Разработка трудногорючего жесткого напыляемого пенополиуретана и исследование его физико-химических, огнезащитных и огнетушащих свойств

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.

1. . Иванников В. П., Клюс П. П. Справочник руководителя тушения пожара. — М. : Стройиздат, 1987. — 288 с.

2. 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.

3. Сучков В. П., Мольков А. А. Технология производства трудногорючего пенополиуретана с использованием фосфогипса // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2009. — № 6(606). — C. 25–29.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. — 2-e изд., перераб. и доп. — М. : МГУ, 1970. — 488 с.

16. Марченко З. Фотометрическое определение элементов / Пер. с польского. — М. : Мир, 1971. — 501 с.

17. Тихонов М. М. Огнепреграждающая композиция на основе жесткого напыляемого пенополиуретана // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2013. — № 1(33). — С. 50–60.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.