Введение: огнезащитные краски — позволяют стальным конструкциям «продержаться» в огне критические 180 минут
Смертельная слабость стальных конструкций (высотные здания/мосты/нефтехимические установки)Когда температура поднимается выше 500°C — предел текучести стали снижается вдвое — при >600°C — утрата несущей способности — обрушение конструкции
— непосредственная причина обрушения ВТЦ 11 сентября — не удар самолёта — а горение авиационного керосина (>1000°C) — отказ огнезащитного покрытия стальной конструкции — размягчение стали — послойное «блинное» обрушение этажей. Миссия огнезащитного покрытияПри стандартной кривой пожара (ISO 834/комнатная температура → >500°C/5 мин → >800°C/30 мин → >1000°C/120 мин) — замедлить нагрев стальной конструкции от >1000°C до 60–180 минут
— в этом ценность огнезащитного покрытия: «несколькими миллиметрами слоя — спасти сотни жизней».
Вспучивающиеся огнезащитные краски — это специальные функциональные покрытия, состоящие из трех основных функциональных компонентов: кислотного источника (полифосфат аммония APP — катализирует дегидратацию и образование углерода), углеродного источника (пентаэритрит PER — обеспечивает углеродный каркас) и газового источника (меламин MEL — вспенивание и расширение) — в сочетании со связующей смолой (эпоксидной/акриловой/алкидной) — которые при высокой температуре пожара (>200°C) посредством трехступенчатой реакции «кислотный катализ дегидратации → карбонизация → раздувание газовым источником» — расширяются более чем в 50–100 раз — образуют пористый пеноуглеродный слой толщиной >2–5 см (теплопроводность <0.1 Вт/м·К) — удерживают температуру стальной конструкции на нижнем уровне в безопасном диапазоне (<140°C) в течение 60–180 минут — защищают целостность строительных конструкций и безопасность людей.
I. «Трёхкомпонентная» химическая система вспучивающихся огнезащитных покрытий
| Компонент | Типичное соединение | Температура разложения (°C) | Механизм действия | Типичная доля (%) | Ключевые показатели качества |
|---|---|---|---|---|---|
| Кислотный источник (Dehydrating Agent) | APP (полифосфат аммония / степень полимеризации >1000) | >215°C — выделение полифосфорной кислоты | Полифосфорная кислота катализирует дегидратацию и этерификацию -OH углеродного источника (PER) — образование фосфатных эфиров — дальнейший пиролиз — карбонизация «катализатор дегидратации и образования углерода» | 25-35 | Степень полимеризации >1000 (водостойкость / отсутствие миграции) / содержание P₂O₅ >55% / водорастворимость <0,5 г/100 мл |
| Углеродный источник (Carbonific) | PER (пентаэритрит / дипентаэритрит) | >250°C (в присутствии APP — этерификация ускоряется) | Многоатомные спирты (-OH) этерифицируются полифосфорной кислотой — дегидратация — карбонизация — образование графитизированного углеродного слоя («углеродный каркас») | 10-15 | Чистота >98% / содержание гидроксильных групп (теоретическое OH% = 58,8%) / тонкость помола <50 мкм |
| Газовый источник (Spumific) | MEL (меламин) | >300°C — сублимация + разложение | При нагревании сублимируется + разлагается — выделяет инертные газы NH₃ / N₂ / CO₂ и др. — «раздувает» расплавленный углеродный слой в пену — кратность вспучивания >50× — толщина углеродного слоя >2-5 см | 10-15 | Чистота >99% / узкий диапазон температур разложения (300-350°C «концентрированное вспенивание») |
| Связующее смола | Эпоксидная / акриловая / алкидная | Изменяемая (>150°C размягчение) | При низкой температуре — обеспечивает физическую целостность и адгезию покрытия — при >200°C — смола размягчается — становится «расплавленным носителем», позволяющим газовому источнику раздувать — углеродный / кислотный источник реагируют в смоле | 25-40 | Tg / температура размягчения — согласование с температурой реакции APP / PER / MEL «синхронно с тремя источниками» |
Часто задаваемые вопросы
Q1: Классическое соотношение APP/PER/MEL (3:1:1) — почему именно такое соотношение — что будет при отклонении?
