Результат интеллектуальной деятельности: СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ

Изобретение относится к области создания огнезащитных материалов с применением природных минеральных ресурсов и может быть использовано для покрытия деревянных поверхностей, эксплуатируемых в закрытых условиях.

Известен состав для огнезащитного покрытия, содержащий в качестве основы жидкое стекло и в качестве анизометричного наноразмерного наполнителя - нанооксид алюминия при следующем соотношении ингредиентов, масс. %: анизометричный наноразмерный наполнитель - 4-5; жидкое стекло - остальное (патент 2458951 RU). Данный состав имеет недостатки: недостаточная огнестойкость, обеспечивающая II группу огнезащитной эффективности (потери массы образцов после огневых испытаний составили 18%), значительная стоимость наполнителя и дополнительные затраты, связанные со сложностью обработки состава в ультразвуковом поле мощностью 0,2 кВт в течение 20 мин для достижения нужного размера неорганических слоев.

Прототипом является композиция для получения огнезащитного покрытия, содержащая жидкое стекло и аморфный озерный диатомит с удельной поверхностью 20,0-110,0 м²/г в качестве огнезащитного наполнителя при следующем соотношении компонентов, масс. %: жидкое стекло - 30-80, аморфный озерный диатомит - 20-70. Известная композиция позволяет повысить огнестойкость, атмосферостойкость, адгезию покрытия к деревянной поверхности и снижение времени высыхания покрытия (патент 2435810 RU). Однако известная сырьевая смесь содержит жидкое стекло с силикатным модулем n=2,4-3,0 и плотностью 1,36-1,5 г/см³, которое отличается высокой вязкостью, осложняющей процесс получения огнезащитной композиции. Известная сырьевая смесь не позволяет обеспечить равномерного распределения материала по вертикальной деревянной поверхности. Неравномерность распределения и сползание смеси с вертикальной поверхности деревянных конструкций вызывает расхождение в размерах толщины покрытия. Недостатками данной композиции является образование многочисленных сквозных пор при высыхании огнезащитного состава, способствующих более быстрому прогреву покрытия по порам на значительную глубину, что не может не ухудшать предельного времени нагрева и воспламенения древесины. К недостаткам известной сырьевой смеси стоит отнести и высокую стоимость порошка из диатомита, труднодоступность данного наполнителя в других регионах.

Технический результат - создание сырьевой смеси для получения огнезащитного покрытия высокого качества, вспучивающегося при нагревании, которое будет проявлять длительное огнезащитное воздействие, сдерживающее развитие процессов горения до температуры воспламенения древесины, обеспечивая защиту любых деревянных поверхностей (гладких, шероховатых, со всеми выступами и неровностями), не требующих предварительной подготовки.

Технический результат достигается тем, что в известной композиции для получения огнезащитного покрытия, содержащей жидкое стекло и аморфный озерный диатомит, она содержит в качестве минерального наполнителя и кремнийсодержащего компонента черные сланцы, а в качестве связующего используется жидкое натриевое стекло из микрокремнезема с пониженной плотностью 1,25-1,3 г/см³, и дополнительно содержит пенообразователь «ПО-6» при следующем содержании компонентов, масс. %: жидкое стекло - 73-89, пенообразователь «ПО-6» - 1-2, черные сланцы - 10-25.

Черные сланцы являются сопутствующей породой, получаемой при добыче золота в центральной части Ленского золоторудного района, приблизительно в 850 км от города Иркутска. Усредненный химический состав черных сланцев представлен в таблице 1.

На основе ранее проведенных исследований установлено, что данный материал обладает вспучиваемостью при обжиге, что является положительным эффектом при создании огнезащитной композиции для древесины.

При разработке огнезащитной композиции большое внимание уделили достижению оптимальной адгезионной прочности, которая позволила обеспечить покрытие различных деревянных поверхностей, как гладких, так и шероховатых, со всеми выступами и неровностями, не требующих предварительной подготовки. Смачивание древесины - необходимое условие взаимодействия ее с нанесенным покрытием. При растекании молекулы раствора взаимодействуют с молекулами твердого тела (древесины) сильнее, чем между собой. Если же молекулы раствора взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами твердого тела (древесины), растекания не произойдет. Основные свойства ПАВ заключаются в том, что молекулы их способны адсорбироваться на поверхности раздела фаз, снижая их поверхностное натяжение и, следовательно, повышая адгезионную прочность. Взаимодействие между молекулами ПАВ и молекулами раствора всегда меньше взаимодействия между молекулами раствора. Поэтому ПАВ будут преимущественно выталкиваться из объема раствора на поверхность. В результате накопления на поверхности молекул этих веществ, слабо взаимодействующих друг с другом, межмолекулярное взаимодействие в поверхностном слое уменьшается и поверхностное натяжение снижается, что способствует повышению адгезионной прочности.

