Физико-химия вспенивающихся огнезащитных покрытий на основе полифосфата аммония
04.04.2011
С.А. Ненахов, к.х.н., вед. научн. сотр.; В.П. Пименова, к.х.н., зам. директора по научн. работе НПП «Теплохим», Москва
ж. Пожаровзрывобезопасность. 2010. №8, стр. 11-58
Вспенивающиеся при высокой температуре покрытия на основе полифосфата аммония (ПФА) применяют для огнезащиты всевозможных конструкций: от черных ящиков самолетов до строительных конструкций, изготавливаемых из различных материалов (металлы, древесина, пластики, железобетон). Способы формирования огнезащитных вспенивающихся покрытий (ОВП) в настоящее время также разнообразны – из водно-дисперсионных или органо-растворимых систем, из листовых материалов, изготавливаемых методами экструзии или каландрования. Огнезащитные материалы на основе полифосфата аммония, работоспособны начиная с температуры примерно 2500С. Современные огнезащитные покрытия при толщине более 2 мм способны увеличить продолжительность периода работоспособности несущих стальных строительных конструкций в условиях пожара примерно до десяти раз. При этом толщина вспененного покрытия может в 30-100 раз превышать толщину исходного покрытия.
Цель настоящего обзора – обобщение существующих представлений о химии и физике превращений, происходящих в органо-фосфат-аммонийных составах в ходе их нагрева до высокой температуры, характерной для условий пожара. То есть обзор, по сути, дела представляет собой попытку изложения основополагающих представлений материаловедения вспенивающихся огнезащитных покрытий на основе полифосфата аммония.
В обзоре обобщены литературные данные за последние примерно 35 лет, то есть с момента перехода к систематическим исследованиям, пришедшим в дополнение продолжавшимся в течение многих десятилетий поискам методом проб и ошибок, которые, впрочем, и подготовили базу для начала систематических исследований и промышленной технологии огнезащитных вспенивающихся материалов. Не смотря на явную материаловедческую направленность обзора, мы считали уместным ограничиться изложением опубликованных экспериментальных и теоретических результатов, практически не затрагивая (за редким исключением) огромный пласт патентов.
Накопленные к настоящему времени литературные данные позволяют рассматривать эволюцию огнезащитных вспенивающихся покрытий в двух аспектах. Во-первых, это рассмотрение проблемы описания превращений в единице объема, куда входят: (а) вопросы термохимии различных комбинаций полифосфата аммония с органическими и неорганическими соединениями, (б) проблемы физических превращений, обеспечивающих создание вспененного кокса. Во-вторых, это вопросы макрокинетики, т.е. закономерности прохождения фронта превращения через толщу огнезащитного покрытия. Этот материал изложен соответственно во 2-ой, 3-ей и 4-ой главах обзора. В первой вводной главе изложены краткая история вспенивающихся материалов на основе фосфата аммония, общие материаловедческие представления и сведения об индивидуальных компонентах – основных участниках огнезащитных сценариев.
Конечно, в таком обзоре очень уместной была бы глава о соотношении между основными характеристиками конечного продукта – т.е. собственно пенококса. Например, что представляет собой зависимость теплопроводности от величины вспенивания? К сожалению, такие систематические исследования в литературе практически отсутствуют, а те сведения, которые опубликованы, трудно признать однозначными.
Всеобъемлющее отражение работ, выполненных в последние годы за рубежом, по известным причинам весьма затруднительно, но авторы настоящего обзора стремились по возможности отразить основные направления и результаты исследований науки о вспенивающихся огнезащитных материалах на основе полифосфата аммония в нашей стране и за рубежом. Какие-то публикации по теме остались за рамками обзора; авторы приносят извинения читателям и авторам работ не включенных в обзор.
Замечание о терминологии. В настоящее время применительно к вспенивающимся огнезащитным материалам в русскоязычной литературе используют три термина: вспенивающиеся, вспучивающиеся, интумесцентные. При цитировании в данном обзоре сохранены авторские термины, хотя, конечно, они несут разную смысловую нагрузку – обозначают разные механизмы изменения объема. Так интумесценция (intumescence – англ. – термин, заимствованный из биологии, обозначает взбухание, вздутие, набухание вспучивание), как и вспучивание - обозначают образование выпуклости, вздутия (посредством образования под корковым слоем поверхности одной или нескольких больших полостей. Термин вспенивание обозначает образование пузырчатой, ячеистой массы с ячейками малого размера.
Мы сохранили и авторские обозначения параметров (там, где они различны). Поэтому мы не приводим списка условных обозначений. Везде, где это необходимо, даются пояснения.
Настоящий литературный обзор составлен в рамках проекта «Сравнительные исследования влияния природы компонентов вспенивающейся фазы и пленкообразователя на физико-химические превращения в огнезащитных вспенивающихся материалах» компании НПП «Теплохим».
