Способы и средства обеспечения требуемых показателей пожаробезопасности конструкций из полимерных композитов (обзор)

Введение. Рассмотрены публикации, отражающие особенности создания конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) с точки зрения обеспечения требуемого уровня их пожаробезопасности. Отмечено, что работам по обеспечению требуемого уровня огнестойкости конструкций из ПКМ уделяется недостаточно внимания, что препятствует их применению в различных сферах, и в особенности в строительстве.

Аналитическая часть. Проведен анализ публикаций по исследованиям показателей огнезащитной эффективности вспучивающихся огнезащитных покрытий (ОЗП) как одного из видов полимеров и средств огнезащиты конструкций из ПКМ. Отмечается необходимость решения непростой задачи по обеспечению требуемой адгезии между ОЗП и ПКМ, а также по обеспечению стойкости конструкций и долговечности покрытий в процессе эксплуатации. Представлены результаты, свидетельствующие о возможности существенного улучшения показателей пожарной опасности ПКМ при относительно малой толщине покрытия.

Анализ публикаций показал важную роль и возможности теплотехнических расчетов для моделирования температурных полей в конструкциях и определения необходимых толщин вспучивающихся ОЗП и других средств огнезащиты. Эта роль обусловлена, в частности, тем, что для конструкций из ПКМ такие испытания практически не проводятся. Показано, что существует методика, которая уже в настоящее время успешно используется для расчетов прогрева конструкций из композитов и может рассматриваться в качестве основы для дальнейшего совершенствования. Как видно из представленных результатов, несущие композитные конструкции необходимо конструировать оптимальной формы, что в сочетании с огнезащитными покрытиями позволит обеспечить их заданную огнестойкость.

Выводы. Таким образом, представлены результаты, демонстрирующие возможные пути обеспечения требуемой пожаробезопасности как ПКМ, так и создаваемых из них конструкций и изделий. Отмечены задачи по данной важной и перспективной тематике, которые требуют решения.

1. Асеева Р. М., Заиков Г. Е. Горение полимерных материалов. — М. : Наука, 1981. — 280 с.

2. Khalturinskii N.A., Popova Т. V., Berlin A. A. The combustion of polymers and the mechanism of action of fire-proofing agents // Russian Chemical Reviews. — 1984. — Vol. 53, Issue 2. — P. 197-209. DOI:10.1070/rcl984v053n02abeh003041.

3. Берлин Ал. Ал. Горение полимеров и полимерные материалы пониженной горючести // Соросовский образовательный журнал. — 1996. — Т. 2, № 9. — С. 57-63.

4. Antonov А. V., Reshetnikov I. S., Khalturinskij N. A. Combustion of char-forming polymeric systems//Russian Chemical Reviews. - - 1999. - - Vol. 68, Issue 7. - - P. 605-614. DOI:10.1070/rcl999v068n07abeh000408.

5. KhalturinskiiN. A.,Rudakova T. A. Physical aspects of polymer combustion and the inhibition mechanism // Russian Journal of Physical Chemistry B. — 2008. — Vol. 2, Issue 3. — P. 480-490. DOI:10.1134/sl990793108030238.

6. Барботъко С. Л.,Вольный О. С,Кириенко О. А.,ЛуценкоА. Н.,Шуркова Е. Н. Сопоставление методов оценки пожарной опасности полимерных материалов в различных отраслях транспорта и промышленности // Комментарии к стандартам ТУ, сертификатам. Приложение к журналу "Все материалы. Энциклопедический справочник". — 2015. — № 1. — С. 2-9.

7. Барботъко С. Л.,Вольный О. С,Кириенко О. А.,ЛуценкоА. Н.,Шуркова Е. Н. Сопоставление методов оценки пожарной опасности полимерных материалов в различных отраслях транспорта и промышленности (продолжение) // Комментарии к стандартам ТУ, сертификатам. Приложение к журналу "Все материалы. Энциклопедический справочник". — 2015. — № 2. — С. 2-9.

