Многофакторная количественная оптимизация огнезащитной эффективности интумесцентных огнезащитных материалов

Введение. В качестве средств пассивной огнезащиты широко применяются интумесцентные огнезащитные материалы (ИОМ). Принцип их действия, обеспечивающий повышение огнестойкости конструкции, основан на вспенивании и образовании в условиях огневого воздействия теплоизоляционного пенококсового слоя. Активные исследования, проводимые в данной области, сформулировали общие принципы для формирования ИОМ на основе функциональных компонентов (ФК), отвечающих за огнезащитную функцию покрытий.

Цель. Предложить новый системный подход к разработке ИОМ, который позволит учесть количественное влияние всех ФК, входящих в состав ИОМ, и продемонстрировать его эффективность на примере разработки рецептуры водоосновного ИОМ.

Методология. Разработан и описан метод многофакторной количественной оптимизации для повышения огнезащитной эффективности (ОЭ) ИОМ. Оптимизация состава ведется по изменению количественного соотношения входящих в рецептуру ИОМ ФК на выбранный коэффициент варьирования. Оптимизация осуществляется по итера­ционному механизму, позволяющему обнаруживать новые максимумы ОЭ. Каждому этапу соответствует матрица плана, описывающая все возможные комбинации факторов, число которых определяется числом ФК. Для оценки ОЭ и степени завершенности оптимизации проводили огневые испытания в условиях стандартного температурного режима пожара. Метод апробирован на базовой рецептуре ИОМ на основе поливинилацетатной дисперсии и четырех ФК: полифосфата аммония, меламина, пентаэритрита и диоксида титана.

Результаты и их обсуждение. За два этапа многофакторной количественной оптимизации исследуемая рецептура исследуемого ИОМ достигла своего оптимума по показателю ОЭ. Удалось повысить ОЭ ИОМ с 31 до 45 мин, отмечены качественные улучшения внешнего вида пенококса.

Выводы. Многофакторный метод оптимизации позволил найти оптимальное соотношение ФК и увеличить ОЭ на 45 % в результате хорошо алгоритмизированных экспериментальных действий. Данный метод оптимизации можно рекомендовать для внедрения в процесс разработки новых ИОМ.

1. Zybina O., Gravit M. Intumescent coatings for fire protection of building structures and materials. Berlin/Heidelberg, Germany : International Publishing, 2020. 210 p. DOI: 10.1007/978-3-030-59422-0

2. Ненахов С.А., Пименова В.П. Физико-химия вспенивающихся огнезащитных покрытий на основе полифосфата аммония : обзор литературы // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2010. № 8. С. 11–58.

3. Puri R.G., Khanna A.S. Intumescent coatings : a review on recent progress // Journal of Coatings Technology and Research. 2017. Vol. 14. Pp. 1–20. DOI: 10.1007/s11998-016-9815-3

4. Ненахов С.А., Пименова В.П., Натейкина Л.И. Влияние наполнителей на структуру пенококса на основе полифосфата аммония // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2009. № 7. С. 51–58.

5. Yew M.C., Ramli Sulong N.H., Yew M.K., Amalina M.A., Johan M.R. Influences of flame-retardant fillers on fire protection and mechanical properties of intumescent coatings // Progress in organic coatings. 2015. Vol. 78. Pp. 59–66. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2014.10.006

6. Li H., Hu Z., Zhang S., Gu X., Wang H., Jiang P. et al. Effects of titanium dioxide on the flammability and char formation of water-based coatings containing intumescent flame retardants // Progress in Organic Coatings. 2015. Vol. 78. Pp. 318–324. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2014.08.003

7. Mariappan T., Agarwal A., Ray S. Influence of titanium dioxide on the thermal insulation of waterborne intumescent fire protective paints to structural steel // Progress in Organic Coatings. 2017. Vol. 111. Pp. 67–74. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2017.04.036

8. Галигузов А.А., Яшин Н.В., Авдеев В.В. Термостойкость огнезащитных материалов на основе ПВХ-­пласти­катов различного состава // Пластические массы. 2023. № 11–12. С. 21–25. DOI: 10.35164/0554-2901-2023-11-12-21-25

9. Галигузов А.А., Сердан (младший) А.А., Яшин Н.В., Авдеев В.В. Влияние состава ПВХ-пластиката на эксплуатационные свойства и огнезащитную эффективность полимерных материалов на его основе // Пожаровзрыво­безопасность/Fire and Explosion Safety. 2023. № 5. С. 26–39. DOI: 10.22227/0869-7493.2023.32.05.26-39