3:1:1 (APP:PER:MEL — по массе) — это «оптимальный синергизм», полученный в результате >40 лет оптимизации и бесчисленных рецептурных испытаний (1) APP преобладает (>50% от общего три-источника) — потому что нужно достаточно много полифосфорной кислоты — для катализа этерификации -OH групп всего PER — при недостатке APP — часть PER не этерифицируется — не может карбонизироваться — «рыхлый каркас» углеродного слоя — кратность вспучивания <20 — огнестойкость <30 мин
; (2) PER 10-15% — достаточный «каркас» углерода, но не избыточный — при избытке PER — углеродный слой слишком плотный — газовому источнику трудно раздуть — «плохое вспучивание» — при недостатке PER — углеродный слой слишком тонкий — «продувается» — нет теплоизоляции; (3) MEL 10-15% — обеспечивает умеренное количество газа — при избытке MEL — «чрезмерное вспенивание» — углеродный слой слишком толстый, но «пористый и хрупкий» — низкая структурная прочность — под воздействием пламени углеродный слой «растрескивается и отслаивается» — при недостатке MEL — «недостаточное вспенивание» — тонкий углеродный слой — нет теплоизоляции. Отклонение рецептуры ±2% — огнестойкость может снизиться >30% — соотношение «три-источника» — это «жизненно важная формула» огнезащитного покрытия.
Q2: Почему «теплопроводность» вспученного углеродного слоя >2 см толщины снижает 1000°C до <140°C?
Вспученный углеродный слой — пенная структура (закрытые/открытые поры — >90% пористости) — заполнена инертным газом N₂/CO₂ — теплопроводность газа (>0,01–0,03 Вт/м·К — значительно ниже стали >50 — углерода >5)эффективная теплопроводность всего углеродного слоя <0,1 Вт/м·К — в 500 раз меньше, чем у стали
. (1) Закон Фурье — стационарный тепловой поток через углеродный слой Q=(k/δ)×(T_огонь-T_сталь) — k=0,1 — δ=0,03 м (>3 см углеродного слоя) — разность температур ΔT≈900°C — Q≈3000 Вт/м² — а стальная конструкция рассеивает тепло в окружающую среду — может выдержать этот тепловой поток — температура стали стабилизируется на <140°C; (2) углеродный слой 3× — сталь >500°C — разрушение. «Толщина» углеродного слоя определяется кратностью вспучивания (>50× — исходное DFT 50 мкм — вспучивание → >2,5 см углеродного слоя — 5 см углеродного слоя). «Толщина — это срок службы» — вот почему для огнезащитного покрытия DFT нужно >0,5–5 мм — в 10–100 раз толще обычного антикоррозионного покрытия.
Q3: эпоксидная, акриловая, алкидная — какое связующее лучше всего подходит для системы APP/PER/MEL?
(1) Эпоксидная — стойкость к химии + отличная адгезия — но эпоксидная при >200°C«не размягчается», а сразу деградирует — карбонизируется — углеродный слой «твердый и хрупкий» под воздействием пламени «растрескивается» — огнестойкость нестабильна — обычно требуется добавление «пластификатора» (фосфаты — твердое пластифицирование — улучшение вязкости углеродного слоя) — эпоксидная система применяется для внутренних помещений/без УФ
(резервуары — нефтехимия — химическая среда «эпоксидная огнезащита — толстослойная»); (2) Акриловая — низкая Tg — температура размягчения (>100-150°C) — совпадает с окном реакции APP/PER/MEL «лучший расплав-носитель» однородный углеродный слой — стабильный коэффициент вспучивания — отличная атмосферостойкость — наружные стальные конструкции»
— является основным связующим для огнезащитных покрытий в настоящее время (>60% рынка) — но хуже по химической стойкости, чем эпоксидная — не подходит для сред с сильными кислотами и щелочами; (3) Алкидная — медленное высыхание — окислительная сшивка — образует довольно толстую пленку — но алкидная содержит ненасыщенные C=C — при >200°C — окислительная деградация — рыхлая структура углеродного слоя «большой коэффициент вспучивания, но низкая прочность» — сильные колебания огнестойкости — в настоящее время доля на рынке огнезащитных покрытий <10%
— в основном заменена акриловой.
