Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
График 1

Вспенивающийся огнезащитный материал

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, модифицированный графит, проект, учителю, школьные опыты

Автор(ы): научный руководитель Рубис Сергей Владимирович, Оксана Ярославовна Круглик

Опубликовал(а):  Шушарина Анастасия Леонидовна

22 апреля 2011

Введение.

Современные конструкции высотных зданий основаны на использовании несущего каркаса из стальных балок. В то же время, известно, что металлы вообще, а сталь в частности, обладают низкой огнестойкостью. Основными недостатками металлов при нагревании их до высоких температур являются: ухудшение механических свойств и эффективная передача тепла, что может вызвать вторичное возгорание. Для борьбы с этими процессами необходимо уменьшить тепловой поток, попадающий на стальные конструкции, либо интенсивно их охлаждать. Системы принудительного охлаждения очень громоздки и применяются лишь в исключительных случаях. Наиболее распространёнными являются приёмы уменьшения теплового потока, попадающего на металл. Для этого применяются архитектурные решения: экранирование металлических балок стенами из кирпича или бетона и нанесение специальных термозащитных покрытий.

В последнее время интенсивное развитие получило направление по разработке и применению материалов, образующих вспенивающиеся покрытия. Эти покрытия при воздействии огня образуют пористый пенококс, увеличивая свою толщину в десятки раз. Образующийся кокс имеет низкую теплопроводность и какое-то время защищает основной материал или конструкцию от теплового потока.

Целью представляемой работы является разработка огнезащитного материала, обладающего механической прочностью, эластичностью, хорошей адгезией к металлу при температуре 200-250oC.

Гипотеза исследования: использование при составлении огнезащитного материала в качестве наполнителя модифицированного графита, должно придать защитному покрытию эффект вспенивания под воздействием температуры.

Объект исследования: графит.

Литературный обзор.

Огонь – совокупность раскалённых газов или плазмы, выделяющихся в результате произвольного/непроизвольного нагревания горючего материала до определённой точки.

Огонь известен человеку с древних времен, он долгое время был единственным средством для приготовления пищи, отпугивания зверей, освещения и отопления, позднее – выплавки и обработки металлов и, наконец, для работы разнообразных двигателей – от парового до ракетного.

Но есть и отрицательные стороны огня. Например, молния, которая ударяет в жилище или дерево, приводит к пожару. Поэтому, снижение пожарной опасности, является важной задачей при разработке современных огнезащитных материалов.

Из литературных данных известно, что важным обстоятельством, влияющим на все стадии горения, является образование кокса при воздействии пламени на полимер. Идея защиты материала от огня путем образования на его поверхности коксовой "шапки" используется при разработке вспенивающихся материалов. Эти покрытия при воздействии огня образуют пористый пенококс, увеличивая свою толщину в десятки раз. Образующийся кокс имеет низкую теплопроводность и какое-то время защищает основной материал или конструкцию от теплового потока.

Вспенивающиеся покрытия представляют собой сложные композиции, состоящие из полимерного связующего и целого ряда добавок для обеспечения вспенивания, необходимой вязкости и быстрой карбонизации при нагреве. Все компоненты состава могут иметь активную огнезащитную функцию.

Полимерные связующие.

Большинство полимерных материалов являются горючими веществами. Поэтому для удовлетворения правилам противопожарной безопасности полимеры должны содержать замедлители горения (антипирены), которые отвечают самым высоким требованиям к огнестойкости.

В качестве замедлителей горения используют следующие химические вещества:

  • гидроксид алюминия;
  • бораты цинка;
  • производные меламина (бораты, фосфаты);
  • производные фосфора (полифосфаты аммония, арильные фосфаты);
  • эфиры фосфорной кислоты (хлорированные и не содержащие хлора);
  • пентоксиды сурьмы;
  • хлорированные алифатические углеводороды.

Одним из факторов, влияющим на все стадии горения полимеров, является образование кокса при воздействии пламени на полимер.

