огнезащитная композиция

Формула изобретения

Огнезащитная композиция для покрытия металлоизделий, содержащая связующее - стекло жидкое натриевое с модулем 2,65 - 3,40, вермикулит необожженный, армирующий наполнитель - стекловолокно и термостойкую добавку, отличающийся тем, что в качестве термостойкой добавки она содержит графит марки ГХО-140 в виде пыли-отхода электроугольного производства при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Стекло жидкое натриевое - 27 - 40

Вермикулит необожженный - 25 - 35

Стекловолокно - 15 - 18

Указанный графит - 16 - 201

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к огнестойким композитным материалам, предназначенным для нанесения на металлические поверхности изделий с целью защиты от воздействия открытого огня, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленности и быту.

Уровень техники характеризуют вспучивающиеся огнезащитные композиции, содержащие полимерные синтетические материалы, растворители, вулканизаторы, теплостойкие добавки, антипирены, стабилизаторы, пластификаторы и армирующие, связующие наполнители (см., например, патенты RU 2105030 и 2120956, C 09 K 21/14, 1998 г.; US 5247005, нац. кл. 524-496, 1993 г. и GB 1408133, 1975 г. и 149718, 1978 г., кл. C 3 P; заявку EP 0245779, C 08 K 3/04, 1987 г.).

Указанные многокомпонентные составы обеспечивают достаточную огнестойкость и тепловую защиту охраняемых изделий, но их производство характеризуется сложностью многостадийной технологии подготовки дорогостоящих ингредиентов, большой трудоемкостью изготовления из них покрытий, что затрудняет серийное производство. При этом составы неоднородны из-за плохой совместимости структурных элементов, что не обеспечивает адекватных физико-механических свойств составов и показателей назначения по огнестойкости.

Кроме того, недостатком этих составов является летучесть токсических веществ, ограничивающая их переработку и применение.

Более совершенны и технологичны огнезащитные композиции для покрытия металлоизделий из совместимых ингредиентов на силикатной основе, содержащие необожженную гидратированную слюду (вермикулит), стекло жидкое - связующее, наполнитель - обожженный (вспененный) вермикулит, карбонаты щелочноземельных металлов, асбоцементные отходы и технологические добавки для обеспечения заданных служебных характеристик по механической прочности, термостойкости, укрывистости и т.п., описанные в изобретениях по а.с. 509563, C 04 B 3/00, 1973 г. и 512225 от 30.04.76, 715607 от 15.02.80, 722928 от 25.03.80, 850644 от 30.07.81. все C 09 K 21/02.

Недостатками известных аналогов являются неудовлетворительная огнестойкость материалов, которая обеспечивает гарантированную защиту металлоизделий от высокотемпературного действия пламени в течение менее 1 ч, что ниже установленного предела огнестойкости плит, настилов и иных несущих конструкций междуэтажных и чердачных перекрытий, а также недостаточная прочность покрытия при огневом воздействия.

По числу совпадающих с предложенным составом признаков и технической сущности в качестве наиболее близкого аналога выбрана "Огнезащитная смесь" по а.с. 610851, C 09 K 21/02, опубл. 15.06.78 в бюл. N 22, которая содержит следующие компоненты в соотношении, мас.%:

Стекло жидкое (связующее) - 35 - 60

Вермикулит необожженный - 25 - 35

Стекловолокно (наполнитель) - 5 - 10

Асбест распущенный (термостойкая добавка) - 10 - 20

В качестве вермикулита необожженного известная огнезащитная композиция содержит порошок гранулометрического состава фракций в диапазоне 0,15 - 1,20 мм.

Смесь полностью совместимых компонентов на силикатной основе представляет собой однородную массу заданной консистенции для нанесения на металлическую поверхность защищаемых изделий.

При огневом воздействии необожженный вермикулит вспучивается, увеличивая объем в 15-20 раз, который имеет развитую пористую поверхность, и выделяют пары воды, которые снижают температуру у поверхности покрытия.

Покрытие толщиной 10 мм хорошо теплоизолирует металл изделия и обеспечивает огнестойкость в течение времени не менее 1 ч, требуемого СНиП П-А. 5-70 для плит, настилов и других несущих конструкций междуэтажных и чердачных перекрытий.

Однако недостаточная огнестойкость известного покрытия ограничивает его технологические возможности и область использования для защиты ответственных изделий в течение более длительного времени при меньшей толщине защитного слоя.

