огнезащитный вспенивающийся состав для покрытий

Формула изобретения

1. Огнезащитный вспенивающий состав для покрытий, содержащий связующее, карбонизирующееся вещество, вспенивающий агент, наполнитель и растворитель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в качестве диспергатора диалкиловый эфир фосфорной кислоты КД-6, а в качестве карбонизирующего вещества он содержит многоатомный спирт и/или крахмал, в качестве связующего - дисперсию жидкого стекла в смоле или смеси смол в соотношении от 10:90 до 40:60 соответственно при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Вышеуказанное связующее - 30-50

Вышеуказанное карбонизирующееся вещество - 10-12

Вспенивающий агент - 31-37

Диалкиловый эфир фосфорной кислоты КД-6 - 3-5

Наполнитель - 3-5

Растворитель - Остальное

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что в качестве смолы или смеси смол связующего содержит смолы, выбранные из группы, включающей карбомидоформальдегидную бутилизированную смолу, полиэфирэпоксидную смолу, кремнийорганическую смолу и пентафталиевую смолу.

3. Состав по п.2, отличающийся тем, что в качестве многоатомного спирта он содержит пентаэритрит и/или сорбит.

4. Состав по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве вспенивающего агента содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей фосфат аммония, полифосфат аммония, карбамид, борную кислоту, хлористый аммоний.

5. Состав по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве наполнителя содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей диоксид титана, миканит, каолин, стекловолокно.

6. Состав по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что в качестве растворителя он содержит по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей уайт-спирит, ксилол, ацетон и воду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности, точнее к вспенивающимся полимерным покрытиям, оказывающим огнезащитное действие при защите древесины и теплоизолирующее действие при защите металлических конструкций в целях повышения предела их огнестойкости при возникновении пожара.

Наиболее широко такие покрытия применяются при строительстве гражданских и промышленных зданий, а также в авиации, железнодорожном транспорте, судостроении.

В настоящее время известен ряд огнезащитных составов, способных под действием высоких температур (250-300^oС) вспениваться с образованием теплозащитного коксового слоя, толщина которого в 20-25 раз превосходит толщину исходного покрытия. При этом коксовый слой обладает высокими теплоизолирующими свойствами, благодаря чему предотвращает распространение тепла по защищаемым конструкциям.

Однако имеющиеся на сегодняшний день огнезащитные составы имеют ряд недостатков. В частности, большинство огнезащитных составов, имеющих достаточно неплохие показатели по жаропрочности и огнестойкости, как правило, содержат в своем составе в качестве вспенивающей системы токсичные и экологически опасные вещества, такие как дициандиамид.

Известен огнезащитный вспучивающийся состав (патент РФ 2001084, МПК C 09 D 161/30, 1993 г.), содержащий в качестве связующего водорастворимую меламиномочевиноформальдегидную смолу, п-трет-бутилфенолформальдегидную смолу, в качестве вспенивающей системы фосфат аммония, уротропин, сорбит или маннит, дициандиамид, буру, каолин, стекловолокно и воду.

Известен также огнезащитный вспучивающийся состав для покрытия деревянных поверхностей (патент РФ 2119516, МПК C 09 D 5/18, 161/24, 161/28; С 09 К 21/10, 21/12, 1998 г.), содержащий водорастворимые мочевиноформальдегидную, мочевиномеламиноформальдегидную или карбамидоформальдегидную смолу, аммофос или полифосфат аммония, пентаэритрит или пентрол, каолин, п-трет-бутилфенолформальдегидную смолу, цианурат меламина или дициандиамид, фторид аммония или смесь фторида аммония с бифторидом аммония и воду.

Содержащийся в приведенных выше составах дициандиамид обеспечивает им достаточно неплохую огнестойкость, однако делает их токсичными и практически неприемлемыми с экологической точки зрения.

Также надо отметить, что дициандиамид ввиду его токсичности и сложной технологии изготовления практически не производится и является дефицитным и дорогостоящим компонентом.

