Огнезащитные вспучивающиеся покрытия по металлу

Огнезащита металлоконструкций для предотвращения их преждевременного обрушения при ликвидации пожара - одна из основных задач современной системы пожарной безопасности зданий и сооружений. Наиболее перспективным направлением в области разработки и использования огнезащитных средств такого рода являются огневспучивающиеся покрытия (ОВП).

Несмотря на то, что металлические конструкции отличаются высокой прочностью и негорючестью, а температура плавления стали превышает 15000С, в условиях пожара незащищенный металл быстро прогревается до 500 - 6000С. При этих температурах резко снижается прочность конструкций, возникает их деформация и быстрое разрушение под воздействием силы тяжести и нормативной нагрузки.

Одним из эффективных путей устранения отмеченного недостатка является нанесение на металлоконструкции ОВП. Эти покрытия широко используются в строительной индустрии и являются современными средствами, повышающими предел огнестойкости различных изделий и конструкций и характеризующимися высокими эксплуатационными свойствами при относительно умеренной стоимости.

Настоящая публикация посвящена рассмотрению особенностей ОВП для металла.

Согласно нормами пожарной безопасности НПБ 236-97 огнезащитная эффективность ОВП для стальных конструкций характеризуется временем от начала огневого испытания стандартного образца стальной конструкции с огнезащитным покрытием до достижения им критической температуры (5000С), выраженным в минутах. В соответствии со значением этого показателя огнезащитные средства делятся на пять основных групп:

I – достижение критической температуры в течение не менее 150 мин; II – не менее 120 мин; III – не менее 60 мин; IV – не менее 45 мин; V – не менее 30 мин.

Испытания ОВП проводятся на специальной установке (печи) для огневых испытаний малогабаритных образцов стержневых конструкций. В качестве объектов, на которые наносят огнезащитный состав, используют стальные колонны двутаврового сечения профиля №20 по ГОСТ 8239. В процессе испытаний в печи создается температурный режим стандартного пожара.

Скорость нагревания стального изделия при пожаре зависит от приведенной толщины используемого металла, которая выражается отношением площади поперечного сечения металлической конструкции (S) к периметру ее обогреваемой поверхности (Р). Так, стальной профиль с большим периметром получит при нагревании больше тепла, чем таковой с меньшим периметром. С другой стороны, чем больше значение S, тем большую теплоемкость имеет стальной профиль и тем больше тепла он может поглотить. Следовательно, для более массивной конструкции соотношение S/P будет больше, она поглотит большее количество тепла, поэтому для достижения критической температуры (5000С) потребуется больше времени. Иными словами, чем большую внутреннюю теплостойкость имеет конструкция, тем меньшая огнезащита для нее требуется. Поэтому толщина ОВП, применяемых для огнезащиты металла, зависит от соотношения S/P, конфигурации стали и требуемого уровня ее огнезащиты.

Эффективность изолирующих свойств защитного кокса на основе ОВП, его способность подавлять горение зависят, в первую очередь, от количества и толщины пенослоя, кинетики и условий его образования, а также состава, строения, жесткости, термостабильности и теплопроводности. Изучение морфологии пенококса на разных стадиях его формирования из ОВП для металлических поверхностей с интумесцентной системой на основе полифосфата аммония (ПФА), пентаэритрита (ПЭР) и меламина (МЛ) показало, что вспененная масса является неоднородной по толщине. На раннем этапе образования вспененного покрытия в его поперечном сечении можно выделить несколько слоев:

- оставшееся исходное покрытие;

- слой, образовавшийся в результате физико-химических превращений (пенящаяся масса с крупными порами до 10 мм, неоднородная по цвету);

- пенококс, представляющий собой пену черного цвета, в которой практически отсутствуют крупные поры. На более поздних стадиях (повышение температуры снаружи до 7400С) на внешней поверхности вспененного кокса начинается его озоление. Образование пенозолы, как правило, белого цвета, обусловлено выгоранием конденсированной фазы пенококса. При этом со временем при возрастающей температуре толщина слоя пенозолы увеличивается, а слоя черного пенококса ―уменьшается.

По мере подъема внешней температуры толщина пенного слоя возрастает с убывающей скоростью, проходит через максимум, затем уменьшается с возрастающей скоростью, после чего в определенной степени стабилизируется. Примерно на 14-й минуте пенококс на внешней поверхности пенного слоя начинает интенсивно превращаться в пенозолу. При этом стальная подложка достигает критической температуры (5000С) вблизи вспененного слоя максимальной высоты, т.е. огнезащитные свойства ОВП в данном случае реализуются в полной мере.

Показано также, что толщина вспененного слоя возрастает с увеличением толщины исходного ОВП.

При разработке новых видов ОВП большое значение имеет правильный выбор компонентов покрытия, среди которых важная роль отводится антипиренам (АП) – веществам, снижающим горючесть материалов. Именно эти соединения во многом определяют огнезащитную эффективность ОВП. Защитное действие АП в составе пеногенных покрытий проявляется по нескольким направлениям:

- разложение АП под действием пламени с поглощением тепла, что замедляет горение;

- образование при разложении АП негорючих газов, которые уменьшают содержание горючих компонентов в газовой смеси, а также вероятность контакта кислорода воздуха с нагретой поверхностью защищаемого материала;

- образование при деструкции АП акцепторов свободных радикалов, которые взаимодействуют с продуктами цепных реакций в пламени;

- изменение направления реакции в предпламенной области в сторону образования сажеподобных продуктов;

- содействие образованию негорючего пенококсового слоя на поверхности защищаемого материала.

Одними из наиболее распространенных антипиренов в рецептурах ОВП для металла играют галогенсодержащие соединения (ГС), в частности хлорпарафины (ХП). В исходных пеногенных материалах они являются пластификаторами, влияющими на основные свойства покрытий (физико-механические, диэлектрические и др.). При воздействии пламени и высоких температур ХП выполняют также роль антипиренов.

Так как летучие продукты термического разложения галоидсодержащих компонентов являются токсичными и коррозионно-активными веществами, в последние годы наметилась устойчивая тенденция по созданию ОВП, не содержащих ГС.

Как правило, ОВП характеризуются невысокой водостойкостью. В большей мере это относится к покрытиям на основе водных дисперсий полимеров. Под воздействием осадков и высокой влажности воздуха происходит постепенное вымывание и разложение с выделением аммиака специальных компонентов покрытий, приводящее в конечном итоге к потере огнезащитных свойств материалов. Кроме того, попадание влаги на защищаемую поверхность под ОВП может приводить к развитию на поверхности металла очагов коррозии. Особенно неблагоприятными условиями для эксплуатации пеногенных покрытий является тропический климат (высокая относительная влажность и температура воздуха). В этой связи внимание исследователей постоянно направлено на создание ОВП с повышенной устойчивостью к неблагоприятным климатическим условиям. Запатентовано несколько близких по составу рецептур ОВП для металла на основе органо- и водоразбавляемых полимеров, не содержащих в галогенсодержащих антипиренов. Для достижения требуемых эксплуатационных свойств покрытий в условиях тропического климата в их интумесцентные системы вводили различные соединения: в качестве таковых вместо меламина использовали фосфат, цианурат, борат или силикат меламина, микрокапсулированный меламин, а также фосфат гуанидина.

А.В. Павлович, В.В. Владенков, В.Н. Изюмский, С.Л. Кильчицкая, Смоленский лакокрасочный завод