Огнестойкие покрытия

Министерство образования и науки Российской Федерации

Волжский политехнический институт (филиал)  бюджетного государственного образовательного бюджетного учреждения высшего профессионального образования Волгоградского государственного технического университета

Кафедра «Химическая технология полимеров и промышленная экология»

 Семестровая работа  на тему: «Огнестойкие покрытия»

Выполнил:

студент гр. ВТЭ-2

Ершов А.Н.

Проверил:

Кейбал Н. А.

Волжский, 2010

Содержание:

1. Введение………………………………………………………………………..3

2. Горение( древесины и полимерных материалов)…………………………..5

3. Составы, вещества и материалы для огнезащиты материалов, конструкций и изделий, их классификация…………………………………………………….9

3. Виды огнестойких покрытий (состав, основные характеристики)………..13

4. Пожарно-технические характеристики покрытий …………………………24

5. Запатентованные покрытия…………………………………………………..29

6. Заключение…………………………………………………………………….34

7. Список литературы……………………………………………………………35

Введение

Огонь на протяжении всего развития человечества долгое время был единственным средством для приготовления пищи, отпугивания зверей, освещения и отопления, позднее - выплавки и обработки металлов и, наконец, для работы разнообразных двигателей - от парового до ракетного. Однако и вреда огонь приносил и приносит до сих пор достаточно. Когда дома были деревянными, пожары уничтожали целые города; когда появились новые искусственные материалы, пожары не исчезли, а основным источником опасности стали полимеры. Существенным фактором, сдерживающим внедрение разнообразных полимерных материалов, является их пожарная опасность, обусловленная горючестью и сопутствующими процессами. Пожарная опасность материалов и изделий из них определяется в технике следующими характеристиками: 1) горючестью, то есть способностью материала загораться, поддерживать и распространять процесс горения; 2) дымовыделением при горении и воздействии пламени; 3) токсичностью продуктов горения и пиролиза - разложения вещества под действием высоких температур; 4) огнестойкостью конструкции, то есть способностью сохранять физико-механические (прочность, жесткость) и функциональные свойства изделия при воздействии пламени. В свою очередь, горючесть - это комплексная характеристика материала или конструкции. Она включает следующие величины: 1) температуру воспламенения или самовоспламенения; 2) скорости выгорания и распространения пламени по поверхности; 3) предельные параметры, характеризующие условия, при которых возможен самоподдерживающийся процесс горения, например состав атмосферы (кислородный индекс) или температура (температурный индекс). [1]

Ежегодно в России происходит около 250 тыс. пожаров, в результате которых уничтожается материальных ценностей более чем на 6,5 млрд р. и погибает свыше 18 тыс. человек. Важной задачей является повышение теплостойкости полимерных композиционных материалов, так как полимерное связующее уже при сравнительно невысоких температурах (выше 100 0С) начинает терять упруго-прочностные свойства. Поэтому достижение необходимых показателей огнетеплозащиты стеклопластиков является актуальной задачей, решение которой позволит существенно расширить их область применения. [2]

Задача высокотемпературной и огневой защиты конструкций на основе

металлов и сплавов состоит в образовании на их поверхности теплоизолирующих плотных экранов с низкой температуропроводностью, которые могут в течение длительного времени не разрушаться при действии высоких температур от огня, а также различных агрессивных сред.

Такие покрытия позволяют значительно уменьшить время прогревания металлов и развитие пластических деформаций, что значительно увеличивает огнестойкость и сохраняют эксплуатационные свойства на протяжении заданного времени. [4]

2. Процесс горение

2.1 Древесина

Процесс горения древесины – это изотермический процесс, который сопровождается выделением тепла.

Разогрев - это нагрев участка древесины от наружного источника тепла до температуры воспламенения. Источником тепла может послужить поднесенная спичка, соседний горящий участок полена или щепки, либо что-что еще, способное греть и нагревать до требуемой температуры. Когда температура прогреваемого участка достигнет 120-150°С — начинается очень медленное и постепенное обугливание дерева, с образованием самовоспламеняющегося угля. При достижении температуры 250-350°С, начинается активное термическое разложение древесины на составляющие. На поверхности дерева появляется видимый обугливающийся слой, который начинает тлеть (гореть без пламени). При этом из обуглившегося слоя начинает выделяться белый (бурый) дым. Белый  дым — это не что иное, как продукты термического разложения древесины, сдобренные приличной порцией водяного пара. При дальнейшем разогреве и повышении температуры, термическое разложение древесины на газообразные составляющие будет усиливаться. Процесс термического разложения (пиролиз) пойдет вглубь древесной массы. Концентрация пиролизных газов в зоне разогрева достигнет критической отметки и произойдет их возгорание (вспышка). Вспышка состоится на границе с кромкой белого дыма и распространится на весь его объем. Возникнет светло-жёлтое пламя. Температура зоны разогрева может резко увеличиться за счет теплоты от сгорания пиролизных газов.

