firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.18322/PVB.2019.28.05.27-38firesmi-788Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВSAFETY OF SUBSTANCES AND MATERIALSРазработка трудногорючего жесткого напыляемого пенополиуретана и исследование его физико-химических, огнезащитных и огнетушащих свойствDevelopment of a flame retardant hard sprayed polyurethane foam and the study of its physicochemical, fire retardant and fire extinguishing propertieshttps://orcid.org/0000-0002-8557-9925БогдановаВ. В.BogdanovaV. V.

Богданова Валентина Владимировна, д-р хим. наук, профессор, заведующая лабораторией огнетушащих материалов 

Author ID: 7005614283

220006, г. Минск, ул. Ленинградская, 14

Valentina V. Bogdanova, Dr. Sci. (Chem.), Professor, Head of Extinguishing Materials Laboratory

Author ID: 7005614283

Leningradskaya St., 14, Minsk, 220006

bogdanova@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0002-6241-1281БураяО. Н.BurayaO. N.

Бурая Оксана Николаевна, научный сотрудник лаборатории огнетушащих материалов

220006, г. Минск, ул. Ленинградская, 14

Oksana N. Buraya, Researcher, Extinguishing Materials Laboratory

Leningradskaya St., 14, Minsk, 220006

https://orcid.org/0000-0001-7631-8750ТихоновМ. М.TikhonovM. M.

Тихонов Максим Михайлович, канд. техн. наук, доцент, начальник кафедры гражданской защиты

220118, г. Минск, ул. Машиностроителей, 25

Maxim M. Tikhonov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of Civil Protection Department

Mashinostroiteley St., 25, Minsk, 220118

timax1978@gmail.comУчреждение Белорусского государственного университета “Научно-исследовательский институт физико-химических проблем”БеларусьInstitution of the Belarusian State University “Research Institute of Physical and Chemical Problems”BelarusУчреждение Белорусского государственного университета “Научно-исследовательский институт изико-химических проблем”БеларусьInstitution of the Belarusian State University “Research Institute of Physical and Chemical Problems”BelarusУниверситет гражданской защиты МЧС Республики БеларусьБеларусьUniversity of Civil Protection, Ministry of Emergency Situations of BelarusBelarus2019181120192852738Copyright © Богданова В.В., Бурая О.Н., Тихонов М.М., 20192019Богданова В.В., Бурая О.Н., Тихонов М.М.Bogdanova V.V., Buraya O.N., Tikhonov M.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/788

Введение. Предотвращение и тушение пожаров в кабельных шахтах, электроустановках, находящихся под напряжением, пожаров классов А и В требует наличия материалов, обладающих огне- и термостойкостью и способностью заполнять пространство любой формы. Для получения материала, соответствующего данным требованиям, были проведены работы по созданию рецептуры напыляемого пенополиуретана (ППУ) и исследование его эксплуатационных, физико-химических, огнезащитных и огнетушащих свойств. Цель и задачи. Разработка рецептуры трудногорючего напыляемого жесткого пенополиуретана, исследование механизма и синергизма огнезадерживающего действия N–P–Cl-содержащих замедлителей горения. Материалы и методы. Объектом исследования являлись компоненты А и Б для получения пенополиуретана марки “Изолан-125”, N–P–Cl-содержащие замедлители горения и пенополиуретановые композиции на их основе. Исследование огнезащитных, огнетушащих и физико-химических свойств ППУ-композиций и продуктов их термолиза проводили с использованием методов, регламентированных ГОСТами, сканирующей электронной микроскопии, термического и химического анализов. Результаты и их обсуждение. Разработан трудногорючий жесткий напыляемый ППУ, обладающий огнезащитными и огнетушащими свойствами. Исследованы эксплуатационные, физико-химические, огнезащитные и огнетушащие свойства трудногорючего пористого материала. Проведен сопоставительный количественный химический анализ остаточного содержания азота и фосфора в продуктах термической обработки исходного и огнезащищенного ППУ, прогретых в интервале температур 200–500 °С, реализуемых при горении в предпламенной зоне конденсированной фазы. Определены минимальные концентрации азот-, галоген- и фосфор­содержащих замедлителей горения, необходимые для достижения огнезащитных свойств в исследу­емом материале. Выводы. Разработана рецептура композиции трудногорючего напыляемого жесткого пенополиуретана. Установлен механизм и синергизм действия N–P–Cl-содержащих замедлителей горения, заключающийся в ингибировании летучими азот- и галогенсодержащими продуктами радикальных процессов в газовой фазе, тогда как фосфорсодержащие продукты преимущественно принимают участие в образовании прочных термоизолирующих органоминеральных структур в конденсированной фазе. Показана перспективность применения трудногорючего ППУ для предупреждения и тушения пожаров классов А и В, а также в электроустановках, находящихся под напряжением.

