanie zgorzeliny na powierzchni stali. Swiad-czylo to o calkowitej utracie wlasciwosci ochronnych powloki w stosunku do podloza.
Ryc. 5. Zmiany wygl^du przedmiotowych powlok wywolane bezposrednim oddzialywaniem ognia Fig. 5. Changes of the appearance of the examined coatings caused by flame action Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
Doswiadczenie pokazalo rowniez, ze wplyw bez-posredniego dzialania ognia na powlokf wykonany z lakieru silikonowego jest znacznie mniejszy. Powloka ta nie wykazywala opisanych wczesniej spfkan oraz nie odpadala od podloza. Jedyne zmiany, jakie mozna bylo zaobserwowac, dotyczyly koloru - powloka sciemniala
a)
b)
po stronie przeciwnej do bezposredniego dzialania ognia, a w obszarze bezposrednio nad plomieniem pojawil sif wyrazny bialy nalot.
Dokladniejszy obraz zmian wyglydu powierzchni powlok otrzymano w wyniku obserwacji w mikroskopie optycznym Zeiss Stereo Discovery v20 (ryc. 6-7).
* j iw. .\ i ••> • »д. In ; •■„ <•• • iV <■.■ .
c)
. л- V- .
d) «nWKBHHH e)
Ryc. 6. Zmiana wyglydu powloki wykonanej z farby silikonowej wywolana obci^zeniem termicznym (pow. 50x); a) powierzchnia probki przygotowanej do badania; b-e) powierzchnia probki poddana bezposredniemu dzialaniu ognia Fig. 6. Changes of the appearance of the silicone paintings induced by thermal load (mag.50x); a) the surface of a specimen prepared for testing; b-e) the surface of the sample exposed to flame action Zrodio: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
a)
b)
c)
d)
e)
Ryc. 7. Zmiana wyglydu powloki wykonanej z lakieru silikonowego wywolana obci^zeniem termicznym (pow.50x); a) powierzchnia probki przygotowanej do badania; b-e) powierzchnia probki poddana bezposredniemu dzialaniu ognia Fig. 7. Changes of the appearance of the silicone varnish induced by thermal load (mag.50x); a) the surface of a specimen prepared for testing; b-e) the surface of the sample exposed to flame action Zrodio: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Bezposrednia makroskopowa i mikroskopowa obser-wacja powierzchni poddanej bezposredniemu oddzia-lywaniu plomienia pokazala, ze w strefie oddzialywania ognia pojawily sif podluzne i poprzeczne makro- i mi-krospfkania powloki wykonanej z farby silikonowej (ryc. 6b i 6c). Punktowo mozna rowniez bylo zaobserwowac
niewielky ilosc zgorzeliny, ktora powstala w miejscach odspojenia farby od podloza stalowego (ryc. 6d, 6e). Praktycznie niewidoczne byly obszary bogate w Fe2O3 - brak rdzawego zabarwienia powierzchni stali.
Nieco inaczej prezentowalo sif zniszczenie powloki wykonanej z lakieru sylikonowego. O ile
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
obserwacja makroskopowa ujawnila zmianç koloru powierzchni (o czym byla mowa wczesniej), o tyle pod 50-krotnym powiçkszeniem uzyskanym w mikroskopie optycznym mozna bylo zauwazyc zwiçk-szenie porowatosci powloki (ryc. 7b), miejscowe pojawienie siç glçbokich spçkan (ryc. 7d), a takze obecnosc rdzawych przebarwien (ryc. 7c, 7d i 7e). Obszar o pomaranczowym zabarwieniu - koncen-tracja powstalego Fe2O3 - (ryc. 7e) odpowiadal miejscu najintensywniejszego dzialania plomie-nia palnika. Opisanych zmian nie zaobserwowano
w strefie oddalonej od bezposredniego dzialania ognia.
W celu okreslenia zmian stçzen pierwiastkow wchodz^cych w sklad powlok, powstalych w trakcie wygrzewania probek w piecu oraz przy bezposrednim dzialaniu ognia, elementy poddano ocenie w mikroskopie skaningowym z emisj^ polow^ firmy FEI Nova NanoSEM 200 zaopatrzonym w sondç rtg. Uzyskane wyniki dotycz^ce powierzchniowej analizy rozkladu stçzen pierwiastkow, istotnych dla wlasciwosci ochron-nych powloki, przedstawiono w tabeli 4.