В качестве добавки ПАВ использовали пенообразователь «ПО-6», применяемый в пожаротушении [ТУ 0258-148-05744685-98]. Пенообразователь «ПО-6» - биоразлагаемый пенообразователь целевого назначения с повышенной огнетушащей способностью. Представляет собой состав водного раствора триэтаноламиновых солей первичных алкилсульфатов со стабилизирующими добавками.

При создании огнезащитной композиции использовано жидкое стекло, полученное путем растворения микрокремнезема в растворе щелочи [патент РФ №2056353, МПК C04B 28/04].

Микрокремнезем является многотоннажным отходом производства кристаллического кремния Братского завода ферросплавов (БЗФ). Образуется он в результате осаждения на этапе системы газоочистки плавильных печей производства кристаллического кремния. Среднегодовое количество микрокремнезема, образующегося на ООО «БЗФ» при производстве ферросилиция, около 11500 т в сухом весе, из которых в настоящее время реализуется 750 т, остальное складируется на шламонакопителе. Микрокремнезем представляет собой ультрадисперсный материал, состоящий из частиц сферической формы. Химический состав микрокремнезема представлен в таблице 2.

Микрокремнезем - нерадиоактивное вещество, нетоксичное, принадлежащее к 4-му классу опасности по ГОСТ 12.1.007 с предельно допустимой концентрацией сухого вещества в воздухе 1 мг/м³. Радиометрические исследования свидетельствуют о том, что микрокремнезем отвечает гигиеническим требованиям (концентрация радионуклидов не превышает нормативов и регистрируется в пределах фона). Удельная эффективная активность менее 370 Бк/к (Аэфф=15 Бк/к) и согласно ГОСТ 30180-94 соответствует первому классу (возможно использование в строительстве без ограничений).

Изобретение реализуют следующим образом. В смеситель заливают отмеренное количество жидкого стекла, пенообразователь «ПО-6», черные сланцы и тщательно перемешивают до получения однородной массы. Жидкое стекло готовят путем растворения микрокремнезема в растворе щелочи. Для этого в мешалку с механическим перемешиванием и глухим шаропроводом подаются в заданных количествах исходные материалы: микрокремнезем, вода, известной концентрации щелочь. При постоянном перемешивании содержимое мешалки нагревают до 80-85°C, затем температура резко поднимается до 100-102°C за счет экзотермических реакций взаимодействия двуокиси кремния с щелочью. Варится жидкое стекло при атмосферном давлении 80-120 мин.

Для получения огнезащитного покрытия использовали жидкое стекло с силикатным модулем n=3 и плотностью ρ=1,25-1,3 г/см³ как обеспечивающее наилучшие показатели огнезащитной эффективности. Для экспериментальных исследований использовали образцы древесины (сосна и лиственница) размером 30×60×150 мм, предварительно высушенные до постоянной массы. Готовую огнезащитную композицию наносят на защищаемую деревянную поверхность при помощи валика, кисти или краскопульта и высушивают в естественных условиях в течение 20 мин. Для достижения I группы огнезащитной эффективности наносят 3 слоя покрытия с интервалом 20 минут. Известно, что в высоконаполненных огнезащитных составах с малым количеством пленкообразователя при высыхании неизбежно образуются многочисленные сквозные поры (как в органо-, так и в водоразбавляемых материалах), способствующие более быстрому прогреву покрытия по порам на значительную глубину, что не может не ухудшать предельного времени воспламенения древесины. Нанесение материала в несколько слоев позволяет прерывать формирующиеся сквозные поры на границах слоев. Установлено, что с увеличением толщины защитной оболочки огнестойкость древесного волокна возрастает. При этом толщина оболочки имеет большее значение, чем ее плотность. В случае одинакового поглощения «толстые» и «рыхлые» оболочки более эффективны, чем «тонкие» и «плотные».