Introduction. Burning suppression and prevention in cable shafts, electrical installations, fires of Classes A and B, requires fire resistance materials, which have the ability to fill space with any form. For obtain material, appropriate these requirements, the composition of the sprayed polyurethane foam was developed and its operational, physic and chemical, fire retardant and fire extinguishing properties were studied. Purpose and tasks. Development the recipe of a slow-burning sprayed hard polyurethane foam, study the mechanism and synergy the fire retardant action of N–P–Cl-containing flame retardants. Materials and methods. The objects of study were components A and B for production the polyurethane foam brand of Izolan-125, N–P–Cl-containing flame retardants and polyurethane compositions based on them. The study of fire retardant, fire extinguishing, physical and chemical properties of polyurethane foam compositions and products of their thermolysis was carried out using regulate Standard testing methods, scanning electron microscopy, thermal and chemical analyzes. Results and discussion. A flame resistant hard sprayed polyurethane foam, possessing fire protecting and fire ­extinguishing properties was been developed. The operational, physicochemical, fire protecting, and fire extin­guishing properties of the nonflammable porous material were investigated. A comparative quantitative chemical analysis the residual content of nitrogen and phosphorus in the heat-treated products of the initial and flame ­protected polyurethane foam, heated in the temperature range 200–500 °С, realizing during combustion in the pre-flame zone of the condensed phase, was carried out. The minimal concentrations of nitrogen-, halogen- and phosphorus-containing combustion retardants, required to achieve flame protective properties in the testing material were determined. Conclusion. The recipe of composition the nonflammable sprayed hard polyurethane foam was developed. The mechanism and synergism of action the N–P–Cl-containing combustion retardants was established, which consists in the inhibition of radical processes by volatile nitrogen- and halogencontaining products in the gas ­phase, while phosphorus-containing products mainly participate in the formation of durable thermally insulating organic-mineral structures in the condensed phase. The prospects of using the slow-burning polyurethane foam for the prevention and suppression fires of classes A and B, also electrical installations under voltage was shown.

