firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.18322/PVB.2020.29.01.55-68firesmi-825Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВSAFETY OF SUBSTANCES AND MATERIALSИсследование эксплуатационных характеристик огнезащитных покрытий на основе эпоксидных смол, модифицированных астраленамиStudy of the operational characteristics of fireproof coatings based on epoxy resins modified with astraleneshttps://orcid.org/0000-0002-4854-9321ИвановА. В.IvanovA. V.

ИВАНОВ Алексей Владимирович - канд. техн. наук, ­доцент, доцент кафедры пожарной безопасности технологических процессов и производств.

Researcher ID: S-9000-2019

196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 149

Alexei V. IVANOV - Cand. Sci. (Eng.), Docent, Associate Professor of Department of Fire Safety of Technological Processes and Production.

Researcher ID: S-9000-2019

Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105

spark002@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6460-209XСтоляровС. О.StolyarovS. O.

СТОЛЯРОВ Святослав Олегович - адъюнкт кафедры пожарной безопасности технологических процессов и производств.

Researcher ID: AAH-8533-2019

196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 149

Svyatoslav O. STOLYAROV - Adjunct, Department of Fire Safety of Technological Processes and Production.

Researcher ID: AAH-8533-2019

Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105

79990252529@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1863-3001ДементьевФ. А.DementyevF. A.

ДЕМЕНТЬЕВ Федор Алексеевич - канд. техн. наук, ­доцент, доцент кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз.

196105, г. Санкт-Петербург, Московский просп., 149

Fedor A. DEMENTYEV - Cand. Sci. (Eng.), Docent, Asso­ciate Professor of Criminalistics and Engineering Expertise Depart­ment.

Moskovskiy Avenue, 149, Saint Petersburg, 196105

demafa@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7774-6212ФерулевА. П.FerulevA. P.

ФЕРУЛЕВ Андрей Петрович - директор по развитию.

195279, г. Санкт-Петербург, ш. Революции, 69 А

Andrey P. FERULEV - Development Director.

Revolyutsii Highway, 69 A, Saint Petersburg, 195279

mail@OgneHimZashita.ruСанкт-Петербургский университет государственной противопожарной службы МЧС РоссииРоссияSaint Petersburg University of State Fire Service of Emercom of RussiaRussian FederationООО “Научно-производственная компания “ОгнеХимЗащита”РоссияResearch and Production Company “OgneHimZashchita” LLCRussian Federation2020130320202915568Copyright © Иванов А.В., Столяров С.О., Дементьев Ф.А., Ферулев А.П., 20202020Иванов А.В., Столяров С.О., Дементьев Ф.А., Ферулев А.П.Ivanov A.V., Stolyarov S.O., Dementyev F.A., Ferulev A.P.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/825Введение

Введение. Целью исследования было изучение влияния углеродных наноструктур (УНС) — астраленов на экс­плуатационные характеристики огнезащитных вспучивающихся композиций (ОВК), а также установление зависимости огнезащитной эффективности модифицированных вспучивающихся покрытий от их термической стабильности, адгезионной прочности и электрофизических свойств.

Материалы и методы исследований. В качестве объекта исследования использовался огнезащитный вспучивающийся состав “Термобарьер” 2 на основе эпоксидных смол с астраленами в условиях электрофизической модификации. Экспериментальная часть включала исследование методом синхронного термического анализа, измерение диэлектрической проницаемости, определение адгезии методом отрыва, установление взаимосвязи свойств ОВК с условиями модификации методом нейросетевого моделирования, определение огнезащитной эффективности покрытий в условиях факельного горения углеводородов.

Результаты исследования

Результаты исследования. ОВК, модифицированные астраленами в концентрации 0,1 % об. и подвергшиеся воздействию переменного поля низкой частоты, обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками: время наступления предельной температуры защищаемой поверхности выросло с 65 до 96 мин, адгезионная прочность — на 38 %, кислородный индекс — на 11 % в сравнении с базовым составом. При этом ­экзотермические пики на температурном участке 550–700 °С смещаются на 85 °С в область бульших значений относительно базового состава. При электрофизическом воздействии происходит упорядочивание ­астраленов в материале, о чем свидетельствует снижение диэлектрической проницаемости покрытия на 45 % в сравнении с немодифицированным составом.