Кроме того, эти составы предназначены для защиты или металлических, или деревянных конструкций и не являются универсальными.

Известны огнезащитные составы не содержащие дициандиамида, но данные составы имеют не достаточно высокие показатели по огнестойкости и жаропрочности, а также имеют значительное водопоглощение, что ухудшает их адгезионные свойства в процессе эксплуатации.

Так известен огнезащитный вспучивающийся состав (патент РФ 1712380, МПК C 09 D 161/24, 1992 г.), содержащий водорастворимые мочевиноформальдегидную или мочевиномеламиноформальдегидную смолу, натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, поливинилацетатную эмульсию, фосфаты аммония, асбестовое волокно или каолин, стекловолокно, мочевину, пентрол и воду.

Этот состав не содержит дициандиамида, однако его показатели по огнестойкости и жаропрочности не достаточно высоки.

Кроме того, толщина сырого покрытия этого состава составляет 5-6 мм при расходе 7,5 кг/м², что приводит к неоправданным дополнительным материальным затратам.

Также надо отметить, что покрытие, выполненное данным составом, имеет значительное водопоглощение, что приводит к постепенному снижению адгезионных свойств в процессе эксплуатации. Так, в течение 6 месяцев эксплуатации адгезия при отрыве покрытия снижается в среднем на 12%, а через 12 месяцев на 20% и составляет 3,0-4,2 кгс/см². Это сужает технологические возможности состава, ограничивая сферу его применения металлическими конструкциями, на которые действуют только статические нагрузки.

Еще одним недостатком данного состава является то, что он предназначен только для защиты металлических конструкций и совершенно не приемлем для защиты деревянных конструкций.

Это обусловлено тем, что вследствие значительного водопоглощения покрытия происходит набухание верхних слоев древесины, а это в свою очередь резко снижает адгезионные свойства покрытия. Указанный недостаток приводит к тому, что через 6 месяцев адгезия покрытия на древесине равна 3 баллам (ГОСТ 15140-78), а через 12 месяцев - 4 баллам, т.е. через год эксплуатации происходит отслаивание покрытия на 70-75% деревянной поверхности. Кроме того, из-за большого веса покрытия (расход состава 7,5 кг/м²) наблюдается расслоение деревянных конструкций, установленных вертикально или под углом, и потолочных конструкций. Последний недостаток особенно актуален, если конструкция выполнена из многослойной фанеры или ДСП.

К тому же деревянные конструкции, толщина которых не превышает 3-6 мм, из-за большого веса покрытия подвергаются короблению.

Известен также огнезащитный вспучивающийся состав для покрытий, не содержащий в своем составе токсичные вещества (п. РФ 2065463, МКИ C 09 D 5/18, 161/24, 161/30, С 09 К 21/10, 21/12, 1993 г.). Данный состав содержит (маc. %) в качестве аминоформальдегидной смолы водорастворимые мочевиноформальдегидную или меламиноформальдегидную смолу (19-40), полифосфат аммония (25-29), пентаэритрит или пентрол (12-17), каолин (5,5-6,5), п-трет-бутилфенолформальдегидную смолу (5-7), меламин (1,5-2,8), циануровую кислоту (1,6-3,5), аммелид (0,2-1,1), аммелин (0,3-0,7) и воду до 100, причем в случае покрытия металлических поверхностей состав дополнительно содержит 1,8-2,5 маc.% стекловолокна.

Описанный выше состав предназначен для теплоизоляции как металлических, так и деревянных конструкций при пожаре, он обладает небольшим водопоглощением и неплохой адгезией на отрыв.

Однако у этого состава достаточно большой расход при покрытии поверхности, кроме того, данный состав обладает недостаточно высокими огнезащитными свойствами. Огнестойкость стальных конструкций с данным огнезащитным покрытием и одним грунтовочным слоем составляет 45,5-49 мин, а средняя потеря массы образца с покрытием толщиной 0,5 мм по деревянной поверхности при горении согласно ГОСТ 16363-76 составляет 3,6-3,9 маc.%.