термическое разложениетермоизолирующая пеназамедлители горенияконденсированная фазаогнезамедлительная системаthermal decompositionheat insulating foamcombustion retardantscondensed phasefire retardant systemReferences. Иванников В. П., Клюс П. П. Справочник руководителя тушения пожара. — М. : Стройиздат, 1987. — 288 с.V. P. Ivannikov, P. P. Klyus. Spravochnik rukovoditelya tusheniya pozhara [Fire ground commander handbook]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1987. 288 p. (in Russian).Weil E. D., Levchik S. V. Commercial flame retardancy of polyurethanes // Journal of Fire Sciences. — 2004. — Vol. 22, No. 3. — P. 183–210. DOI: 10.1177/0734904104040259.E. D. Weil, S. V. Levchik. Commercial flame retardancy of polyurethanes. Journal of Fire Sciences, 2004, vol. 22, no. 3, pp. 183–210. DOI: 10.1177/0734904104040259.Сучков В. П., Мольков А. А. Технология производства трудногорючего пенополиуретана с использованием фосфогипса // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2009. — № 6(606). — C. 25–29.V. P. Suchkov, A. A. Molkov. The technology for the production of slow-burning polyurethane foam using phosphogypsum. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitelstvo / News of Higher Educational Institutions. Construction, 2009, no. 6(606), pp. 25–29 (in Russian).Dong Q., Chen K., Jin X., Sun S., Tian Y., Wang F., Liu P., Yang M. Investigation of flame retardant flexible polyurethane foams containing DOPO immobilized titanium dioxide nanoparticles // Polymers. — 2019. — Vol. 11, No. 1. — P. 75–86. DOI: 10.3390/polym11010075.Q. Dong, K. Chen, X. Jin, S. Sun, Y. Tian, F. Wang, P. Liu, M. Yang. Investigation of flame retardant flexible polyurethane foams containing DOPO immobilized titanium dioxide nanoparticles. Polymers, 2019, vol. 11, no. 1, pp. 75–86. DOI: 10.3390/polym11010075.Chattopadhyay D. K., Webster D. C. Thermal stability and flame retardancy of polyurethanes // Progress in Polymer Science. — 2009. — Vol. 34, No. 10. — P. 1068–1133. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2009.06.002.D. K. Chattopadhyay, D. C. Webster. Thermal stability and flame retardancy of polyurethanes. Progress in Polymer Science, 2009, vol. 34, no. 10, pp. 1068–1133. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2009.06.002.Vitkauskien I., Makuška R., Stirna U., Cabulis U. Thermal properties of polyurethane-polyiso¬cyanurate foams based on poly(ethylene terephthalate) waste // Materials Science. — 2011. — Vol. 17, No. 3. — P. 249–253. DOI: 10.5755/j01.ms.17.3.588.I. Vitkauskienė, R. Makuška, U. Stirna, U. Cabulis. Thermal properties of polyurethane-polyisocyanurate foams based on poly(ethylene terephthalate) waste. Materials Science, 2011, vol. 17, no. 3, pp. 249–253. DOI: 10.5755/j01.ms.17.3.588.Jin X., Gu X., Chen C., Tang W., Li H., Liu X., Bourbigot S., Zhang Z., Sun J., Zhang S. The fire performance of polylactic acid containing a novel intumescent flame retardant and intercalated layered double hydroxides // Journal of Materials Science. — 2017. — Vol. 52, No. 20. — P. 12235–12250. DOI: 10.1007/s10853-017-1354-5.X. Jin, X. Gu, C. Chen, W. Tang, H. Li, X. Liu, S. Bourbigot, Z. Zhang, J. Sun, S. Zhang. The fire performance of polylactic acid containing a novel intumescent flame retardant and intercalated layered double hydroxides. Journal of Materials Science, 2017, vol. 52, no. 20, pp. 12235–12250. DOI: 10.1007/s10853-017-1354-5.Kim Y. S., Davis R., Cain A. A., Grunlan J. C. Development of layer-by-layer assembled carbon nanofiber- filled coatings to reduce polyurethane foam flammability // Polymer. — 2011. — Vol. 52, No. 13. — P. 2847–2855. