огнезащитное покрытие

Формула изобретения

Огнезащитное покрытие, включающее жидкое натриевое стекло в качестве связующего, гранулированный наполнитель и термостойкую углеродную добавку, отличающееся тем, что в качестве гранулированного наполнителя содержит коагулированное жидкое стекло, а в качестве термостойкой углеродной добавки содержит углеродные наночастицы, диспергированные в связующее и наполнитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

коагулированное жидкое стекло	12-50
углеродные наночастицы	0,0001-0,1
жидкое натриевое стекло	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химической промышленности и касается создания огнестойких и теплоизоляционных покрытий.

Известно огнезащитное покрытие, выполненное в виде наноструктурированного материала. Покрытие содержит пористый каркас, образованный углеродными наноструктурами с инкапсулированными в них атомами металла, или металлов с различными физико-химическими свойствами (RU № 2366745, публ. 10.09.2009 г.).

Известное покрытие имеет высокую тепловую эффективность и прочность. Недостатком является высокая стоимость покрытия.

Известно огнестойкое и теплоизоляционное покрытие, включающее жидкое натриевое или калиевое стекло в качестве связующего и гранулированный наполнитель, в качестве которого содержит смесь полых микросфер, различающихся своими размерами в пределах от 10 до 500 мкм и насыпной плотностью в пределах от 650 до 50 кг/м³ (RU № 2288927, публ. 10.12.2006 г.). Полые микросферы выбирают из группы, включающей стеклянные, керамические, полимерные, техногенные микросферы, или используют смеси микросфер. В частном случае покрытие содержит жидкое натриевое стекло - 4,5 мас.% и смесь полых стеклянных микросфер - 95,0 мас.%: стеклянные микросферы с размером 35 мкм и плотностью 650 кг/м³ - 40,0 мас.%, стеклянные микросферы с размером 100 мкм и плотностью 150 кг/м ³ - 48,0 мас.%, стеклянные микросферы с размером 200 мкм и плотностью 70 кг/м³ - 7,0 мас.%. Дополнительно содержит неионогенное поверхностно-активное вещество - 0,5 мас.%.

Использование смесей полых микросфер снижает плотность покрытия, повышая эффективность его теплозащитных свойств. При этом для производства микросфер различных типов необходимо специальное оборудование, что усложняет технологию производства и приводит к значительному повышению стоимости покрытия.

Наиболее близким техническим решением является огнезащитное покрытие из совместимых ингредиентов на силикатной основе, содержащее связующее - стекло жидкое натриевое, гранулированный наполнитель - вермикулит необожженный, термостойкую добавку - графит в виде пыли-отхода электроугольного производства, армирующий наполнитель - стекловолокно, при следующем соотношении компонентов, мас.%: стекло жидкое натриевое - 27 - 40; вермикулит необожженный - 25-35; указанный графит - 16-20; стекловолокно - 15-18 (RU № 2160296, публ. 10.12.2000 г.). За счет использования стекловолокна в качестве армирующего наполнителя, данное покрытие является достаточно прочным. А графит и вермикулит обеспечивают огнестойкость и толщину теплоизоляционного слоя. Использование в качестве термостойкой добавки отходов электроугольного производства снижает стоимость огнезащитной композиции. Огнезащитное покрытие имеет огнестойкость 2,5-3 часа при толщине покрытия 45 мм.

Недостатком известного покрытия является снижение эффективности теплозащиты, обусловленное сгоранием графита при температуре 700°С.

Целью изобретения является повышение эффективности теплозащитных свойств покрытия без повышения его стоимости.

Цель изобретения достигается тем, что огнезащитное покрытие, включающее жидкое натриевое стекло в качестве связующего, гранулированный наполнитель и термостойкую углеродную добавку, содержит в качестве гранулированного наполнителя коагулированное жидкое стекло, а в качестве термостойкой углеродной добавки содержит углеродные наночастицы, диспергированные в связующее и наполнитель. Соотношение компонентов покрытия следующее, мас.%:

коагулированное жидкое стекло - 12-50,

углеродные наночастицы - 0.0001-0.1,

жидкое натриевое стекло - остальное.

В отличие от прототипа, где графит в покрытии сгорает при температуре 700°С, углеродные наночастицы, размещенные внутри гранул, защищены от доступа кислорода и начинают вспучиваться и гореть после разрушения гранул при температуре свыше 1000°С. Это позволяет повысить эффективность теплозащитных свойств покрытия. Углеродные наночастицы по сравнению с графитной пылью более активны и будучи диспергированные в связующее и гранулированный наполнитель, образуют в покрытии углеродную сетку-каркас, повышающую однородность вспучивания покрытия по толщине, что положительно влияет на теплопроводность покрытия, а значит, и на огнестойкость.

При этом углеродная сетка-каркас обеспечивает высокую прочность покрытия.

Малая концентрация наночастиц в сочетании с недорогими компонентами из жидкого стекла позволяет сохранить невысокую стоимость покрытия.

При концентрации наночастиц менее 0,0001% не повышается огнестойкость покрытия. Концентрации наночастиц свыше 0,1% не позволяет получить гранулы из-за высокой активности наночастиц, образующих пленку на поверхности коагулянта.