8. Константинова Н. И., Смирнов Ft. В., Шебеко А. Ю. К вопросу об оценке эффективности огнезащиты полимерных материалов // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2018. — Т. 27, № 7-8. — С. 32-42. DOI:10.18322/PVB.2018.27.07-08.32-42.

9. Барботъко С. Л.,Вольный О. С, Кириенко О. А.,Шуркова Е. Ft. Особенности испытаний авиационных материалов на пожароопасность. Часть 1. Испытания на горючесть. Влияние толщины образца на регистрируемые характеристики // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2015. — Т. 24, № 1. — С. 40-48.

10. Шуркова Е. Ft., Вольный О. С., ЛуценкоА. Н., Барботъко С. Л. Сравнительная оценка пожаробезопасное™ ПКМ для изготовления конструктивных элементов летательных аппаратов // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2014. — Т. 23, № 2. — С. 20-27.

11. Барботъко С. Л., Кириенко О. А., Вольный О. С., Луценко А. Н. Анализ пожарной опасности мотогондол авиационных двигателей и других пожароопасных зон; используемые методы огневых испытаний материалов и конструктивных элементов на соответствие требованиям авиационных норм // Проблемы безопасности полетов. — 2017. — № 5. — С. 3-24.

12. Барботъко С. Л., Вольный О. С, Вешкин Е. А., Гончаров В. А. Оценка огнестойкости материалов и конструктивных элементов для авиационной техники // Авиационная промышленность. — 2018. — № 2 . — С. 63-67.

13. Барботъко С. Л., Вольный О. С., Кириенко О. А., Шуркова Е. Н. Оценка пожаробезопасности полимерных материалов авиационного назначения: анализ состояния, методы испытаний, перспективы развития, методические особенности / Под общ. ред. Е. Н. Каблова. — М.: ВИАМ, 2019. — 424 с.

14. Середохо В. А. Применение композиционных материалов в судостроении. URL: http://compositeforum.ru/netcat_files/userfiles/P12-16_Gorev_SNSZ.pdf (дата обращения: 08.02.2019).

15. Анисимов А. В. Перспективы применения полимерных композиционных материалов в судостроении. URL: http://www.hccomposite.com/upload/iblock/md/md012f6 (дата обращения: 18.01.2019).

16. Кутейников М. А., Кордонец С. М., Федонюк Н. Н. Разработка новых правил по конструкции и прочности морских судов из полимерных композиционных материалов // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. — 2017. — № 46/47. — С. 64-71.

17. Гаращенко A. Ft., Страхов В. Л., Разин А. Ф., Канина Э. П., Рудзинский В. 77. Отработка теплоогнезащиты несущей конструкции гребного вала из композиционных материалов // Вопросы оборонной техники. Сер. 15: Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. - 1992. — Вып. 1(101). — С. 12-15.

18. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Рудзинский В. 77. Расчет нестационарного прогрева многослойных огнезащитных конструкций // Вопросы оборонной техники. Сер. 15: Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. — 1994. — Вып. 1(109)-2(110). — С. 30-36.

19. Назаренко В. А., Гаращенко А. Н. Результаты исследований и перспективы использования вспучивающегося покрытия СГК-2 для защиты от пожаров конструкций и оборудования различного назначения //Пожаровзрывобезопасность /Fire and Explosion Safety.—2005.—Т. 14,№ 6.—С. 21-25.

20. Zverev V. С, Nazarenko V. A., TsimbalyukA. F. Heat and fire protection of multilayer structures based on the use of foaming coatings //Heat Transfer Research. — 2005. —Vol. 36, Issue 7. — P . 543-556. DOI: 10.1615/heattransres.v36.i7.20.

21. Теплоухов А. В. Исследование поведения многослойных конструкций в условиях воздействия внешних тепловых потоков // Труды МИТ. — 2008. — Т. 9, Ч. 1. — С. 231-238.