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.04.023.Y. S. Kim, R. Davis, A. A. Cain, J. C. Grunlan. Development of layer-by-layer assembled carbon nanofiber-filled coatings to reduce polyurethane foam flammability. Polymer, 2011, vol. 52, no. 13, pp. 2847–2855. DOI: 10.1016/j.polymer.2011.04.023.Singh H., Jain A. K., Sharma T. P. Effect of phosphorus-nitrogen additives on fire retardancy of rigid polyurethane foams // Journal of Applied Polymer Science. — 2008. — Vol. 109, No. 4. — Р. 2718–2728. DOI: 10.1002/app.28324.H. Singh, A. K. Jain, T. P. Sharma. Effect of phosphorus-nitrogen additives on fire retardancy of rigid polyurethane foams. Journal of Applied Polymer Science, 2008, vol. 109, no. 4, pp. 2718–2728. DOI: 10.1002/app.28324.Лучкина Л. В., Рудь Д. А., Рудакова Т. А., Сухов А. В. Влияние концентрации антипирена и химической структуры жестких пенополиуретанов на их пожароопасность // Полимерные материалы пониженной горючести : тр. VI Международной конференции (Россия, г. Вологда, 14–18 марта 2011 г.). — Вологда : ВоГТУ, 2011. — С. 43–45.L. V. Luchkina, D. A. Rud, T. A. Rudakova, A. V. Sukhov. The effect of the concentration of flame retardant and the chemical structure of rigid polyurethane foams on their fire hazard. In: Polimernyye materialy ponizhennoy goryuchesti. Trudy VI Mezhdunarodnoy konferentsii [Low Combustibility Polymeric Materials. Proceedings of VI International Conference]. Vologda, Vologda State Technical University, 2011, pp. 43–45 (in Russian).Feske E. F., Brown W. R. Flame retardante pentane blown polyisocyanurate foams for roofing // Proceedings of Polyurethanes Expo 2002 (Salt Lake City, UT, 13–16 October, 2002). — Washington : American Plastics Council, 2002. — P. 32–40.E. F. Feske, W. R. Brown. Flame retardante pentane blown polyisocyanurate foams for roofing. In: Proceedings of Polyurethanes Expo 2002 (Salt Lake City, UT, 13–16 October, 2002). Washington, American Plastics Council, 2002, pp. 32–40.Thirumal M., Singha N. K., Khastgir D., Manjunath B. S., Naik Y. P. Halogen-free flame-retardant rigid polyurethane foams: Effect of alumina trihydrate and triphenylphosphate on the properties of polyurethane foams // Journal of Applied Polymer Science. — 2010. — Vol. 116, No. 4. — P. 2260–2268. DOI: 10.1002/app.31626.M. Thirumal, N. K. Singha, D. Khastgir, B. S. Manjunath, Y. P. Naik. Halogen-free flame-retardant rigid polyurethane foams: Effect of alumina trihydrate and triphenylphosphate on the properties of ¬polyurethane foams. Journal of Applied Polymer Science, 2010, vol. 116, no. 4, pp. 2260–2268. DOI: 10.1002/app.31626.Богданова В. В., Кобец О. И. Синтез и физико-химические свойства фосфатов двух- и трехвалентных металлов-аммония (обзор) // Журнал прикладной химии. — 2014. — Т. 87, No. 10. — С. 1385–1399.V. V. Bogdanova, O. I. Kobets. Synthesis and physicochemical properties of di- and trivalent metal-ammonium phosphates. Russian Journal of Applied Chemistry, 2014, vol. 87, no. 10, pp. 1387–1401.Богданова В. В., Лахвич В. В., Врублевский А. В., Дмитриченко А. С. Огнетушащая эффективность жидкостных химических составов при тушении пожаров класса А распылительными устройствами пожаротушения // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. — 2008. — № 1. — С. 35–41.V. V. Bogdanova, V. V. Lakhvich, A. V. Vrublevskiy, A. S. Dmitrichenko. Fire extinguishing effectiveness of liquid chemical compounds in extinguishing Class A fires with spray extinguishing devices. Vestnik Komandno-inzhenernogo instituta MChS Respubliki Belarus / Vestnik of the Institute for Command Engineers of the MES of the Republic of Belarus, 2008, no. 1, pp. 35–41 (in Russian).Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. — 2-e изд., перераб. и доп. — М. : МГУ, 1970. — 488 с.E. V. Arinushkina. Rukovodstvo po khimicheskomu analizu pochv [Chemical soil analysis guide]. Moscow, Lomonosov Moscow State University Publ., 1970. 