Температура вспышки горючих пиролизных газов находится в пределах 250-300°С. Это температура, при которой становится теоретически возможным процесс воспламенения и горения самой древесины.

Воспламенение. Если и дальше продолжать разогревать древесину, то наступит ее воспламенение. Это начальная стадия горения, в течение которой энергия, подводимая к системе от внешнего источника, приводит к резкому ускорению термохимической реакции. Практика показывает, что в естественных условиях воспламенение древесины наблюдается при температуре от 450 до 620°С. 
Принципиально важным и непременным условием для воспламенения и горения любого вещества является достаточный приток кислорода и концентрация теплоты горения, которая не рассеивается, а идет на прогрев новых смежных участков топлива до температуры воспламенения.

Горение древесины. Если упомянутое выше условие соблюдается, то возникшее при вспышке пламя уже не затухает, а охватывает всю обугленную часть древесины. Это означает, что древесина воспламенилась, и процесс воспламенения перешел в процесс горения.

В свою очередь, горение дерева состоит из двух фаз — пламенной фазы и фазы тления.

В режиме тления доминирующим процессом является горение твёрдых продуктов пиролиза (углей). При этом,  пиролизные газы выделяются медленно и не могут воспламениться из-за малой своей концентрации. Газообразные продукты охлаждаются, конденсируются и дают обильный белый дым. При горении в режиме тления происходит движение воздуха в толщу горящей древесины

В режиме пламенного горения ведущим 
процессом является горение газообразных продуктов пиролиза, которое характеризуется движением горячих газов наружу.

Обе фазы горения неразрывно взаимосвязаны и будут продолжаться до тех пор, пока в зоне горения будут соблюдаться три условия: наличие топлива, наличие кислорода и концентрация необходимой температуры.

Затухание древесины.

Если одно из этих условий не соблюдается, то пламя затухает и весь процесс воспламенения и горения, либо прекращается, либо, в точности повторяется с самого начала, в зависимости от стабильности наружного источника тепла.

2.2 Полимерные материалы

Горение полимеров представляет собой очень сложный физико-химический процесс (схема 1), включающий как химические реакции деструкции, сшивания и карбонизации полимера в конденсированной фазе (а также химические реакции превращения и окисления газовых продуктов), так и физические процессы интенсивных тепло- и массопередачи. Реакции в конденсированной фазе фактически приводят к двум основным типам продуктов: 1) газообразным веществам (горючим и негорючим) и 2) твердым продуктам (углеродсодержащим и минеральным). При протекании реакции в газовой фазе в предпламенной области образуются топливо для пламени, сажа и пр.

Специфической особенностью химии пламени является наличие сложного пространственного распределения температуры и концентраций исходных и промежуточных веществ и продуктов, а также для большинства полимеров (а тем более полимерных материалов) - наличие огромного числа разнообразных продуктов деструкции как в конденсированной, так и в газовой, предпламенной области. Все это чрезвычайно затрудняет экспериментальные исследования и создание строгих количественных теорий процессов горения полимеров, которые бы учитывали все химические и другие особенности конкретных систем. Тем не менее, для горения большинства полимерных материалов характерны некоторые общие качественные закономерности, на чем мы кратко остановимся.

Процессы горения полимеров делятся на обычное газовое и гетерогенное горение, или тление. В первом случае большая часть тепла, ответственного за поддержание самостоятельного химического превращения, выделяется в газовой фазе при окислении газообразных продуктов деструкции полимера. При этом область максимальной скорости выделения тепла (газовое пламя) обычно отстоит от поверхности на расстояние порядка миллиметров и более в зависимости от конкретных условий горения. Поверхность полимера в таком случае оказывается значительно холоднее области газового пламени. Температуры поверхности составляют 400 - 650 0 С, а максимальные температуры в газовой фазе достигают 1100 - 12000С и более. При тлении же все тепло выделяется, главным образом, в поверхностном слое конденсированной фазы, где и наблюдаются максимальные температуры (800 - 9000С).

При горении органических полимерных материалов окислителем является кислород воздуха, а горючим - водород и углеродсодержащие газообразные продукты деструкции полимера, которые в результате окисления превращаются в воду и углекислый газ или - при неполном окислении - в угарный газ (СО). Потоки горючего и окислителя в этом случае пространственно разделены, и химическая реакция их взаимодействия обычно лимитируется подачей реагентов к пламени диффузией или конвекцией. Газовое пламя носит тепловой характер, то есть его существование определяется наличием достаточно большого теплового эффекта при сгорании продуктов деструкции полимера и сильной температурной зависимостью скорости реакции окисления (большого значения эффективной энергии активации). При горении полимеров наблюдаются критические явления, характерные вообще для процессов горения. Снижение температуры пламени по тем или иным причинам приводит к скачкообразному переходу от одного режима окисления - горения - к другому - очень медленному окислению. Эти режимы различаются между собой по скоростям на многие порядки. Поэтому можно говорить о существовании критических условий, определяющих границы возможного горения данного материала. Следует отметить, что эти условия зависят от геометрии образцов и пламени, температуры полимера и газовой среды и не являются абсолютными характеристиками данного материала.