Полученная огнезащитная композиция на основе жидкого стекла из микрокремнезема с использованием в качестве огнестойкого наполнителя черных сланцев и добавкой ПАВ позволяет обеспечить пористое покрытие с повышенной адгезионной прочностью, вспучивающееся при воздействии высоких температур и обеспечивающее I группу огнезащитной эффективности. Расход состава композиции при толщине 02-0,3 мм составляет 0,35-0,5 кг/м². Тонкослойное покрытие данным составом сырьевой смеси позволяет добиться длительного огнезащитного эффекта. Огнезащитные свойства данной сырьевой смеси проявляются за счет увеличения толщины слоя и изменения теплофизических характеристик при интенсивном тепловом воздействии в условиях пожара. Вспученный слой действует как физический барьер для подвода тепла от пламени к нижележащим слоям покрытия и защищаемой поверхности, уменьшая теплопередачу в десятки раз. Образующийся пористый слой обугливается, покрытие является теплоизоляционным слоем между источником тепла и защищаемой поверхностью. Объем образовавшегося обугленного слоя в зависимости от состава может составлять от 10 до 15 первоначальных объемов покрытия.

Огнезащитную эффективность покрытия, созданного на основе сырьевой смеси по настоящему изобретению, определяли согласно ГОСТу 16363-98 «Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств». Испытания покрытия проводили по методу «огневой трубы», путем определения потери массы образца при возгорании. Средние потери массы образцов составили 0,4%. Согласно ГОСТУ 16363-98 полученное покрытие соответствует I группе огнезащитной эффективности, обеспечивающей получение трудновоспламеняемой древесины.

Адгезию огнезащитного покрытия определяли по методу решетчатых надрезов в соответствии с ГОСТ 15140-78. Сущность данного метода заключается в нанесении на готовое покрытие решетчатых надрезов и визуальной оценке состояния покрытия по четырехбалльной системе. Адгезия полученной огнезащитной композиции составила 1 балл.

Коэффициент вспучивания огнезащитного покрытия определяли как отношение толщины вспученного слоя h к исходной толщине покрытия h₀ согласно ГОСТУ Р 12.3.047-98 (Приложение Ф). Коэффициент вспучивания огнезащитной композиции составил 10-15 (раз). Из многочисленных лабораторных данных и проведенных исследований известно, что эмпирическая зависимость предельного времени нагрева от толщины вспенивающегося покрытия имеет вид параболы, т.е. предельное время возрастает с ростом толщины исходного покрытия в степени 1/2. Таким образом, можно сделать вывод, что при коэффициенте вспучивания огнезащитной композиции в 15 раз можно увеличить предельное время нагрева в 7,5 раз.

Условную вязкость состава сырьевой смеси определяли в лабораторных условиях, используя вискозиметр для определения вязкости лакокрасочных материалов ВЗ-4 (ГОСТ 9070-75N). Сущность данного метода заключается в определении времени истечения композиционной смеси объемом 100 см³ через отверстие сопла диаметром 4 мм. При получении огнезащитного покрытия проведены исследования по достижению оптимальной вязкости состава, обеспечивающей равномерное нанесение на горизонтальные и вертикальные поверхности и качественное покрытие.

Составы полученных смесей приведены в таблице 3, свойства полученных огнезащитных покрытий представлены в таблице 4. В качестве эталона сравнения использован прототип (известный состав).

Из таблицы следует, что использование на практике огнезащитного покрытия, вспучивающегося при огневом воздействии, полученного на основе предлагаемой сырьевой смеси, позволяет по сравнению с прототипом повысить показатель огнестойкости по потере массы при возгорании. Вязкость предлагаемой сырьевой смеси позволит обеспечить равномерное нанесение огнезащитной композиции на любые деревянные поверхности (гладкие, шероховатые, со всеми выступами и неровностями). Отсутствие многочисленных сквозных пор за счет нанесения состава в 3 слоя при высыхании сырьевой смеси позволило добиться огнезащитного воздействия, значительно сдерживающего развитие процессов горения до температуры воспламенения древесины. Коэффициент вспучивания предлагаемой огнезащитной композиции составил 10-15 раз, что предполагает увеличение предельного времени теплового воздействия до нарушения структуры покрытия в 5-7,5 раз по сравнению с прототипом.

Экономическая эффективность и технологичность заявляемой композиции обусловлена ее малокомпонентностью, использованием доступного природного сырья. Использование в качестве связующего для создания огнезащитной композиции жидкого стекла из микрокремнезема позволяет добиться снижения энергозатрат и упрощения технологии получения огнезащитного покрытия с вовлечением в производство вторичных минеральных ресурсов при обеспечении экологической безопасности.