Наиболее близким к предлагаемому огнезащитному вспенивающемуся составу для покрытий по технической сущности и достигаемому результату является состав для огнезащитного покрытия, выбранный в качестве прототипа и содержащий в качестве связующего смолу, а в качестве вспенивающей системы (мас. ч.) многоатомный спирт (16,4-21,6), полифосфат аммония (39,0-45,4), мочевину (22,2-23,6), хлористый аммоний (6,0-8,0), борную кислоту (6,0-8,0) и наполнитель (3,6-4,6) (з.РСТ WO 00/27934, МПК C 09 D 5/18, пуб. 18.05.2000 г. ).

Данный состав не содержит токсичных веществ, он обладает повышенной адгезией к защищаемым поверхностям, длительным сроком хранения, небольшим расходом, однако его показатели по огнестойкости и жаропрочности не достаточно высоки.

В основу заявляемого изобретения положена задача - без применения токсичных компонентов обеспечить уменьшение расхода покрытия, улучшение адгезии к защищаемым поверхностям, при одновременном улучшении его огнезащитных свойств и обеспечении хороших физико-механических свойств.

Технический эффект, который может быть достигнут в результате использования предлагаемого изобретения, заключается в повышении огнестойкости состава при одновременном уменьшении его расхода, улучшении адгезионных свойств, а также в создании универсального состава, пригодного как для деревянных, так и для металлических покрытий.

Поставленная задача решается при создании огнезащитного вспенивающегося состава для покрытий, содержащего связующее, карбонизирующееся вещество, вспенивающий агент, наполнитель и растворитель, при этом состав в качестве связующего содержит дисперсию жидкого стекла в смоле или смеси смол, взятых в соотношении от 10:90 до 40:60 соответственно, а также содержит диспергатор, причем названные ингредиенты содержатся в следующем количественном соотношении, маc.%:

Связующее - 30 - 50

Карбонизирующееся вещество - 10 - 14

Вспенивающий агент - 31 - 37

Диспергатор - 3 - 5

Наполнитель - 3 - 5

Растворитель - Остальное

Применение в заявляемом составе в качестве связующего дисперсии жидкого стекла (смеси натриевых и калиевых солей кремниевой кислоты) в смоле или смеси смол, а также диспергатора позволяет значительно повысить огнезащитные свойства состава, так как образование теплозащитного коксового слоя начинается уже при температуре свыше 100^oС. Это происходит за счет того, что при нагревании состава свыше 100^oС присутствующее в виде дисперсии в смоле или смеси смол жидкое стекло (смесь натриевых и калиевых солей кремниевой кислоты) выделяет воду и образует неорганический негорючий кокс на основе кремния, который является более устойчивым к пламени, чем органический кокс на основе углерода, который образуется в составе по прототипу, что обеспечивает значительное повышение огнестойкости состава. Кроме того, выделение воды также способствует повышению огнестойкости состава.

Необходимо также отметить, что соотношение в дисперсии жидкого стекла к смоле должно находиться в пределах от 10:90 до 40:60 соответственно, и только в этих пределах достигается повышение огнестойкости, которая для металлических конструкций в случае заявляемого состава составляет от 60 мин (без грунтовки) до 90 мин (с грунтовкой), тогда как в прототипе от 48 мин (без грунтовки) до 60 мин (с грунтовкой). При этом средняя потеря массы образца для деревянных конструкций с покрытием толщиной 0,25 мм при горении согласно ГОСТ 16363.76 составляет для заявляемого состава от 2,8 до 3,5%, для состава по прототипу от 4,0 до 5,6%.

Необходимо также отметить, что для получения вышеперечисленных показателей ингредиенты состава (связующее, карбонизирующееся вещество, вспенивающий агент, диспергатор, наполнитель и растворитель) должны содержаться в составе в строго определенных количественных соотношениях, указанных выше.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы в качестве смолы или смеси смол связующего заявляемый состав содержал смолы, выбранные из группы, включающей карбомидоформальдегидную бутилизированную смолу, полиэфирэпоксидную смолу, кремнийорганическую смолу и пентафталиевую смолу.