Q4: Различия в нанесении огнезащитного покрытия “толстослойного” >2 мм и “тонкослойного” <0,5 мм?
Толстослойное (эпоксидное основание — DFT >2-5 мм) — (1) требуется многослойное нанесение (каждый слой 5 слоев — интервал между слоями >6 ч (поверхностное высыхание)
; (2) инструмент нанесения — шпатель/двухкомпонентное распыление/”безвоздушный насос-распылитель — давление >250 бар — из-за очень высокой вязкости краски (>2000 мПа·с) — содержит много твердой фазы APP/PER/MEL (>60% по весу — твердое “песчаное” — засорение труб — требуется диаметр трубы >1/2 дюйма + штукатурный насос”; (3) отверждение — >7-14 дней — температура окружающей среды >5°C — влажность <85% "полное эпоксидное сшивание — только тогда огнестойкие испытания — неполная полимеризация — резкое снижение огнестойкости". Тонкослойное (акриловое — DFT <0,5 мм) — (1) один слой (>0,2 мм) или два слоя — обычное безвоздушное распыление” простота нанесения — хороший внешний вид — может служить архитектурной отделкой”; (2) но предел огнестойкости толстослойное — может быть >180 мин (>3 мм DFT). “Тонкослойное — эстетичное — короткая огнестойкость — здания/торговые центры — толстослойное — промышленность — длительная огнестойкость — нефтехимия — тоннели”.
Q5: Взаимосвязь между GB 14907-2018 (огнезащитные краски для стальных конструкций) и ISO 834 (стандартная кривая роста температуры при пожаре)?
Кривая ISO 834 ”стандартный пожар — время-температура — T=20+345×log₁₀(8t+1) — t=минуты — 1ч→945°C — 2ч→1033°C — 3ч→1082°C — 4ч→1114°C” — это универсальная модель роста температуры при пожаре в зданиях — стандартная кривая очага пожара для мировых испытаний на огнестойкость”. GB 14907-2018 — обязательный в Китае — (1) ссылается на ISO 834 как на условие нагрева (эквивалентно ”условия нагрева — GB/T 9978 — ISO 834″) — (2) добавляет — предел огнестойкости — R (несущая способность)/E (целостность)/I (теплоизоляция) — >0,5ч — 1ч — 1,5ч — 2ч — 2,5ч — 3ч — шесть классов — согласуется с классами огнестойкости GB 50016 (нормы проектирования противопожарной защиты зданий). GB ”эквивалентен ISO — условия испытаний совпадают — классы огнестойкости — китайский формат — R/E/I”.
См. также / Похожие материалы
Резюме
Вспучивающееся огнезащитное покрытие — кислотный источник (APP — катализирует дегидратацию) + углеродный источник (PER — углеродный каркас) + газообразующий источник (MEL — вспенивание) — при пожаре >200°C протекают три стадии реакции «кислотно-катализируемая этерификация и дегидратация — карбонизация — газовое раздувание» — «толщина покрытия 0.5–5 мм» вспучивается в пенококсовый слой >2–5 см — теплопроводность <0.1 — удерживает температуру стальной конструкции ниже 60–180 минут. Kexin New Materials производит различные огнезащитные покрытия — сертификация GB 14907 «спокойствие — но — в огне в бой — миллиметровое покрытие — покупает время жизни — химические „доспехи“».