Кроме того, известная композиция оказывает вредное воздействие на организм человека из-за наличия в составе канцерогенного асбестового распущенного волокна.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности композиции по огнестойкости и функциональной надежности защитного покрытия из нее.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известной огнезащитной композиции для покрытия металлоизделий, содержащей связующее - стекло жидкое натриевое с модулем 2,65 - 3,40, вермикулит необожженный, армирующий наполнитель - стекловолокно и термостойкую добавку, в качестве термостойкой добавки она содержит графит марки ГХО-140 в виде пыли - отхода электроугольного производства - при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Стекло жидкое натриевое - 27 - 44

Вермикулит необожженный - 25 - 35

Стекловолокно - 15 - 18

Указанный графит - 16 - 20

Отличительные признаки обеспечивают заметное улучшение технологических свойств композиции при расширении области использования для более эффективной огневой и тепловой защиты металлоконструкции.

Введение в композицию пыли графита марки ГХО-140 обеспечило распределение термостойкой добавки в объеме и повысило огнестойкость покрытия из нее за счет абляции, так как графит сгорает в присутствии кислорода при температуре выше 700 ^oC, причем окисление графита сопровождается его вспениванием, при котором в течение длительного времени выделяется большое количество газо-паровой фазы (воды, двуокиси углерода), не поддерживающей горения.

Расширение частиц графита, распределенных в массе слоя покрытия из огнезащитной композиции, при окислении многократно увеличивает его объем, повышая теплоизолирующие свойства.

Кроме того, графит является твердым смазочным материалом, что позволяет наносить композицию на защищаемую металлическую поверхность как шпателем, так и распылением краскопультом, валиком и кистью, обеспечивая равномерный слой и поверхность.

Использование в качестве термостойкой добавки отходов электроугольного производства снижает стоимость огнезащитной композиции и позволяет утилизировать графитовую пыль, решая экологическую проблему.

При введении в композицию графита меньше 16 мас.% термостойкость покрытия неудовлетворительна от воздействия на него высокотемпературного открытого пламени.

Содержание графита более 20 мас.% ухудшает механическую прочность и каркасность покрытия, которое может осыпаться.

Выбор вида стекла жидкого с щелочным катионом Na, задающим технологические свойства покрытия из композиции (скорость, время и температуру отверждения), определен относительно низким сравнительно с катионами K, Li или их смеси модулем (2,65 - 3,40) - отношением числа молей SiO₂ к числу молей Me₂O, который к тому же обеспечивает большую стойкость к разложению на воздухе, то есть функциональную надежность материала в целом.

Содержание стекла жидкого натриевого менее 27 мас.% не обеспечивает необходимых технологических свойств композиции при размешивании, что затрудняет ее промышленное приготовление в автоматических смесителях, а также требуемого адгезионного сцепления с защищаемой металлической поверхностью.

При содержании стекла жидкого натриевого более 44 мас.% состав комкуется из-за его вяжущих свойств, увеличивается время приготовления композиции однородной консистенции, которая имеет неудовлетворительную укрывистость, что затрудняет нанесение покрытия на вертикальные поверхности и не обеспечивается его равная толщина.

Диапазон границ содержания вермикулита необожженного оптимизирован совокупностью качеств: требуемой механической прочностью покрытия и необходимой степенью снижения объемной плотности композиции при вспучивании, которые гарантированно обеспечивают теплозащиту образующейся сотовой, пористой конструкции без ее разрушения, а верхний предел содержания ограничен возможной потерей каркасности и разрушения покрытия, что снижает огнестойкость.

Нижним пределом содержания стекловолокна 15 мас.% как армирующего наполнителя определен допустимый минимум прочности покрытия, а его содержание выше 18 мас.% не увеличивает служебных характеристик покрытия по теплозащите и огнестойкости.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их устойчивая взаимосвязь является достаточной для достижения новизны качества, не суммы ожидаемых эффектов, а нового сверхэффекта, не присущего признакам в разобщенности.

Предложенный состав для огнезащитного покрытия приготавливается механическим перемешиванием в лопастной мешалке при температуре не ниже 5^oC в течение 5-10 мин каждой операции.