10. Ng Y.H., Dasari A., Tan K.H., Qian L. Intumescent fire-retardant acrylic coatings: Effects of additive loading ratio and scale of testing // Progress in Organic Coatings. 2021. Vol. 150. P. 105985. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2020.105985

11. Zeng Y., Weinell C.E., Dam-Johansen K., Ring L., Kiil S. Effects of coating ingredients on the thermal properties and morphological structures of hydrocarbon intumescent coating chars // Progress in Organic Coatings. 2020. Vol. 143. P. 105626. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2020.105626

12. Liu S., Wang C., Hu Q., Huo S., Zhang Q., Liu Z. Intumescent fire retardant coating with recycled powder from industrial effluent optimized using response surface methodology // Progress in Organic Coatings. 2020. Vol. 140. P. 105494. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2019.105494

13. Pimenta J.T., Gonçalves C., Hiliou L., Coelho J.F., Magalhaes F.D. Effect of binder on performance of intumescent coatings // Journal of coatings technology and research. 2016. Vol. 13. Pp. 227–238. DOI: 10.1007/s11998-015-9737-5

14. Chuang C.S., Wu C.Y., Wu K.C., Sheen H.J. Flame retardancy of water-based intumescent coatings with etherified melamine–formaldehyde and polyvinyl acetate copolymer hybrid resin // Journal of Applied Polymer Science. 2020. Vol. 137. Issue 31. P. 49279. DOI: 10.1002/app.49279

15. Cardoso A.P., de Sá S.C., Beraldo C.H., Hidalgo G.E., Ferreira C.A. Intumescent coatings using epoxy, alkyd, acrylic, silicone, and silicone–epoxy hybrid resins for steel fire protection // Journal of Coatings Technology and Research. 2020. Vol. 17. Pp. 1471–1488. DOI: 10.1007/s11998-020-00366-9

16. Архангельский И.В., Годунов И.А., Яшин Н.В., Нагановский Ю.К. Шорникова О.Н. Кинетика вспенивания терморасширяющихся огнезащитных составов // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. № 5. С. 71–81. DOI: 10.22227/PVB.2020.29.05.71-81

17. Dzulkafli H.H., Ahmad F., Ullah S., Hussain P., Mamat O., Megat-Yusoff P.S. Effects of talc on fire retarding, thermal degradation and water resistance of intumescent coating // Applied Clay Science. 2017. Vol. 146. Pp. 350–361. DOI: 10.1016/j.clay.2017.06.013

18. Zybina O., Gravit M., Stein Y. Influence of carbon additives on operational properties of the intumescent coatings for the fire protection of building constructions // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2017. Vol. 90. No. 1. P. 012227. DOI: 10.1088/1755-1315/90/1/012227

19. Morys M., Illerhaus B., Sturm H., Schartel B. Variation of intumescent coatings revealing different modes of action for good protection performance // Fire technology. 2017. Vol. 53. Pр. 1569–1587. DOI: 10.1007/s10694-017-0649-z

20. Yasir M., Amir N., Ahmad F., Ullah S., Jimenez M. Effect of basalt fibers dispersion on steel fire protection perfor­mance of epoxy-based intumescent coatings // Progress in Organic Coatings. 2018. Vol. 122. Pр. 229–238. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2018.05.029

21. Трифонова О.Н. Оптимизация огнезащиты металлических конструкций // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2013. № 1. С. 58–62.

22. Архангельский И.В., Нагановский Ю.К., Годунов И.А., Яшин Н.В. Термоаналитический межлабораторный эксперимент по идентификации материалов и средств огнезащиты // Пожарная безопасность. 2020. № 3. С. 15–23. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2020.63.99.001

23. Сильников М.В., Зыбина О.А., Полякова В.И., Гавахунова Р.А. Исследование влияния пентаэритрита на термолитический синтез огнезащитных коксовых покрытий // Вопросы оборонной техники. Серия 16: Технические средства противодействия терроризму. 2017. № 1–2. С. 41–45.

24. Устинов А.А., Зыбина О.А., Бабкин О.Э. Исследование влияния диоксида титана различных марок на характер термолиза интумесцентных огнезащитных покрытий // Лакокрасочные материалы и их применение. 2018. № 5. С. 40–43.