22. Zverev V. С, Nazarenko V. A., Tsimbalyuk A. F. Thermal protection of multilayer containers against the effect of fires // High Temperature. — 2008. — Vol. 46, Issue 2. — P. 254-260. DOI: 10.1134/sl0740-008-2015-9.

23. Гаращенко А. Н, Васин В. П., Натрусов В. И. Повышение пожаробезопасности тары для боеприпасов, изготавливаемой из полимерных композиционных материалов, с помощью огнезащиты // Вопросы оборонной техники. Сер. 15: Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. — 2012. — Вып. 1(164)-2(165). — С. 44-50.

24. Плотников В. И.,Кульков А. А., Слитков М. Н., Плотников Р. В., Гаращенко А. П. Отработка конструкции и исследование теплового состояния укупорки из полимерных композиционных материалов в условиях пожара // Фундаментальные основы баллистического проектирования : сб. тр. 5-й Всероссийской научно-технической конференции. — СПб.: Изд-во БГТУ "Военмех", 2016. - С . 193-196.

25. Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2010. — 262 с.

26. Королъченко А. Я., Гаращенко А. Н, Гаращенко П. А., Рудзинский В. 77. Расчеты толщин огнезащиты, обеспечивающих требуемые показатели пожарной опасности деревоклееных конструкций // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2008. — Т. 17, № 3. — С. 49-56.

27. Алъменбаев М. М.,Арцыбашева О. В., Асеева Р. М.,Макишев Ж. К,Москалев В. А., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Исследование скорости обугливания деревянных конструкций длительного срока эксплуатации // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2014. — № 9(158). — С. 246-254.

28. Алъменбаев М. М. Эффективность различных способов повышения огнезащиты древесины с лакокрасочными материалами // Технологии техносферной безопасности. — 2015. — № 2(60). — С. 56-60. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_24182040_94341714.pdf (дата обращения: 18.01.2019).

29. Анохин Е. А., Полищук Е. Ю., Сивенков А. Б. Применение огнезащитных пропиточных композиций для снижения пожарной опасности деревянных конструкций с различными сроками эксплуатации // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2017. — Т. 26, № 2. — С. 22-35. DOI:10.18322/PVB.2017.26.02.22-35.

30. Анохин Е. А., Полищук Е. Ю., Сивенков А. Б. Применение огнезащитных пропиточных композиций для повышения класса пожарной опасности деревянных конструкций длительного срока эксплуатации // Ройтмановские чтения : материалы 5-й Международной научно-практической конференции. — М., 2017. — С. 10-14.

31. Шутов Ф.А., Ярборо Д. Теплоизоляционные и экологические характеристики огнестойкого полимерного пенокомпозита PENOCOM® // Технологии техносферной безопасности. — 2014. — № 4(56). — 4 с. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_23105869_67731454.pdf (дата обращения 18.01.2019).

32. Шутов Ф. А., Круглое Е. Ю., Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Влияние теплоизоляции из полимерного пенокомпозита "PENOCOM" на огнестойкость ограждающих деревянных каркасных конструкций // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2016. — Т. 25, № 1. — С. 28-37. DOI:10.18322/PVB.2016.25.01.28-37.

33. Кириллов В. П., Ефимов В. А., Барботько С. Л., Николаев Е. В. Методические особенности проведения и обработки результатов климатических испытаний полимерных композиционных материалов//Пластические массы. — 2013. — № 1. —С. 37-41. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_18903155_28681924.pdf (дата обращения: 10.01.2019).

34. Барботько С. Л., Барботько М. С., Вольный О. С., ШведковаА. К. Исследование длительных совместных воздействий факторов температуры и влажности на пожаробезопасность стеклопластиков //Пожаровзрывобезопасность /Fire and Explosion Safety.—2014.—Т. 23,№ 7.—С. 16-26.

