Модификация тонкослойных огнезащитных покрытий многослойными углеродными нанотрубками: физико-технологические принципы и методика применения для объектов трубопроводного транспорта

Введение. Целью исследования было физическое обоснование принципов модификации тонкослойных вспучивающихся покрытий за счет управления их электрофизическими характеристиками и разработка методики повышения огнезащитной эффективности современных огнезащитных составов при варьировании параметров объемной фракции функционализированных многослойных углеродных нанотрубок (МWCNT).
Материалы. В качестве материалов использовались огнезащитная вспучивающаяся краска “Термобарьер” производства НПК “ОгнеХимЗащита”, модифицированная MWCNT.
Экспериментальная часть включала исследование методом синхронного термического анализа, измерение диэлектрической проницаемости, определение адгезии методом отрыва, исследование электризации при нанесении огнезащитного состава на металл.
Результаты и обсуждение. Модификация огнезащитных составов за счет внедрения MWCNT в концентрациях 0,1…1,25 % об. позволяет улучшить эксплуатационные характеристики наноматериалов за счет увеличения термической стабильности огнезащитных составов при концентрации наночастиц до 0,5 % об. При этом по­теря массы модифицированного MWCNT образца происходит в среднем на 20–30 % медленнее в сравнении с немодифицированным образцом. Наблюдается повышение прочности огнезащитных вспучивающихся композиций (ОВК) до 40 %. При электрофизи­ческом воздействии происходит упорядочивание MWCNT в материале, а также снижение напряженности элект­рического поля, возникающего при нанесении модифицированного состава, в среднем на 40–50 %.
Заключение. Модификация огнезащитного состава MWCNT ведет к увеличению адгезионной прочности и термической стойкости ОВК при условии обеспечения стабильности наноструктур в материале. Предложенная технология применения модифицированных вспучивающихся огнезащитных составов на объектах трубопроводного транспорта должна включать элементы подготовки модифицирующей добавки и ее стабилизации для улучшения качественных характеристик огнезащитных составов с MWCNT.

1. Абдрахманов Н. Х. Научно-методические основы обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов нефтегазового комплекса на основе управления системными рисками : дис. … д-ра техн. наук. — Уфа, 2014. — 266 с.

2. СП 245.1325800.2015. Защита от коррозии линейных объектов и сооружений в нефтегазовом комплексе. Правила производства и приемки работ. — М. : Минстрой России, 2016. — 51 с.

3. Цой А. А. Методика определения эффективности огнезащитных покрытий для стальных конструкций в условиях факельного углеводородного горения : дис. … канд. техн. наук. — СПб., 2017. — 134 с.

4. Елецкий А. В. Механические свойства углеродных наноструктур и материалов на их основе // Успехи физических наук. — 2007. — Т. 177, № 3. — С. 233–274.

5. Пономарев А. Н., Юдович М. Е., Груздев М. В., Юдович В. М. Неметаллическая наночастица во внешнем электромагнитном поле. Топологические факторы взаимодействия мезоструктур // Вопросы материаловедения. — 2009. — № 4(60). — С. 59–64.

6. Терехов В. И., Калинина С. В., Леманов В. В. Механизм теплопереноса в наножидкостях: современное состояние проблемы (обзор). Часть 1. Синтез и свойства наножидкостей // Теплофизика и аэромеханика. — 2010. — Т. 17, № 1. — С. 1–15.

7. Елецкий А. В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур // Успехи физических наук. — 2004. — Т. 174, № 11. — С. 1191–1231.

8. 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 // Пожаро¬взрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. — 2017. — Т. 26, № 10. — С. 5–19. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.10.5-19.

9. Завьялов Д. Е., Зыбина О. А., Чернова Н. С., Варламов А. В., Мнацаканов С. С. Огнезащитные вспучивающиеся композиции на основе интеркалированного графита // Химическая промышленность. — 2009. — Т. 86, № 8. — С. 414–417.

10. Нечаев К. В., Зыбина О. А. , Завьялов Д. Е. , Бабкин О. Э. , Мнацаканов С. С. Реакции, проходящие в огнезащитных вспучивающихся красках в присутствии углеродных нанотел // Лакокрасочные материалы и их применение. — 2012. — № 10. — С. 38–39.

11. Hanus M. J., Harris A. T. Nanotechnology innovations for the construction industry // Progress in materials science. — 2013. — Vol. 58, No. 7. — P. 1056–1102. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.04.001.

12. Lee J., Mahendra S., Alvarez P. J. J. Nanomaterials in the construction industry: a review of their applications and environmental health and safety considerations // ACS Nano. — 2010. — Vol. 4, No. 7. — P. 3580–3590. DOI: 10.1021/nn100866w.

13. Yu W., France D. M., Routbort J. L., Choi S. U. S. Review and comparison of nanofluid thermal conductivity and heat transfer enhancements // Heat Transfer Engineering. — 2008. — Vol. 29, No. 5. — P. 432–460. DOI: 10.1080/01457630701850851.

14. 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.

15. Ormsby R., McNally T., Mitchell C., Dunne N. Influence of multiwall carbon nanotube functionality and loading on mechanical properties of PMMA/MWCNT bone cements // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. — 2010. — Vol. 21, No. 8. — P. 2287–2292. DOI: 10.1007/s10856-009-3960-5.

16. Gu L., Qiu J., Yao Y., Sakai E., Yang L. Functionalized MWCNTs modified flame retardant PLA nanocomposites and cold rolling process for improving mechanical properties // Composites Science and Technology. — 2018. — Vol. 161. — P. 39–49. DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.03.033.