Выводы

Выводы. Модификация огнезащитного состава астраленами ведет к повышению огнезащитной эффективности, адгезионной прочности, термической стабильности, снижению горючести и диэлектрической проница­емости ОВК при условии равномерного распределения астраленов в покрытии в концентрации 0,1 % об. Результаты нейросетевого моделирования позволили сделать выводы, что физико-химический механизм повышения эксплуатационных характеристик ОВК при введении в состав астраленов и электрофизическом воздействии связан с упорядочиванием УНС в матрице полимера, со снижением горючести при увеличении адгезионной прочности покрытия. Данные результатов исследований отражают возможность применения астраленов в качестве компонента рецептур для улучшения эксплуатационных характеристик ОВК на основе эпоксидных смол в условиях факельного горения углеводородов.

Introduction

Introduction. The aim of the research was to study the effect of carbon nanostructures – astralenes on the opera­tional characteristics of flame retardant intumescent compositions (FRIC), as well as to establish the relationship between the flame retardant efficacy of modified intumescent coatings on their thermal stability, adhesive strength and electrophysical properties.

Materials and research methods. The flame retardant intumescent composition “Thermobarrier” 2 based on ­epoxy resins with astralenes under conditions of electrophysical modification was used as an object of study. The experimental part includes the study by the method of synchronous thermal analysis, the measurement of ­dielectric permittivity, the determination of adhesion by the separation method, the interconnection of the pro­perties of FRIC from the modification conditions by the method of neural network modeling, the determination of the fire retardant efficiency of coatings in the conditions of hydrocarbon flaring.

Research results

Research results. FRIC with astralenes at a concentration of 0.1 % by vol. modified under the influence of an alternating low-frequency field has improved operational characteristics: the time when the limit temperature of the surface to be protected increased from 65 to 96 minutes, the adhesive strength increased by 38 %, the oxygen index increased by 11 % compared to the base composition. At the same time, exothermic peaks in the tempera­ture range of 550–700 °C shifted to the domain of larger values by 85 °C, in comparison to the basic composi­tion. Under electrophysical exposure, a regular arrangement of astralenes in the material occurs, as evidenced by a decrease in the dielectric constant of the coating by 45 %, in comparison to an unmodified composition.

Conclusions

Conclusions. Modification of the flame retardant with astralenes leads to an increase in fire retardant efficiency, adhesive strength, thermal stability, a decrease in the flammability and permittivity of the FRIC, provided that the astralenes are uniformly distributed in the coating at a concentration of 0.1 % by vol. The results of neural net­work ­modeling permit to make a conclusion that the physicochemical mechanism of increasing the operational characteristics of FRIC with astralenes introduction and electrophysical effects is associated with the uniform distri­bution of carbon nanostructures in the polymer matrix, a decrease in combustibility with an increase in the adhesive strength of the coating. The data of the research results reflect the possibility of using astralenes as a component of the formulations to increase the operational characteristics of FRIC based on epoxy resins under the conditions of flaring hydrocarbons combustion.