Следует отметить, что в большинстве случаев невозможно добиться того, чтобы органический полимер стал абсолютно негорючим материалом и не сгорал в интенсивном огне (пожаре). Однако большинство пожаров возникает от малокалорийных источников тепла и огня - сигарет, спичек, свечей, короткого замыкания. Поэтому очень важно понизить горючесть полимера, чтобы он медленнее загорался, медленнее распространялось пламя, а для загорания требовались бы более жесткие условия (более высокие значения температур, потока энергии и т.д.). [1]

3. Составы, вещества и материалы для огнезащиты материалов, конструкций и изделий.

Для начала следует привести основные термины и определения, характеризующие данную область исследования.

Огнезащитный состав (вещество) (ОЗСВ) - состав, вещество (смесь веществ) или материал, обладающие требуемой огнезащитной эффективностью и специально предназначенные для огнезащитной обработки различных объектов.  
Объект огнезащиты - материал, вещество, конструкция или изделие, подвергаемые обработке ОЗСВ с целью снижения их пожарной опасности или увеличения устойчивости к воздействию опасных факторов пожара.  
Огнезащитная обработка - нанесение ОЗСВ на поверхность (поверхностная пропитка, окраска, обмазка и т.д.) и (или) введение в объем объекта огнезащиты.  
Огнезащитное покрытие - полученный в результате огнезащитной обработки слой на поверхности объекта огнезащиты.  
Огнезащитная эффективность - качественный или количественный показатель, характеризующий свойство ОЗСВ снижать пожарную опасность объектов огнезащиты до требуемого уровня согласно действующей нормативной документации или обеспечивать требуемую нормативную устойчивость их к воздействию опасных факторов пожара. 

В зависимости от вида материала объекта огнезащиты ОЗСВ подразделяются на предназначенные для:

древесины и материалов на ее основе;

металла;

тканей, нетканых материалов и ковровых покрытий;

оболочек электрокабелей;

полимерных и других материалов.

В зависимости от условий эксплуатации ОЗСВ подразделяются на предназначенные для:

сухих отапливаемых помещений;

условий повышенной влажности;

атмосферных условий;

специальных условий.

По способу огнезащитной обработки ОЗСВ подразделяются на:

пропиточные составы и антипирены;

покрытия;

комбинированные.

ОЗСВ по виду огнезащитного покрытия подразделяются на:

краски и лаки;

обмазки;

пропиточные составы и антипирены.

Огнезащитные составы

Так же для повышения огнестойкости применяются следующие мероприятия.

Конструктивные мероприятия

Они предусматривают: удаление горючих элементов (дерево, пластмассы) от источников нагревания (от печей, каминов и других отопительных приборов) на 30-40 см;

устройство несгораемых стен - брандмауэров в зданиях складов, пакгаузов, других протяженных сооружениях (более 30 метров) из негорючих стен (чаще всего из керамического кирпича);

устройство огнезащитных дверей (например, при входе на чердак, мансарду), огнезащитных перегородок.

Примечание: проектные противопожарные решения, как и средства защиты помещений и средства пожаротушения, в данном справочнике не рассматриваются.  
Огнезащита строительных конструкций осуществляется:

пропиткой материалов антипиренами;

покрытием поверхности огнезащитными красками (толщиной до 200 мкм);

обмазкой огнезащитными пастами (огнестойкой мастикой и герметиками) толщиной до 2 см;

покрытием поверхности огнезащитными штукатурными растворами (толщиной 2 см);

покрытием огнестойкими стеклообоями;

защитой конструкции жёсткими экранами - огнестойкими листами, плитами, панелями, цилиндры и т.п.

Здания и пожарные отсеки (части зданий), выделенные противопожарными стенами (брандмауэрами) подразделяются по степеням огнестойкости согласно таблице.

Степень огнестойкости зданий и пожарных отсеков

 
Здания и пожарные отсеки по конструктивной опасности подразделяются на классы согласно таблице.

Классы конструктивной опасности зданий

Пожарная опасность заполнения проёмов в ограждающих конструкциях зданий (дверей, ворот, окон и люков) не нормируется, за исключением специально оговоренных случаев.

Антипирены

Для повышения огнестойкости материалов используют специальные вещества - антипирены.