35. Лаптев А. Б., Барботько С. Л., Николаев Е. В. Основные направления исследований сохраняемости свойств материалов под воздействием климатических и эксплуатационных факторов // Авиационные материалы и технологии. — 2017. — № S. — С. 547-561.

36. Барботько С. Л., Николаев Е. В., Абрамов Д. В., Вольный О. С. Влияние старения полимерных композиционных материалов на величины регистрируемых характеристик пожарной опасности // Пластические массы. — 2017. — № 1-2. — С. 51-57. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_28949543_56951119.pdf (дата обращения: 10.01.2019).

37. Вахитова Л. 77., Лапушкин М. 77., Калафат К. В. Срок службы огнезащитных покрытий вспучивающегося типа // F+S: технологии безопасности и противопожарной защиты. — 2011. — №2(50). — С. 58-61.

38. Гаиковая О. 77, Коваленко В. В., Несенюк А. О., Савченко О. В. Некоторые аспекты сохранения огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий для металлических конструкций // Науковий в1сник: цившьний захист та пожежна безпека. — 2011. — № 1(23). — С. 47-55.

39. Вахитова Л. H., Калафат К. В. Огнезащита стальных конструкций. — Киев : НПВ 'Тнтерсервк", 2013. — 1 5 2 с.

40. Теплоухов А. В., Зверев В. Г., Гаращенко А. Н. Методика и результаты оценки влияния длительной эксплуатации конструкций на основные свойства вспучивающихся огнезащитных покрытий // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety.—2016.—Т. 25, № 1 . — С . 9-16. DOI:10.18322/PVB.2016.25.01.9-16.

41. Крутое А. М., Страхов В. Л., Кульков А. А., Гаращенко А.Н., Далинкевич А. А. Обеспечение гарантийных сроков эксплуатации огнезащиты несущих металлоконструкций методом ускоренных климатических испытаний // Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики (МНТК-2016) : 10-я Международная научно-техническая конференция. — М. : Изд-во Росэнергоатом, 2016. — С. 429-434.

42. Гаращенко А. Н., Суханов А. В., Гаращенко Н. А., Смирнов Н. В., Константинова Н. И.Меркулов А. А. Снижение пожарной опасности полимерных композиционных материалов при использовании вспучивающихся огнезащитных покрытий // Пожарная безопасность. — 2012. — № 4. — С. 61-67.

43. Anderson С. E.,DziukJ.,Ma^0W W. A., Buckmaster J. Intumescent reaction mechanisms//Journal of Fire Sciences. — 1985. —Vol. 3, Issue 3. — P. 161-194. DOI:10.1177/073490418500300303.

44. Buckmaster J., Anderson C, Nachman A. A model for intumescent paints // International Jornnal of Engineering Science.—1986. —Vol. 24, Issue 3. — P. 263-276. DOI:10.1016/0020-7225(86)90084-4.

45. Reshetnikov I. S., Antonov A. V., Khalturinskii N. A. Mathematical description of combustion of intumescent polymer systems // Combustion, Explosion, and Shock Waves. — 1997. — Vol. 33, Issue 6. - P . 669-684. DOI:10.1007/bf02671799.

46. Страхов В. Л., Гаращенко А. Н., Рудзинский В. 77. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 1997. — Т. 6, № 3. — С. 21-30.

47. IsakovG. N.,KuzinA. Ya. Modeling ofheat and mass transfer in multilayer heat-and fire-insulating coatings under interaction with a high-temperature gas flow // Combustion, Explosion, and Shock Waves. - 1998. —Vol. 34, Issue 2. — P. 191-197. DOI:10.1007/bf02672820.

48. Zverev V. C, Goledin V. D., Nesmelov V. V., Tsimbalyuk A. F. Modeling heat and mass transfer in intumescent fire-retardant coatings // Combustion, Explosion, and Shock Waves. — 1998. — Vol. 34, Issue 2. — P. 198-205. DOI:10.1007/bf02672821.