488 p. (in Russian).Марченко З. Фотометрическое определение элементов / Пер. с польского. — М. : Мир, 1971. — 501 с.Z. Marchenko. Fotometricheskoye opredeleniye elementov [Photometric determination of elements]. Moscow, Mir Publ., 1971. 501 p. (in Russian).Тихонов М. М. Огнепреграждающая композиция на основе жесткого напыляемого пенополиуретана // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2013. — № 1(33). — С. 50–60.M. M. Tikhonov. The fire-retardant composition based on rigid sprayed polyurethane foam. Chrezvychaynyye situatsii: preduprezhdeniye i likvidatsiya / Emergencies: Prevention and Elimination, 2013, no. 1(33), pp. 50–60 (in Russian).Allan D., Daly J., Liggat J. J. Thermal volatilisation analysis of TDI-based flexible polyurethane foam // Polymer Degradation and Stability. — 2013. — Vol. 98, No. 2. — P. 535–541. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2012.12.002.D. Allan, J. Daly, J. J. Liggat. Thermal volatilisation analysis of TDI-based flexible polyurethane foam. Polymer Degradation and Stability, 2013, vol. 98, no. 2, pp. 535–541. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab. 2012.12.002.Решетников С. М., Шиляев А. В., Зенитова Л. А. Термическое разложение пенополиуретанов с антипиренами // Полимерные материалы пониженной горючести : тр. VI Международной конференции (Россия, г. Вологда, 14–18 марта 2011 г.). — Вологда : ВоГТУ, 2011. — С. 23–27.Reshetnikov S. M., Shilyaev A. V., Zenitova L. A. Thermal decomposition of polyurethane foams with flame retardants. In: Polimernyye materialy ponizhennoy goryuchesti. Trudy VI Mezhdunarodnoy konferentsii [Low Combustibility Polymeric Materials. Proceedings of VI International Conference]. Vologda, Vologda State Technical University, 2011, pp. 23–27 (in Russian).König A., Kroke E. Flame retardancy working mechanism of methyl-DOPO and MPPP in flexible polyurethane foam // Fire and Materials. — 2012. — Vol. 36, No. 1. — P. 1–15. DOI: 10.1002/fam.1077.A. König, E. Kroke. Flame retardancy working mechanism of methyl-DOPO and MPPP in flexible polyurethane foam. Fire and Materials, 2012, vol. 36, no. 1, pp. 1–15. DOI: 10.1002/fam.1077.Jiao C., Wang H., Zhang Z., Chen X. Preparation and properties of an efficient smoke suppressant and flame-retardant agent for thermolastic polyurethane // Polymers for Advanced Technologies. — 2017. — Vol. 28, No. 12. — P. 1690–1698. DOI: 10.1002/pat.4041.C. Jiao, H. Wang, Z. Zhang, X. Chen. Preparation and properties of an efficient smoke suppressant and flame-retardant agent for thermolastic polyurethane. Polymers for Advanced Technologies, 2017, vol. 28, no. 12, pp. 1690–1698. DOI: 10.1002/pat.4041.Богданова В. В., Кобец О. И., Бурая О. Н. Направленное регулирование огнезащитной и огне¬тушащей эффективности N–P-содержащих антипиренов в синтетических и природных полимерах // Горение и взрыв. — 2019. — Т. 12, № 2. — С. 106–115. DOI: 10.30826/CE19120214.V. V. Bogdanova, O. I. Kobets, O. N. Buraja. Directional regulation of the fire-protective and extinguish efficiency of N–P-containing fire retardants in synthetic and natural polymers. Gorenie i vzryv (Moskva) / Combustion and Explosion, 2019, vol. 12, no. 2, pp. 106–115 (in Russian). DOI: 10.30826/CE19120214.Богданова В. В., Тихонов М. М. Влияние замедлителей горения на термические и огнестойкие свойства жесткого пенополиуретана // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2013. — № 8(145). — С. 49–53.Bogdanova V. V., Tikhonov M. M. Effect on thermal retardants and flame retardant properties of rigid polyurethane foam. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskiye nauki /Izvestiya SFedU. Engineering Sciences, 2013, no. 8(145), pp. 49–53 (in Russian).