Первое важное следствие образования кокса - это снижение выхода горючих продуктов в газовую фазу, уменьшение потока горючих газов к пламени. Действительно, углерод, остающийся в твердой фазе, мог бы попасть в пламя и окислиться до CO2 с большим тепловым эффектом. Конечно, в большом пожаре этим все дело и кончится, и никакой пользы от образования кокса мы не получим.

Еще один из способов снижения горючести полимерных материалов - воздействие на направление деструкции полимера в сторону увеличения количества кокса. Наиболее исследованным примером сказанного могут служить полимеры на основе целлюлозы.

Можно выделить два пути деструкции целлюлозы:

В первом случае в газовой фазе оказывается углерод, окисляющийся в конце концов до СО2.

При деструкции по второму направлению углерод остается в конденсированной фазе, а в газовую выделяется негорючая вода.

Введение в целлюлозу соединений, способствующих ее дегидратации, то есть смещающих реакцию деструкции во втором направлении, это способ снижения горючести материалов на основе целлюлозы. К такого типа веществам относятся, например, фосфорсодержащие соединения, которые в процессе пиролиза превращаются в фосфорные кислоты. Последние являются активными дегидратирующими агентами.

Хорошо изучена роль образования кокса при изучении горения хлорпарафинов. Если хлорпарафин при нагревании испаряется до разложения и остальные превращения претерпевает в газовой фазе, то действие хлора невелико и сводится лишь к слабому разбавлению горючих газов небольшим количеством хлористого водорода.

Если же разложение хлорпарафина происходит в конденсированной фазе, то, при этом, существенно меняется состав газов, попадающих в пламя. Для низкомолекулярных хлорпарафинов состав газов по количеству углерода и водорода совпадает с химическим составом исходного вещества. При разложении же высокомолекулярного хлорпарафина в конденсированной фазе образуется значительное количество кокса, который не попадает в газовое пламя. Последнее обедняется углеродом и, соответственно, в нем существенно меняется соотношение между горючими газами (углеводородами) и инертным хлористым водородом. В этом случае тот же эффект теплового разбавления, но уже малого количества горючих газов большим количеством НСl, становится весьма значительным. Количественные оценки подтверждают справедливость такого объяснения изменения горючести этих соединений. Таким образом, на самом деле принципиальным оказывается изменение направления деструкции, благодаря чему изменяется соотношение горючих и негорючих веществ в газовой фазе.

Таким образом, для приготовления коксующихся покрытий можно применять краски и лаки марок ХВ (поливинилхлоридная основа), ХП (хлорированная полиэтиленовая основа), ХС (сополимеро-винилхлоридная основа) и АЦ (ацетилцеллюлозная основа) с соответствующими добавками и пластификаторами.

Вспенивающиеся при нагреве наполнители.

Данные материалы должны обладать следующими свойствами: негорючестью или трудной горючестью, возможностью значительного расширения при нагревании. Наиболее часто используемыми материалами являются модифицированный графит, вермикулит, в редких случаях используются специальные материалы на основе легкоплавких глин с газообразователями.

Наибольшую ценность представляет модифицированный графит, как вещество, имеющее самую низкую температуру вспенивания из перечисленных примеров.

Модифицированный графит с высокой степенью вспенивания (более 30) при температурах 140-200ºC применяют в качестве компонента огнетушащих составов для тушения горящих металлов, а также для получения огнезащитных композиционных материалов. Указанный модифицированный графит получают последовательной обработкой парами азотной кислоты, двухкратной промывкой ледяной уксусной кислотой и затем промывкой водой.

Особенностью этого модифицированного графита является необходимость использования крупнокристаллического природного сырья с размером частиц 0,5-1,0 мм и большого расхода реагентов. Недостатками подобного модифицированного графита являются многостадийность его получения, и невозможность получения покрытий тоньше 1 мм. Некоторым недостатком является радикально-чёрный цвет покрытий, что может негативно отразиться на внешнем виде защищённого изделия.