49. Гаращенко A.H., Страхов В. Л., Рудзинский В. 77., Рыжков А. А. Апробирование методики расчетов вспучивающейся огнезащиты строительных конструкций на примере покрытия Хенсотерм 4КС // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. —1999. — Т. 8,№ 5. — С. 29-37.

50. Strakhov V. L., Garashchenko A.N., Kuznetsov С V., Rudzinskii V. P. High-temperature heat and mass transfer in a layer of moisture-containing fireproof material // High Temperature. — 2000. — Vol. 38, Issue 6. — P. 921-925. DOI:10.1023/a:1004149625276.

51. Страхов В. Л., Гаращенко А. 77., Кузнецов Г. В., Рудзинский В. 77 Тепломассообмен в тепло- и огнезащите с учетом процессов термического разложения, испарения - конденсации, уноса массы и вспучивания -усадки //Математическое моделирование. — 2000.—Т. 12,№ 5.—С. 107-113.

52. Страхов В. Л., Гаращенко А. 77, Рудзинский В. 77 Программные комплексы для расчетов температурных полей в строительных конструкциях с огнезащитой с учетом термического разложения, вспучивания - усадки и испарения - конденсации // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2001. — Т. 10, № 4. — С. 9-11.

53. Strakhov V. Г., Garashchenko A. TV., Kuznetsov С V., Rudzinskii V. P. Mathematical simulation of thermophysical and thermochemical processes during combustion of intumescent fire-protective coatings // Combustion, Explosion, and Shock Waves. — 2001. —Vol. 37, Issue 2. — P. 178-186. DOI:10.1023/a:1017557726294.

54. Bartholmai M., Schriever R., Schartel B. Influence of external heat flux and coating thickness on the thermal insulation properties of two different intumescent coatings using cone calorimeter and numerical analysis//Fire and Materials.— 2003.— Vol. 27, Issue 4. — P. 151-162. DOI:10.1002/fam.823.

55. Еремина Т. Ю. Моделирование и оценка огнезащитной эффективности вспучивающихся огнезащитных составов // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2003. — Т. 12, №5. — С . 22-29.

56. Страхов В. Л., Гаращенко А. К, Рудзинский В. 77, Алейник В. А. Математическое моделирование работы водосодержащих вспучивающихся покрытий // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2003. — Т. 12, № 1. — С. 39-46.

57. Б е с с о н о в 7 7 . М , Еремина Т . Ю.,Дмитриева Ю. 77, Крашенинникова М. В. Расчетный метод определения пределов огнестойкости металлоконструкций, покрытых огнезащитным вспучивающимся составом // Пожарная безопасность. — 2007. — № 1. — С. 89-96.

58. Griffin G. J. The modeling of heat transfer across intumescent polymer coatings // Journal of Fire Sciences. — 2010. — Vol. 28, Issue 3. — P. 249-277. DOI:10.1177/904109346396.

59. ЗверевB. 77, Теплоухов А. В.,ЦимбалюкА. Ф. Исследование свойств и огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2014. — Т. 57, № 8 - 2 . — С. 148-153.

60. Ненахов С. А., Пименова В. 77 Физико-химия вспенивающихся огнезащитных покрытий на основе полифосфата аммония (обзор литературы) // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2010. — Т. 19, № 8. — С. 11-58.

61. Барботько С. Л., Вольный О. С., Кириенко О. А., Шуркова Е. 77. Построение математической модели и расчет температур образцов при испытаниях на огнестойкость // Труды ВИАМ. — 2017. - №7(55). — С. 110-122. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_29678401_94671304.pdf (дата обращения: 10.01.2019).

62. Новак С, Харченко 7, Круковский 77 Разрахунково-експериментальний метод розв'язування задач оптимального теплового проектування вогнестшких конструкщй // Пожежна безпека. — 1997. — № 4 . — С. 24-26.