Богданова В. В., Кобец О. И., Тихонов М. М. Факторы, оказывающие доминирующее влияние на прекращение горения природных и синтетических материалов // Полимерные материалы пониженной горючести : тр. VIII Международной конференции (Республика Казахстан, г. Алматы, 5–10 июня 2017 г.). — Кокшетау : Кокшетауский технический институт Комитета по чрезвычайным ситуациям МВД Республики Казахстан, 2017. — С. 88–91.V. V. Bogdanova, O. I. Kobets, M. M. Tikhonov. Factors that have a dominant effect on the cessation of combustion of natural and synthetic materials. In: Polimernyye materialy ponizhennoy goryuchesti. Trudy VIII Mezhdunarodnoy konferentsii [Low Combustibility Polymeric Materials. Proceedings of VIII International Conference]. Republic of Kazakhstan, Almaty, 5–10 June 2017. Kokshetau, Kokshetau Technical Institute, Committee of Emergency Situations of the Ministry of Internal Affairs of the Republic of Kazakhstan, 2017, pp. 88–91 (in Russian).Богданова В. В., Тихонов М. М. Исследование эксплуатационных и огнезащитных свойств пенополиуретановых конденсированных пен // Весці нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя фізіка-тэхнічных навук [Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук]. — 2013. — № 1. — С. 24–28.V. V. Bogdanova, M. M. Tikhonov. Research of performance and fireproof properties of condensed polyurethane foams. Vestsі Natsyyanalnay akademіі navuk Belarusі. Seryya fіzіka-tekhnіchnykh navuk / Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-Technical Series, 2013, no. 1, pp. 24–28 (in Russian)Пат. 10112 Республика Беларусь. МПК A 62C 15/00, A 62C 31/12, B 05B 7/02, B 01F 5/18, B 01F 3/14. Ранцевая установка для подачи трудногорючего ППУ / Тихонов М. М., Богданова В. В., Бурая О. Н. — № U 20130873; заявл. 30.10.2013; опубл. 30.06.2014, Бюл. № 3(98). — С. 183.M. M. Tikhonov, V. V. Bogdanova, O. N. Buraya. Knapsack installation for delivery of slow-burning polyurethane foam. Patent BY, no. 10112, publ. date 30 June 2014, Bull. No. 3(98) (in Russian).Богданова В. В., Тихонов М. М., Мамедов А. М. Быстротвердеющие полимерные пены для ограничения распространения и тушения пожаров // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. — 2016. — № 2(24). — С. 4–9.V. V. Bogdanova, M. M. Tikhonov, A. M. Mamedov. Fast-curing polymer foams for the limit of spread and extinguishing of fires. Vestnik Komandno-inzhenernogo instituta MChS Respubliki Belarus / Vestnik of the Institute for Command Engineers of the MES of the Republic of Belarus, 2016, no. 2(24), pp. 4–9 (in Russian).Тихонов М. М., Богданова В. В. Трудногорючий пенополиуретан как огнетушащее средство // Полимерные композиты и трибология (Поликомтриб–2017) : тезисы докладов Международной научно-технической конференции (Республика Беларусь, г. Гомель, 27–30 июня 2017 г.). — ¬Гомель : ИММС НАН Беларуси, 2017. — С. 75.M. M. Tikhonov, V. V. Bogdanova. Refractory polyurethane foam as a fire extinguishing agent. In: Polimernyye kompozity i tribologiya (Polikomtrib–2017). Tezisy dokladov Mezhdunarodnoy nauchno-Tekhnicheskoy konferentsii [Polymer Composites and Tribology (Polycomtrib–2017). Abstracts of International Scientific and Technical Conference]. Republic of Belarus, Gomel, 27–30 June 2017. Gomel, IMMS NAN Belarus Publ., 2017, p. 75 (in Russian).Богданова В. В., Тихонов М. М., Мамедов А. М. Полимерное огнетушащее средство для тушения пожаров в электроустановках, находящихся под напряжением // Строительство: новые технологии — новое оборудование. — 2017. — № 12. — С. 60–66.V. V. Bogdanova, M. M. Tikhonov, A. M. Mamedov. Polymeric fire extinguishing agent for extinguishing fires in live electrical installations. Stroitelstvo: novyye tekhnologii — novoye oborudovaniye / Construction: new technologies — new equipment, 2017, no. 12, pp. 60–66 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.