модификацияогнезащитная эффективностьуглеродные наноструктурыадгезиятермическая стабильностьгорючестьэлектрофизическое воздействиенейросетевое моделированиеmodificationfire retardant efficiencycarbon nanostructuresadhesionthermal stabilitycombustibilityelectrophysical effectsneural network modelingReferencesЦой А. А. Методика определения эффективности огнезащитных покрытий для стальных конструкций в условиях факельного углеводородного горения : дис. … канд. техн. наук. — СПб., 2017. — 134 с.A. A. Tsoy. Method for determining the effectiveness of flame retardant coatings for steel structures under flare hydrocarbon combustion conditions. Cand. Sci. (Eng.) Diss. Saint Petersburg, 2017. 134 p. (in Russian).Мостовой А. С. Разработка составов, технологии и определение свойств микро- и нанонаполненных эпоксидных композитов функционального назначения : дис. … канд. техн. наук. — Саратов, 2014. — 153 c.A. S. Mostovoy. Development of compositions, technologies and determination of the properties of micro- and nanofilled epoxy composites for functional purposes. Cand. Sci. (Eng.) Diss. Saratov, 2014. 153 p. (in Russian).Ganguli S., Aglan H., Dennig P., Irvin G. Effect of loading and surface modification of MWCNTs on the fracture behavior of epoxy nanocomposites // Journal of Reinforced Plastics and Composites. — 2006. — Vol. 25, No. 2. — P. 175–188. DOI: 10.1177/0731684405056425.S. Ganguli, H. Aglan, P. Denning, G. Irvin. Effect of loading and surface modification of MWCNTs on the fracture behavior of epoxy nanocomposites. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2006, vol. 25, no. 2, pp. 175–188. DOI: 10.1177/0731684405056425.Кондрашов С. В., Дьячкова Т. П., Богатов В. А., Мансурова И. А., Мараховский П. С., Мокрецова И. А., Фокин А. С. Использование углеродных нанотрубок для увеличения теплостойкости эпоксидных связующих // Перспективные материалы. — 2013. — № 2. — С. 17–23.S. V. Kondrashev, T. P. Dyachkova, V. A. Bogatov, I. A. Mansurova, P. S. Marakhovskii, I. A. Mokretsova, A. S. Fokin. Use of carbon nanotubes for epoxy binders heat resistance increase. Perspektivnye materialy / Perspective Materials, 2013, no. 2, pp. 17–23 (in Russian).Иванов А. В., Боева А. А., Ивахнюк Г. К., Терехин С. Н., Пророк В. Я. Исследование эксплуатационных характеристик наномодифицированных огнезащитных вспучивающихся композиций в условиях углеводородного пожара на объектах транспортировки нефтепродуктов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. — 2017. — Т. 26, № 10. — С. 5–19. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.5-19.A. V. Ivanov, A. A. Boeva, G. K. Ivakhnyuk, S. N. Terekhin, V. Ya. Prorok. Research of operational characteristics of nanomodified fire-resistant intumescent compositions in the conditions of hydrocarbon fire at oil transportation facilities. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2017, vol. 26, no. 10, pp. 5–19 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.5-19.Николайчик А. В., Прокопчук Н. Р. Выбор оптимального способа введения углеродных наноматериалов в органорастворимые лакокрасочные материалы // Труды БГТУ. Серия 4: Химия, технология органических веществ и биотехнология. — 2009. — Т. 1, № 4. — C. 68–71.A. V. Nikolaychik, N. R. Prokopchuk. Selection of the optimal method for introducing carbon nanomaterials into organosoluble paints and varnishes. Trudy BGTU. Seriya 4: Khimiya, tekhnologiya organicheskikh veshchestv i biotekhnologiya / Proceedings of BSTU. Series 4: Chemistry, Organic Substances Technology and Biotechnology, 2009, vol. 1, no. 4, pp. 68–71 (in Russian).Яновский Ю. Г., Козлов Г. В., Буря А. И., Липатов Ю. С. Тепловое расширение полимерных композитов, наполненных углеродными нанотрубками // Физическая мезомеханика. — 2007. — Т. 10, № 6. — C. 63–67.Yu. G. Yanovsky, G. V. Kozlov, A. I. Burya, Yu. S. Lipatov. Thermal expansion of polymer composites filled with carbon nanotubes. Fizicheskaya mezomekhanika / Physical Mesomechanics, 2007, vol. 10, no. 6, pp. 63–67 (in Russian).