Концентрация гранул в основе колеблется от 12% до 50%, в зависимости от требуемой степени огнестойкости. При концентрации гранул менее 12% вспучиваемость покрытия недостаточна для огнезащиты конструкций. При концентрации гранул более 50% недостаточна адгезия покрытия с защищаемым материалом (деревом, металлом).

На рисунке представлена таблица результатов испытаний заявленного огнезащитного покрытия

Для приготовления огнезащитного состава использовали жидкое натриевое стекло плотностью =1,39 кг/м³ с диспергированными в его состав либо углеродными нанотрубками Graphistrength фирмы «Arkema» (Bordere S., Corpart J.M., Bounia NE.E1, Gaillard P., Passade Boupat N., Piccione P.M., Plee D. Industrial production and applications of carbon nanotubes / Arkema, Groupement de Recherches de Lacq, www.graphistrength.com), либо фуллеренами фирмы ФУЛЛЕРЕНКОМ» (www.nanofull.ru), либо графенами фирмы CheapTubes (www. cheaptubes.com).

Приготовление вспучивающего компонента производили предварительно за счет коагуляции жидкого натриевого стекла в среде раствора хлорида кальция. При введении распыляемого сжатым воздухом жидкого стекла в концентрированный раствор CaСl₂ из-за различия рН растворов на границе двух жидких фаз быстрее всех протекает реакция гидролиза. Нейтрализация заряда анионов приводит к их моментальной коагуляции на стыке фаз, и если концентрация силикатов достаточно велика, образуется мембрана с отрицательным зарядом со стороны силиката и положительным со стороны раствора хлорида кальция. При высокой вязкости силикатного раствора мембрана превращается постепенно в гелевую оболочку из коагулированного кремнезема с небольшим градиентом концентрации по кальцию со стороны раствора CaCl₂ и по натрию со стороны силиката [Корнеев В.И., Данилов В.В. Растворимое и жидкое стекло. - Санкт-Петербург: Стройиздат, СПб., 1996. - 216 с.]. При этом под влиянием диспергированных в жидком стекле наночастиц происходит структуризация коагулированного кремнезема. После просушки от внешней влаги, происходит образование гранул из капель жидкого стекла, обладающих водостойкостью наружного, частично кальцинированного слоя.

Полученные гранулы использовались для приготовления огнезащитного состава в виде пасты. Твердение пасты, нанесенной на защищаемую от огня поверхность дерева или металла, происходило в нормальных условиях.

Физико-механические характеристики материала оценивали по стандартным методикам. Испытания огнестойкости проводились согласно ГОСТ 30247.0-94 (ИСО 834-75) Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.

Испытания проводили на стальных и древесных пластинах марки 08 КП, ГОСТ 16523-70 и габаритов 140×80 мм при толщине 0,8 мм. При этом на один слой по металлу расходовалось 50 г, а для покрытия древесины 60 г материала, наносимого шпателем.

Высыхание в естественных условиях проверяли по ГОСТ 19007-73, а адгезию определяли по результатам испытания образцов методом насечек (ГОСТ 15140-78) прибором Eicometer 1542. Отставание покрытия на участке с поперечными насечками не превышает 5%.

С помощью газовой горелки осуществляли нагрев огнезащитного покрытия. Температура пламени составляла 600°С.

Результаты испытаний, приведенные в таблице, показали следующее: в зависимости от концентрации наночастиц, концентрации гранул и вида структур наночастиц (фуллерены, графены, нанотрубки) огнестойкость покрытия на металле колеблется от 40 мин - 150 мин (REI 40 - REI 150), на древесине от 25 мин - 120 (REI 25 - REI 120), мин при толщине покрытия 2-3 мм.

Таким образом, заявленное огнезащитное покрытие на металле имеет огнестойкость 150 мин (REI 150) при толщине наносимого слоя 2-3 мм, и в сравнении с прототипом, имеющем огнестойкость на металле 150-180 мин при толщине покрытия 45 мм, обладает более эффективными теплозащитными свойствами.

Защищаемый материал		Толщина покрытия		Концентрация нанотрубок при концентрации гранул
				12%		12-50%			50%
				0,0001%		0,001 %-0,1%			0,1%
Древесина		2-3 мм		REI 60		REI 90-REI 120			REI 80
Металл		2-3 мм		REI 80		REI 100-REI 150			REI 90
Защищаемый материал		Толщина покрытия		Концентрация фуллеренов при концентрации гранул
				12%		12-50%		50%
				0,0001%		0,001%-0,1%		0,1%
Древесина		2-3 мм		REI 30		REI 50 - REI 60		REI 40
Металл		2-3 мм		REI 45		REI 70 - REI 80		REI 50
Защищаемый материал	Толщина покрытия		Концентрация графенов при концентрации гранул
			12%		12-50%		50%
			0,0001%		0,001%-0,1%		0,1%
Древесина	2-3 мм		REI 25		REI 40 - REI 50		REI 30
Металл	2-3 мм		REI 40		REI 50 - REI 60		REI 45

Предел огнестойкости строительных конструкций устанавливается по времени (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний:

- потери несущей способности (R);

- потери целостности (Е);

- потери теплоизолирующей способности (I).