17. 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.

18. Chiolerio A., Castellino M., Jagdale P., Giorcelli M., Bianco S., Tagliaferro A. Electrical properties of CNT- based polymeric matrix nanocomposites // Carbon nanotubes — polymer nanocomposites / S. Yellam¬palli (ed.). — Croatia : InTech Open Access Publisher, 2011. — P. 215–230. DOI: 10.5772/18900.

19. 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.

20. Li Z., Gao B., Chen G. Z., Mokaya R., Sotiropoulos S., Li Puma G. Carbon nanotube/titanium dioxide (CNT/TiO2) core-shell nanocomposites with tailored shell thickness, CNT content and photocata¬lytic/photoelectrocatalytic properties // Applied Catalysis B: Environmental. — 2011. — Vol. 110. — P. 50–57. DOI: 10.1016/j.apcatb.2011.08.023.

21. Vahabi H., Gholami F., Karaseva V., Laoutid F., Mangin R., Sonnier R., Saeb M. R. Novel nanocomposites based on poly (ethylene-co-vinyl acetate) for coating applications: The complementary actions of hydroxyapatite, MWCNTs and ammonium polyphosphate on flame retardancy // Progress in Organic Coatings. — 2017. — Vol. 113. — P. 207–217. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2017.08.009.

22. Li Y., Gao Y., Cao Y., Li H. Electrochemical sensor for bisphenol A determination based on MWCNT/melamine complex modified GCE // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2012. — Vol. 171–172. — P. 726–733. DOI: 10.1016/j.snb.2012.05.063.

23. Guo Z., Xu X.-F., Li J., Liu Y.-W., Zhang J., Yang C. Ordered mesoporous carbon as electrode modification material for selective and sensitive electrochemical sensing of melamine // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2014. — Vol. 200. — P. 101–108. DOI: 10.1016/j.snb.2014.04.031.

24. Im J. S., Bai B. C., Bae T.-S., In S. J., Lee Y.-S. Improved anti-oxidation properties of electrospun ¬polyurethane nanofibers achieved by oxyfluorinated multi-walled carbon nanotubes and aluminum hydroxide // Materials Chemistry and Physics. — 2011. — Vol. 126, No. 3. — P. 685–692. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2010.12.061.

25. 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.

26. Альмяшев В. И., Гусаров В. В. Термические методы анализа : учеб. пособие. — СПб. : СПбГЭТУ (ЛЭТИ), 1999. — 40 с.

27. von Hippel A. R. Dielectrics and waves. — NY : John Wiley and Sons, 1954. — 284 p.

28. Иванов А. В., Скрипник И. Л., Воронин С. В. Исследование процессов электризации при обращении с модифицированными наножидкостями и лакокрасочными материалами // Проблемы управления рисками в техносфере. — 2018. — № 3(47). — С. 110–119.

29. Николайчик А. В., Прокопчук Н. Р., Шпигель Т. А., Николайчик И. В. Новые грунтовочные лакокрасочные материалы, содержащие углеродные нанотрубки // Труды БГТУ. Серия 4: Химия, технология органических веществ и биотехнология. — 2010. — Т. 1, № 4. — С. 139–142.

30. Shen J., Huang W., Wu L., Hu Y., Ye M. The reinforcement role of different amino-functionalized multi-¬walled carbon nanotubes in epoxy nanocomposites // Composites Science and Technology. — 2007. — Vol. 67, No. 15-16. — P. 3041–3050. DOI: 10.1016/j.compscitech.2007.04.025.

31. Jin Z., Pramoda K. P., Xu G., Goh S. H. Dynamic mechanical behavior of melt-processed multi-walled carbon nanotube/poly(methyl methacrylate) composites // Chemical Physics Letters. — 2001. — Vol. 337, No. 1-3. — P. 43–47. DOI: 10.1016/S0009-2614(01)00186-5.

32. 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.

33. Яковлев Г. И., Михалкина Т. М., Багимов А. М., Евсягина А. В. Модификация огнезащитного силикатного покрытия углеродными нанотрубками // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2012. — № 8(163). — С. 44–45.

34. Боева А. А., Иванов А. В., Шидловский Г. Л. Исследование компонентов модифицированных огнезащитных вспучивающихся композиций методом атомно-силовой микроскопии // Природные и техногенные риски (Физико-математические и прикладные аспекты). — 2018. — № 1(25). — С. 33–41.

35. Иванов А. В., Мифтахутдинова А. А., Ивахнюк Г. К., Башаричев А. В. Физико-технологические принципы и методика управления пожароопасными процессами при обращении с жидкими углеводородами в условиях стабилизации наноструктур // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. — 2018. — Т. 27, № 12. — С. 7–18. DOI: 10.18322/PVB.2018.27.12.7-18.

36. Bikiaris D. Can nanoparticles really enhance thermal stability of polymers? Part II: An overview on thermal decomposition of polycondensation polymers // Thermochemica Acta. — 2011. — Vol. 523, No. 1-2. — P. 25–45. DOI: 10.1016/j.tca.2011.06.012.

37. Зыбина О. А. Теоретические принципы и технология огнезащитных вспучивающихся материалов : дис. … д-ра техн. наук. — СПб., 2015. — 260 с.

38. Chrissafis K., Bikiaris D. Can nanoparticles really enhance thermal stability of polymers? Part I: An overview on thermal decomposition of addition polymers // Thermochimica Acta. — 2011. — Vol. 523, No. 1-2. — P. 1–24. DOI: 10.1016/j.tca.2011.06.010.