При использовании данных смол достигаются наиболее высокие показатели по огнестойкости и расходу состава, так как эти смолы содержат низкое содержание остаточной воды и мало гигроскопичны.

В результате расход заявляемого состава составляет для дерева 150-300 г/м² (толщина покрытия 0,25 мм), для металла 1250-1700 г/м² (толщина покрытия 1,3-1,5 мм).

Согласно изобретению желательно, чтобы заявляемый состав в качестве карбонизирующегося вещества содержал многоатомный спирт (пентаэритрит или сорбит) и/или крахмал.

Использование вышеперечисленных веществ в составе позволяет при сохранении высоких показателей по огнестойкости обеспечить его экологическую безопасность и общедоступность.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы заявляемый состав в качестве вспенивающего агента содержал по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей фосфат аммония, полифосфат аммония, карбамид, борную кислоту, хлористый аммоний.

Введение в предлагаемый состав вышеперечисленных веществ обеспечивает ему повышение огнестойкости и уменьшает его расход за счет повышения газообразования и вспенивания. При этом использование борной кислоты не только повышает газообразование, но и повышает прочность сцепления с защищаемой поверхностью и предотвращает растрескивание защитного слоя в условиях действия высоких температур и огня. Кроме того, использование борной кислоты позволяет вспенивать заявляемый состав при более низких по сравнению с карбамидом и хлористым аммонием температурах, так как борная кислота разлагается при более низкой температуре с выделением большого количества азота, который начинает вспенивать состав. При дальнейшем повышении температуры начинают разлагаться карбамид и хлористый аммоний, которые дополнительно вспенивают огнезащитный состав, что в значительной степени способствует повышению огнестойкости состава. При этом борная кислота также является хорошим катализатором.

Согласно изобретению желательно, чтобы заявляемый состав в качестве диспергатора содержал диалкиловый эфир фосфорной кислоты.

Использование в качестве диспергатора диалкилового эфира фосфорной кислоты способствует повышению огнестойкости состава.

Согласно изобретению желательно, чтобы заявляемый состав содержал в качестве наполнителя по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей диоксид титана, миканит, каолин, стекловолокно.

Применение в качестве наполнителя диоксида титана, миканита, каолина, стекловолокна обеспечивает повышение вязкости состава и улучшает его физико-механические свойства.

Согласно изобретению целесообразно, чтобы состав в качестве растворителя для металлических покрытий содержал по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей уайт-спирит, ксилол, ацетон, а для деревянных покрытий содержал воду.

Использование в заявляемом составе в качестве растворителя вышеперечисленных веществ повышает его огнестойкость и улучшает физико-механические свойства.

Благодаря использованию в предлагаемом огнезащитном составе в качестве связующего дисперсии жидкого стекла (смеси натриевых и калиевых солей кремниевой кислоты) в смоле или смеси смол, а также использованию в качестве вспенивающего агента борной кислоты и хлористого аммония, использованию в качестве диспергатора диалкилового эфира фосфорной кислоты, использованию в качестве наполнителя диоксида титана, миканита, стекловолокна, удалось повысить его огнезащитные свойства, снизить его расход, толщину наносимого слоя, а также обеспечить экологическую чистоту и общедоступность данного состава. Так за счет использования в огнезащитном составе в качестве связующего дисперсии натриевых и калиевых солей кремниевой кислоты при нагревании образуется кокс на основе кремния, который является более устойчивым к пламени, чем кокс в прототипе на основе углерода. Так в прототипе огнестойкость покрытия для металлических конструкций составляет от 48 мин (без грунтовки) до 60 мин (с грунтовкой), а для настоящего состава от 60 мин (без грунтовки) до 90 мин (с грунтовкой), при этом средняя потеря массы образца для деревянных конструкций с покрытием толщиной 0,25 мм при горении согласно ГОСТ 16363.76 составляет для прототипа 4,0-5,6% (соответственно с грунтовкой и без), а для заявляемого состава 2,8-3,5%.