Tabela 4. Analiza powierzchniowa rozkladu st^zen pierwiastkow w badanych powlokach
Table 4. Analysis of the distribution of elements concentration (EDS) on the examined coatings surfaces
[% masy] [% of weight] Si O Al Fe C pozostale others
farba silikonowa - probka odniesienia silicone paint - reference sample 10,98 35,75 6,81 19,67 20,13 6,66
farba silikonowa - piec silicone paint - furnace action 16,05 37,93 8,86 26,83 2,45 7,88
farba silikonowa - otwarty ogien silicone paint - flame action 13,90 36,12 8,13 25,92 7,28 9,65
lakier silikonowy - probka odniesienia silicone varnish - reference sample 14,51 21,21 51,47 0,83 9,32 2,66
lakier silikonowy - piec silicone varnish - furnace action 14,05 43,07 32,68 3,66 4,18 2,36
lakier silikonowy - otwarty ogien silicone varnish - flame action 15,24 34,76 41,91 1,22 4,12 2,75
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
4. Podsumowanie
Analizuj^c otrzymane wyniki badan mozna stwier-
dzic, ze:
• skutecznosc ochronna badanych powlok siliko-nowych jest zroznicowana. Lakier silikonowy wykazuje wiçksz^ zdolnosc ochronn^ zarowno w warunkach dzialania otwartego ognia, jak i ob-ci^zenia termicznego zwi^zanego z wygrzewaniem wysokotemperaturowym,
• w deklarowanej przez producenta dopuszczal-nej temperaturze dlugotrwalego obci^zenia termicznego nie zaobserwowano znacz^cych zmian wygl^du powierzchni obydwu rodzajow powlok silikonowych. Roznicowanie sposobu zniszczenia nast^pilo dopiero po przekroczeniu deklarowanej temperatury ognioodpornosci. Obserwo-wane roznice wynikaly ze skladu chemicznego materialow,
• badane pokrycia silikonowe nalez^ do powlok wolno rozprzestrzeniaj^cych ogien, ktore chroni^
podloze stalowe, nie wykazuj^c istotnych zmian grubosci warstw ochronnych. W przypadku farby silikonowej obnizenie grubosci wynosi od 13% do 20% odpowiednio dla 500 i 820°C. Lakier silikonowy, zastosowany jako pokrycie powierzchni stali, zmienia w tych samych warunkach temperaturo-wych grubosc w granicach 13-51%. W warunkach dzialania otwartego ognia zmiany grubosci s^ znacznie mniejsze i wynosz^ od 9% (farba) do 5% (lakier). Obnizenie srednich grubosci powlok zwi^zane jest z czçsciowym topnieniem i sublimaj skladnikow pokrycia, w wyniku czego zahamowany zostaje strumien ciepla docieraj^cy do chronionej powierzchni,
w skladzie badanych materialow wystçpuj^ istotne roznice przejawiaj^ce siç w analizie powierzchniowej rozkladu pierwiastkow. Roznice te dotycz^ glownie zawartosci glinu, zelaza i wçgla. W farbie zawartosc Al wynosi 7% i Fe okolo 20%, podczas gdy w lakierze 51% Al i < 1% Fe. Zawartosc wçgla jest dwukrotnie wiçksza w farbie (odpowiednio
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
ok. 20% i ok. 10% w lakierze). W wyniku dzialania ognia glowne zmiany dotycz^ zawartosci wçgla w powlokach. Zawartosc wçgla w farbie maleje 3x (otwarty ogien) do 10x (piec), podczas gdy
D01:10.12845/bitp.37.1.2015.4
w przypadku lakieru, niezaleznie od rodzaju dzialania temperatury, zmniejsza siç 2,5-krotnie. Re-dukcja wçgla stanowi rowniez przyczynç zmian grubosci powlok.
Literatura
[1] Biegus A., Czynne i bierne zabezpieczenia ognio-chronne konstrukcji stalowych, „Izolacje" Issue 3, 2013, pp. 38-49.
[2] Nowicka-Nowak M., Powloki ogniochronne, Chemical online [dok. elektr.] http://chemical. pl/artykuly/chemical-review/6771/powloki--ogniochronne.html [dostçp 9 marca 2006].
[3] Kopcinski R., Konstrukcje stalowe i zabezpie-czenie ogniochronne cz. I, Muratorpluspl [dok. elektr.] http://www.muratorplus.pl/technika/ konstrukcje/konstrukcje-stalowe-i-zabezpiecze-nie-ogniochronne-cz-i_61625.html?&page=0 [dostçp 30 czerwca 2014].
[4] Kopcinski R., Konstrukcje stalowe i zabezpie-czenie ogniochronne cz. II, Muratorpluspl [eok. elektr.] http://www.muratorplus.pl/technika/
konstrukcje/konstrukcje-stalowe-i-zabezpie-czenie-ogniochronne-cz-ii_61677.html [dostçp 30 czerwca 2014].
[5] Maslanka A., Akrylowe i epoksydowe farby ogniochronne, Rynek Farb, 2013 [dok. elektr.] http:// www.rynekfarb.pl/akrylowe-i-epoksydowe--farby-ogniochronne/ [dostçp 20 lipca 2013].
[6] Maslanka A., Rodzaje pozarow i farby ogniochronne, Rynek Farb, 2013 [dok. elektr.] http:// www.rynekfarb.pl/rodzaje-pozarow-farby-og-niochronne/ [dostçp 08 sierpnia 2013].
[7] Strona internetowa: www.steel-access.com [do-stçp 30 czerwca 2014].
[8] PN-EN ISO 2178:1998 Powloki niemagnetyczne na podlozu magnetycznym. Pomiar grubosci powlok. Metoda magnetyczna.
* *
dr inz. Dominika Dçbska - ukonczone studia magisterskie: Politechnika Krakowska, Wydzial Inzynierii L^dowej; miejsce pracy - Politechnika Krakowska, Instytut Materialow i Konstrukcji Budowlanych; zainteresowania zawodowe: korozja materialow budowlanych.
dr hab. inz. Maria Fiertak, prof. PK - ukonczone studia magisterskie: Politechnika Krakowska, Wydzial Inzynierii i Tech-nologii Chemicznej; miejsce pracy - Politechnika Krakowska, Instytut Materialow i Konstrukcji Budowlanych; zainteresowania zawodowe: korozja materialow budowlanych.