Пример выполнения изобретения иллюстрируется, исходя из расчета получения 10 кг готовой композиции. На 3,3 кг стекла жидкого натриевого по ГОСТ 13078-81 добавляют 1,6 кг стекловолокна силикатного, алюмосиликатного и размешивают до равномерного распределения в объеме. Затем вводят вермикулит марки КВК-05 необожженный по ТУ 21-25-75-87 Ковдорского месторождения в количестве 3,3 кг (водный основной алюмосиликат магния и железа - минерал из группы гидрослюд) и 1,8 кг графита марки ГХО-140 в виде пыли - отходов электроугольного производства - и перемешивают до пастообразного состояния, однородной влажной массы темно-серого цвета с подвижностью 10-11 см, определяемой по осадке конуса ЦНИЛ, ГОСТ 5802-86.

Объемная масса материала составляет 800-900 кг/куб. м.

Композиция наносится распылением сжатым воздухом на предварительно очищенную, обезжиренную металлическую поверхность защищаемого изделия, из агрегата СО-150 при давлении 3-4 атм.

Толщина сырого слоя должна быть не более 3 см. Сушка производится в естественных условиях (температура 18-22^oC при относительной влажности не более 75%) в течение 24 ч.

Для ускорения формообразования покрытия заданной толщины может быть использована принудительная сушка с обогревом.

Расход огнезащитной композиции для получения сухого покрытия на поверхности металлоизделия толщиной 10 мм составляет 8-10 кг/кв.м.

Физико-механические характеристики материала оценивали по стандартным методикам. Испытания на огнестойкость проводили в соответствии с требованиями СТ СЭВ 1000-78 "Метод испытания строительных конструкций на огнестойкость" и СТ СЭВ 3973-63 "Двери и ворота. Метод испытаний на огнестойкость".

Результаты испытаний приведены в таблице.

Сравнительно с аналогами огнестойкость покрытия увеличилась кратно. Предложенный материал имеет предел огнестойкости 3 ч.

Термозащитные изолирующие свойства покрытия составляют не менее 13 мин, определенные на приборе ВНИИПО, в соответствии с "Инструкцией по определению теплоизолирующих свойств вспучивающихся огнезащитных покрытий по металлу".

Испытания проводились на стальных пластинах марки 08 КП, ГОСТ 16523-70 габаритов 140х80 мм при толщине 0,8 мм. При этом на один слой расходовалось 40 г материала, наносимого шпателем.

Высыхание в естественных условиях проверяли по ГОСТ 19007-73, а отслаивание оценивали по результатам сбрасывания образцов с высоты 2 м на горизонтальную поверхность покрытием вверх. Сколов, отслаиваний, растрескивания не обнаружено.

Температура на тыльной поверхности листового металлического образца после 15 мин воздействия пламени паяльной лампы с температурой 950-1050^oC на расстоянии 50 мм от покрытия составила менее 100^oC, что экспериментально подтверждает отличные теплоизоляционные свойства предложенной композиции.

При быстром нагревании до 800-1000^oC вермикулит необожженный вспучивается с увеличением объема покрытия в 15-20 раз, образуя пористость не менее 60%, а между чешуйками слюды возникают тончайшие прослойки воздуха, обуславливающие низкую плотность вспученного покрытия и высокие теплоизолирующие свойства.

Окисление графита при температуре выше 700^oC обеспечивает унос большей части подводимой тепловой энергии, которая затрачивается на его абляцию при возгонке. Образование при этом газового безвредного слоя паров воды и углекислого газа, которые не поддерживают горения, создает дополнительное тепловое сопротивление воздействию открытого пламени на защищаемую поверхность, предотвращая перегрев.

Предложенный состав для защитного покрытия поверхности металлоизделий является монтажным материалом с улучшенными показателями назначения и основными техническими характеристиками, который изготавливается из сырьевых доступных материалов в доверительном технологическом диапазоне содержания ингредиентов в композиции, обеспечивающем адекватность требуемых свойств по огнестойкости и теплоизоляции защищаемых металлических изделий.

Сопоставительный анализ предложенного технического решения с известными аналогами показал, что состав не известен по доступным источникам информации уровня техники, из которого явным образом не следует для специалистов строительства и пожарной безопасности, он может быть промышленно изготовлен в серийном производстве на обычном заводском оборудовании, то есть соответствует критериям патентоспособности.

Предложенный материал из относительно дешевых компонентов прост в приготовлении и универсален по технологии нанесения на металлические поверхности строительных изделий, транспортных контейнеров с легкогорючими грузами, ангаров и складов, палубных надстроек судов, гаражей и т.п. изделий.