Введение в предлагаемый состав борной кислоты также повышает его огнестойкость и уменьшает его расход. Борная кислота разлагается с большим выделением азота, вспенивающего огнезащитный состав при более низких температурах, чем карбомид и хлористый аммоний, обеспечивая таким образом дополнительное вспенивание при более низких температурах.

В результате расход предлагаемого состава составляет для дерева всего 150-300 г/м², а для металла 1250-1700 г/м².

Остальные физико-механические свойства предлагаемого состава не хуже, чем у вышеописанных аналогов и прототипа, о чем свидетельствуют следующие показатели (в скобках указаны показатели прототипа):

Условия вязкости по В3-4 до введения фосфата аммония при Т=20+5^oС (ГОСТ8420-74), с - 15,9-22,7 - (22-42)

Адгезия по ГОСТ 15140-78, балл:

Через 10 дней после нанесения состава - 1(1-2)

Через 12 мес после нанесения состава - 1(1-2)

Время высыхания покрытия толщиной до 0,2 мм - 17-24

при Т=20+2^oС, час - (24-36)

Жизнеспособность (без фосфатов аммония), мес - 6(6)

Токсичность (класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76) - 4(4)

Способность к отслаиванию - Не отслаивается - (Не отслаивается)

Использование в предлагаемом составе в качестве связующего дисперсии жидкого стекла (смесь натриевых и калиевых солей кремниевой кислоты) в различных смолах, а также борной кислоты, талька (каолина), крахмала, мочевины (карбамида), хлористого аммония, диоксида титана в сочетании с другими компонентами позволило повысить огнестойкость покрытия и снизить расход без использования дорогостоящих, остродефицитных и токсичных ингредиентов, а также использовать данный состав для покрытия как деревянных, так и металлических конструкций.

Дальнейшие цели и преимущества заявляемого огнезащитного состава станут ясны из последующего его подробного описания.

Заявляемый огнезащитный вспенивающийся состав для покрытий является продуктом на основе связующего (30-50 маc. %), карбонизирующегося вещества (10-12 маc.%), вспенивающегося агента (31-37 маc.%), диспергатора (3-5 маc. %), наполнителя (3-5 мас.%) и растворителя (до 100 маc.%).

При этом связующее представляет собой дисперсию жидкого стекла (смесь натриевых и калиевых солей кремниевой кислоты) в смоле или смеси смол, в частности в карбомидоформальдегидной бутилизированной смоле (К-411), полиэфирэпоксидной смоле (ЭП-079), кремнийорганической смоле (К-60), пентафталевой смоле (ПФ-060) или смеси этих смол в различных вариантах и соотношениях. Использование такого связующего позволяет получить при нагревании неорганический негорючий кокс на основе кремния, более устойчивый к пламени, чем органический кокс на основе углерода в прототипе.

Карбонизирующееся вещество содержит по меньшей мере многоатомный спирт (пентаэритрит или сорбит) и/или крахмал, что снижает стоимость состава и не ухудшает его показателей.

В качестве вспенивающего агента в составе может использоваться по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей фосфат аммония, полифосфат аммония, карбамид, борную кислоту, хлористый аммоний. При этом использование борной кислоты способствует повышению вспенивающего эффекта.

В качестве диспергатора в заявляемом составе может использоваться диалкиловый эфир фосфорной кислоты.

В качестве наполнителя в составе может использоваться по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей диоксид титана, миканит, каолин, стекловолокно.

В качестве растворителя в заявляемом составе для металлических покрытий может использоваться по меньшей мере одно вещество, выбранное из группы, включающей уайт-спирит, ксилол, ацетон, а для деревянных покрытий используется вода.

При этом указанный технический эффект достигается при использовании основных компонентов состава в указанных пределах по маc.% и использовании перечисленных выше веществ.