Зыбина О. А. Теоретические принципы и технология огнезащитных вспучивающихся материалов : дис. … д-ра техн. наук. — СПб., 2015. — 260 с.O. A. Zybina. Theoretical principles and technology of fire-retardant intumescent materials. Dr. Sci. (Eng.) Diss. Saint Petersburg, 2015. 260 p. (in Russian).Иванов А. В., Скрипник И. Л., Дементьев Ф. А., Ловчиков В. А. Исследование модифицированных полимерных композиций для улучшения их свойств // Техносферная безопасность. — 2019. — № 1(22). — C. 89–96.A. V. Ivanov, I. L. Skrypnyk, F. A. Dementiev, V. A. Lovchikov. Study of modified polymeric compositions to improve their properties. Tekhnosfernaya bezopasnost / Technosphere Safety, 2019, no. 1(22), pp. 89–96 (in Russian).Shames A. I., Katz E. A., Panich A. M., Mogilyansky D., Mogilko E., Grinblat J., Belousov V. P., Belousova I. M., Ponomarev A. N. Structural and magnetic resonance study of astralen nanoparticles // Diamond and Related Materials. — 2009. — Vol. 18, No. 2–3. — P. 505–510. DOI: 10.1016/j.diamond.2008.10.056.A. I. Shames, E. A. Katz, A. M. Panich, D. Mogilyansky, E. Mogilko, J. Grinblat, V. P. Belousov, I. M. Belousova, A. N. Ponomarev. Structural and magnetic resonance study of astralen nanoparticles. Diamond and Related Materials, 2009, vol. 18, no. 2-3, pp. 505–510. DOI: 10.1016/j.diamond.2008.10.056.Yu C., Yang J., Zhao C., Fan X., Wang G., Qiu J. Nanohybrids from NiCoAl-LDH coupled with carbon for pseudocapacitors: understanding the role of nano-structured carbon // Nanoscale. — 2014. — Vol. 6, No. 6. — P. 3097–3104. DOI: 10.1039/c3nr05477b.C. Yu, J. Yang, C. Zhao, X. Fan, G. Wang, J. Qiu. Nanohybrids from NiCoAl-LDH coupled with carbon for pseudocapacitors: understanding the role of nano-structured carbon. Nanoscale, 2014, vol. 6, no. 6, pp. 3097–3104. DOI: 10.1039/c3nr05477b.Пат. 2479005 Российская Федерация. МПК G05B 24/02 (2006.01), H03B 28/00 (2006.01). Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз / Ивахнюк Г. К., Матюхин В. Н., Клачков В. А., Шевченко А. О., Князев А. С., Ивахнюк К. Г., Иванов А. В., Родионов В. А. — № 2011118347/08; заявл. 21.01.2010; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 10.G. K. Ivakhnjuk, V. N. Matjukhin, V. A. Klachkov, A. O. Shevchenko, A. S. Knjazev, K. G. Ivakhnjuk, A. V. Ivanov, V. A. Rodionov. Method and apparatus for controlling physical-chemical processes in substance and on a phase boundary. Patent RU, no. 2479005, publ. date 10.04.2013, bull. no. 10 (in Russian).Baker N., Armstrong J. A. Von Hippel–Lindau disease // Neurocutaneous Disorders. — 2004. — P. 66–70. DOI: 10.1017/cbo9780511545054.009.N. Baker, J. A. Armstrong. Von Hippel–Lindau disease. Neurocutaneous Disorders, 2004, pp. 66–70. DOI: 10.1017/cbo9780511545054.009.Королев Д. С., Калач А. В., Каргашилов Д. В., Сорокина Ю. Н. Прогнозирование основных показателей пожаровзрывоопасности органических соединений с помощью дескрипторов и искусственных нейронных сетей, используемых в расчете пожарного риска // Пожаровзрывобезопасность/ Fire and Explosion Safety. — 2015. — Т. 24, № 9. — C. 32–38. DOI: 10.18322/PVB.2015.24.09.32-38.D. S. Korolev, A. V. Kalach, D. V. Kargashilov, Yu. N. Sorokina. Forecast of major indicators of fire and inflammation organic compounds using descriptors and artificial neural networks used in the evaluation of fire risk. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2015, vol. 24, no. 9, pp. 32–38 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2015.24.09.32-38.Павлович А. В., Дринберг А. С., Машляковский Л. Н. Огнезащитные вспучивающиеся лакокрасочные покрытия. — М. : ЛКМ-пресс, 2018. — 488 с.A. V. Pavlovich, A. S. Drinberg, L. N. Mashlyakovskiy. Ognezashchitnyye vspuchivayushchiyesya -lakokrasochnyye pokrytiya [Fireproof intumescent coatings]. Moscow, LKM-press Publ., 2018. 