63. Круковский 77 77 Обратные задачи тепломассообмена (общий инженерный подход). — Киев : Институт технической теплофизики НАН Украины, 1998. — 218 с.

64. Новак С. В., Якименко Е. Ф. Анализ современных методов определения характеристики огнезащитной способности покрытия и облицовок // Пожежна безпека: Teopia i практика. — 2011. — № 8 . — С. 56-61.

65. Григоръян 77. Б., ПолищукВ. Д., Крукоский 77 77, Новак С. В. Оценка огнезащитной способности вспучивающегося огнезащитного покрытия "Феникс СТО" // Пожежна безпека: Teopia i практика. — 2014. — № 17. — С. 34-38.

66. КовалъовА. I., З о б е н к о 7 7 7 7 . Методикапопередньо!ощнкиздатносП покритив длясталевихконструкщй в умовах температурного режиму вуглеводнево! пожеж! // Науковий вюник: цившьний захист та пожежна безпека. — 2016. — № 1(1). — С. 59-64.

67. Гаращенко А. 77, Кульков А. А., Васин 77. 77, Рудакова Т. А. Влияние состава и особенностей поведения вспучивающихся огнезащитных покрытий на их эффективность // Вопросы оборонной техники. Сер. 15: Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. —2010. — Вып. 4(159).— С. 33-38.

68. Рудакова Т. А., Евтушенко Ю. М., Григорьев Ю. А., Батраков А. А. Пути снижения температуры ценообразования в системе полифосфат аммония - пентаэритрит в интумесцентных системах // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2015. — Т. 24, № 3. — С. 24-31.

69. Гаращенко А. 77, Суханов А. В., Гаращенко 77 А., Рудзинский 77.77, Мараховский С. С. Огнезащита конструкций из полимерных композитов и оценка ее эффективности // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2009. — Т. 18, № 5. — С. 15-24.

70. Гаращенко А. 77, Гаращенко НА., Рудзинский 77. 77, Суханов А. 77., Мараховский С. С., Теминовский 77. 77. Пожаробезопасность строительных конструкций из полимерных композиционных материалов // Конструкции из композиционных материалов. — 2010. — № 2. — С. 45-59.

71. Рудзинский 77. 77, Гаращенко А. 77, Гаращенко 77 А. Теплотехнические расчеты двухмерных температурных полей в конструкциях из полимерных композитов со вспучивающимся огнезащитным покрытием // Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. — 2013. — Т. 22, № 8. — С. 42-47.

72. Гаращенко А. 77, Рудзинский 77. 77, Каледин 77. О. Обеспечение требуемых показателей пожаробезопасное™ конструкций из полимерных композиционных материалов с помощью огнезащиты // Известия ЮФУ. Технические науки. — 2013. — № 8(145). — С. 143-149.

73. Rudzinsky V. Р., Garashchenko А. N. Numerical analysis of heat transfer in fire-protective coatings deformable upon heating // EPJ Web of Conferences "Thermophysical Basis of Energy Technologies 2015". — 2016. —Vol. 110. —Art. No. 01067. DOI:10.1051/epjconf/201611001067.

74. Гаращенко A.H., Берлин А. А., Кульков A. A., Даштиев 77. 7. Особенности создания конструкций из полимерных композитов при наличии требований по показателям их пожаробезопасности // Вопросы оборонной техники. Сер. 15: Композиционные неметаллические материалы в машиностроении. — 2018. — Вып. 2(189). — С. 62-69.

75. Garashchenko A. N, Rudzinsky V. P, Garashchenko N. A. Solving heat conduction problems in movable boundary domains under intensive physical-chemical transformation conditions // EPJ Web of Conferences "Thermophysical Basis of Energy Technologies 2015". — 2016. — Vol. 110, Art. No. 01020. DOI:10.1051/epjconf/201611001020.