Огнезащитный вспенивающийся состав для покрытия поверхностей готовят следующим образом.

Сначала приготавливают связующее, в качестве которого в предлагаемом составе используется дисперсия жидкого стекла в какой-либо из перечисленных выше смол (карбомидоформальдегидной бутилизированной, полиэфирэпоксидной, кремнийорганической и пентафталевой) или в смеси из этих смол, в различных сочетаниях и с различным содержанием в маc.%.

Для его приготовления берется одна из перечисленных выше смол или смесь из этих смол, в которую добавляется 10-40 объемных процентов жидкого стекла с содержанием воды 20-50 весовых процентов, далее вводится диспергатор ПАВ (поверхностно-активное вещество), в качестве которого используется диалкиловый эфир фосфорной кислоты марки КД-6, и все это диспергируется в ультразвуковом дискольвере.

Затем в шаровую мельницу загружают карбонизирующееся вещество (пентаэритрит или сорбит, крахмал), вспенивающий агент (карбамид, борная кислота, хлористый аммоний) и все это перетирают в течение 10-35 минут до получения требуемой величины частиц (не более 100 ед. по "клину").

После окончания перетирания в полученную смесь добавляют наполнитель (каолин (тальк), миканит (слюда в порошке), стекловолокно и диоксид титана) и перемешивают все в смесителе до получения однородной массы.

Полученную смесь растворяют в связующем.

Полифосфат и/или фосфат аммония добавляют в полученный состав непосредственно перед его нанесением и перемешиванием в смесителе или вручную.

Расчетное количество растворителя в виде уайт-спирита, и/или ксилола, и/или ацетона можно вводить в состав как после введения миканита, стекловолокна и диоксида титана, так и вместе с введением полифосфата аммония непосредственно перед нанесением.

Полученный выше описанным способом огнезащитный состав наносят любым способом (кисть, валик, распылитель и т.д.) на защищаемую поверхность и сушат в течение 24 часов.

Пример 1.

Приготавливается связующее в виде дисперсии жидкого стекла (20 маc.%) в смеси карбамидоформальдегидной бутилизированной смолы (40 маc.%) и пентафталиевой смолы (40 маc.%) приведенным выше способом с добавлением диспергатора (диалкилового эфира фосфорной кислоты - 2 мас.%).

Приготавливается смесь из карбонизирующегося вещества (пентаэритрит - 6 маc. %, крахмал - 6 мас.%,), вспенивающего агента (карбамид - 6 маc.%, хлористый аммоний - 2 маc.%, борная кислота - 4 маc.%) вышеописанным способом, после чего в нее добавляется наполнитель (диоксид титана - 3 маc.%, миканит - 2 маc.%, каолин - 3 маc.%).

Полученная смесь растворяется в связующем - 30 мас.%. Полифосфат аммония добавляют в состав непосредственно перед его нанесением в количестве 25 маc. %.

Остальные примеры рецептуры предлагаемого состава (2-6), а также два примера рецептуры состава прототипа приведены в таблице 1.

Рецептура пленкообразующего связующего приведена в таблице 2.

В таблице 1 и ее продолжении под номерами 1-6 приведены примеры рецептуры заявляемого состава с граничными количественными составами, а также приведены два варианта составов по прототипу. В двух последних графах продолжения таблицы 1 приводятся показатели огнестойкости приведенных примеров заявляемого состава и состава по прототипу.

В таблице 2 приводится рецептура связующих для примеров заявляемого состава, указанных под номерами 1-6 в таблице 1.

Физико-химические характеристики ингредиентов, используемых в заявляемом изобретении, их соотношение по массе позволили получить целевой продукт высокого качества - полученный состав обладает высокими огнезащитными свойствами, его огнестойкость составляет от 60 до 90 минут, потеря массы от 2,8 до 3,5%, при этом у него низкий расход 1250-1700 г/м² (для металла) и 150-300 г/м² (для дерева), при этом остальные физико-механические свойства не хуже, чем у вышеописанных аналогов и прототипа.