488 p. (in Russian).Zhang Y., Xiao S., Wang Q., Liu S., Qiao Z., Chi Z., Xu J., Economy J. Thermally conductive, insulated polyimide nanocomposites by AlO(OH)-coated MWCNTs // Journal of Materials Chemistry. — 2011. — Vol. 21, No. 38. — P. 14563–14568. DOI: 10.1039/C1JM12450A.Y. Zhang, S. Xiao, Q. Wang, S. Liu, Z. Qiao, Z. Chi, J. Xu, J. Economy. Thermally conductive, insulated polyimide nanocomposites by AlO(OH)-coated MWCNTs. Journal of Materials Chemistry, 2011, vol. 21, no. 38, pp. 14563–14568. DOI: 10.1039/C1JM12450A.Гуняев Г. М., Комарова О. А., Ильченко С. И., Алексашин В. М., Пономарев А. Н., Деев И. С., Никитин В. А. Фуллероидные наноматериалы — активные структурные модификаторы полимеров и полимерных композитов // Пластические массы. — 2003. — № 10. — С. 18–21.G. M. Gunyaev, O. A. Komarova, S. I. Ilchenko, V. M. Aleksashin, A. N. Ponomarev, I. S. Deev, V. A. Nikitin. Fulleroid nanomaterials — active structural modifiers of polymers and polymer composites. Plasticheskie massy / Plastics, 2003, no. 10, pp. 18–21 (in Russian).Frankland S. J. V., Caglar A., Brenner D. W., Griebel M. Molecular simulation of the influence of chemical cross-links on the shear strength of carbon nanotube — polymer interfaces // The Journal of Physical Chemistry B. — 2002. — Vol. 106, No. 12. — P. 3046–3048. DOI: 10.1021/jp015591+.S. J. V. Frankland, A. Caglar, D. W. Brenner, M. Griebel. Molecular simulation of the influence of chemical cross-links on the shear strength of carbon nanotube — polymer interfaces. The Journal of Phy-sical Chemistry B, 2002, vol. 106, no. 12, pp. 3046–3048. DOI: 10.1021/jp015591+.Ильченко С. И., Гуняев Г. М., Алексашин В. М., Пономарев А. Н., Комарова О. А., Деев И. С. Углеродные наночастицы, структурные модификаторы и упрочнители полимеров и полимерных композитов // Авиационные материалы и технологии. — 2004. — № 2. — C. 36–54.S. I. Ilchenko, G. M. Gunyaev, V. M. Aleksashin, A. N. Ponomarev, O. A. Komarova, I. S. Deev. Carbon nanoparticles, structural modifiers and hardeners of polymers and polymer composites. Aviacionnye materialy and tehnologii / Aviation Materials and Technologies, 2004, no. 2, pp. 36–54 (in Russian).Bourbigot S., Le Bras M., Delobel R. Carbonization mechanisms resulting from intumescence association with the ammonium polyphosphate-pentaerythritol fire retardant system // Carbon. — 1993. — Vol. 31, No. 8. — P. 1219–1230. DOI: 10.1016/0008-6223(93)90079-p.S. Bourbigot, M. Le Bras, R. Delobel. Carbonization mechanisms resulting from intumescence association with the ammonium polyphosphate-pentaerythritol fire retardant system. Carbon, 1993, vol. 31, no. 8, pp. 1219–1230. DOI: 10.1016/0008-6223(93)90079-p.Kazakov U. N., Petrosyan S. M., Datcenko A. A. Nanoreinforcing of slip rings for maintenance of an arch stabilisation and erosive firmness // 2010 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. — IEEE, 2010. — P. 355–362. DOI: 10.1109/apede.2010.5624087.U. N. Kazakov, S. M. Petrosyan, A. A. Datcenko. Nanoreinforcing of slip rings for maintenance of an arch stabilisation and erosive firmness. In: 2010 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering. IEEE, 2010, pp. 355–362. DOI: 10.1109/apede.2010.5624087.Kugler S., Kowalczyk K., Spychaj T. Hybrid carbon nanotubes/graphene_modified_acrylic_coats. // Progress in Organic Coatings. — 2015. — Vol. 85. — P. 1–7. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2015.02.019.S. Kugler, K. Kowalczyk, T. Spychaj. Hybrid carbon nanotubes/graphene_modified_acrylic_coats. Progress in Organic Coatings, 2015, vol. 85, pp. 1–7. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2015.02.019.

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