При воздействии огня на материал применение антипиренов базируется на плавлении легкоплавких веществ, вводимых в состав материала (например, солей борной кислоты - буры, Na2B4O7, солей фосфорной и кремниевой кислот: диаммоний фосфат, аммофос, сернокислый аммат), или на разложении при нагревании веществ, выделяющих газы, не поддерживающие горение (например, аммиак, сернистый газ). В первом случае часть тепла расходуется на плавление антипиренов, что повышает температуру воспламенения, во втором - негорючие газы, выделяющиеся при разложении солей, препятствуют распространению пламени.[9]

Требования, предъявляемые к антипиренам:

препятствовать горению и тлению защищаемого материала;

не вызывать коррозии металлических частей;

долговременность действия;

не повышать гигроскопичных свойств древесины;

не быть ядовитыми для людей и животных;

не влиять на лакокрасочные покрытия, нанесённые на пропитанную древесину;

обеспечивать (самостоятельно или совместно с вводимыми в одном растворе антисептиками) биостойкость пропитываемого материала;

не создавать затруднений при механической обработке материала;

не влиять на свойства пропитываемого материала;

не быть дефицитными.

Одним из лучших антипиренов является диаммоний фосфат (NH4)2HPO4 (аммоний фосфорнокислый двузамещенный), который при нагревании выделяет окислы фосфора, покрывающие древесину защитной плёнкой, и негорючий газ - аммиак. Диаммоний фосфат обычно применяется в смеси с сульфатом аммония (NH4)SO4.

Хорошим антипиреном является также смесь фосфорнокислого натрия с сульфатом аммония.

В качестве антипирена может быть использована и смесь буры с борной кислотой (в соотношении 1:1).

Для комбинированной защиты деревянных конструкций от огня и гниения в антипирены должны добавляться антисептики (например, фтористый натрий), не снижающие огнезащитных свойств антипиренов.

Виды антипиренов, их состав и расход сухих компонентов при пропитке 1 куб.м древесины представлены в таблице.

Виды антипиренов для пропитки древесины под давлением

Антипирены, представленные в таблице, неводостойкие, и для защиты от выщелачивания пропитанные ими деревянные конструкции во влажных условиях эксплуатации следует покрывать атмосферостойкими или влагостойкими огнезащитными красками.[5]

Антипирены вводятся в древесину пропиткой в автоклавах или в горяче-холодных ваннах, а также при поверхностной обработке путем нанесения кистью или краскопультом.

Сравнительные технические характеристики огнезащитных покрытий представлены в таблице.

Характеристика огнезащитных покрытий

Огнезащитные пасты и штукатурки

Огнезащита строительных конструкций может осуществляться обмазкой, или механическим нанесением, например, набрызгом или напылением огнезащитными пастами и огнезащитными штукатурками.

Толщина слоя огнезащитных паст обычно не превышает 0,5 - 1 см, штукатурок - 2-4 см.

Отличие паст и штукатурок от обычных цементно-песчаных шпатлевок и растворных штукатурных смесей - это отсутствие в качестве связующего портландцемента и заполнителя в виде кварцевого песка. Как известно, портландцемент при твердении наряду с гидросиликатами, гидроалюминатами и гидроферритами выделяет гидроксид кальция (Са(ОН)2), который при действии температур свыше 550°С разлагается по реакции: Са(ОН)2 - СаО + Н2О. При тушении пожара водой (или просто в контакте с влажным воздухом) идет обратная реакция, при этом продукт гидратации увеличивается в объеме в 2 раза. Гашеная известь "рвет" поверхностный слой, образуются "дутики", трещины, которые способствуют проникновению огня внутрь конструкции. Составы с использованием кварцевого песка также не огнестойки: кристаллический кремнезем - основная составляющая природного песка, переходит при t = 573°С из "бетта" - модификации в "альфа", с увеличением в объеме. В результате слой штукатурки покрывается трещинами. Огнезащитные пасты и штукатурные растворы готовят на основе жидкого стекла, строительного гипса, глиноземистого цемента, пуццолановых цементов. В качестве заполнителя используется вспученный (или невспученный) вермикулит, перлит, диатомит, трепел, вулканическая пемза, вулканический туф, трасс, мелкофракционный керамзит, шунгизит, некоторые молотые металлургические шлаки, золы ТЭЦ. Применяют также волокнистые наполнители: каолиновую вату и другие минеральные волокна, распушенный асбест.[8]

Простейшие огнезащитные пасты делаются с использованием местных "тощих" глин в смеси с водным раствором сульфитно-дрожжевого щелока (СДЩ); гипсового теста с волокнистым минеральным наполнителем и СДЩ.

Их рекомендуется применять в сухих помещениях (при относительной влажности воздуха менее 65 %).

Значительно более эффективны огнезащитные составы с использованием вермикулита, перлита, каолиновой ваты и соответствующих связующих.

Техническая характеристика огнезащитных покрытий (пасты и штукатурки).

Технико-экономические показатели огнезащитных покрытий