Вермикулит по ряду показателей превосходит модифицированный графит. Он негорюч, обладает высокой термостойкостью, при нагревании не выделяет токсичных продуктов. Главным недостатком является высокая температура начала вспенивания.

Легкоплавкие керамзитовые глины при нагревании образуют пористый керамический материал, обладающий высокой прочностью и хорошими огнезащитными свойствами. Для защиты металла они непригодны, так как начальная температура пенообразования лежит много выше допустимой температуры металлических конструкций.

Практическая часть.

Методика синтеза модифицированного графита.

В качестве исходного графита я взяла электродный графит, который обрабатывала в течение 2 часов смесью дымящей HNO3 (d=1,51 г/см3) и H2SO4 (d=1,84 г/см3) в соотношении 1:1, при непрерывном перемешивании реагентов и комнатной температуре. Далее полученный продукт однократно обрабатывала ледяной уксусной кислотой (d=1,05 г/см3) в течение 3 часов, после чего фильтровала, промывала водой и сушила при комнатной температуре. Полученный модифицированный графит представляет собой серо-чёрный порошок, стабильный при хранении.

В качестве полимерной основы я выбрала лак ХВ-784 производства ОАО “Лакокраска” г. Лида.

Методика составления состава.

Для приготовления состава я брала 30 г лака ХВ-784, разбавляла его 10-20мл растворителя Р-646 и в раствор добавляла от 10г до 70г модифицированного графита. Эту смесь перемешивала до получения однородного состава с хорошей текучестью. Для увеличения пластичности покрытия в него добавляла битумно-каучуковую мастику в количестве 2-5%.

Подготовка образцов к испытаниям.

Стальные пластинки толщиной 1мм зачищала грубой шкуркой (Р60 – Р80) и обезжиривала уайт-спиритом. Все пятна ржавчины тщательно удалялись. Защищаемую поверхность покрывала 2 слоями состава с промежуточной сушкой при комнатной температуре в течение суток до полного удаления растворителя. В результате получено огнезащитное покрытие.

Испытание покрытия.

Пластинки с покрытием помещала над спиртовкой и на поверхность металла клала спичку. Определяла время, необходимое для самовоспламенения спички при прогреве металла.

Обсуждение результатов.

Горение полимеров представляет собой очень сложный физико-химический процесс, включающий как химические реакции деструкции, сшивания и карбонизации полимера в конденсированной фазе (а также химические реакции превращения и окисления газовых продуктов), так и физические процессы интенсивных тепло- и массопередачи.

Все методы снижения горючести основаны на следующих принципах:

  1. изменение теплового баланса пламени за счет увеличения различного рода теплопотерь;
  2. снижение потока тепла от пламени на полимер за счет создания защитных слоев, например из образующегося кокса;
  3. уменьшение скорости газификации полимера;
  4. изменение соотношения горючих и негорючих продуктов разложения материала в пользу негорючих.

Для максимального соответствия выше перечисленным принципам, я использовала в качестве связующего для составления огнезащитного материала лак ХВ-784. В условиях пожара этот материал коксуется с образованием углеродного скелета, способствующего сохранению целостности покрытия при высоких температурах. Вышеупомянутый лак производят в промышленных масштабах в республике, он легко доступен и сравнительно недорог.

Введение пластификаторов улучшило адгезию лака к металлу и, кроме того, они играли важную роль в процессе вспенивания покрытия, обеспечивая связность коксующегося лака и вспенивающегося графита.

Вспенивающиеся составы изготавливала по описанной выше методике, по рецептурам, представленным в таблице 1.

Таблица 1. Рецептуры вспенивающегося состава.

Наименование компонента

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

№ 5

№ 6

№ 7

№8

Лак ХВ-784

30

30

30

30

30

30

30

30

Растворитель Р-646

10

10

10

15

15

15

20

20

Модифицированный углерод

10

15

20

30

40

50

60

70

Битумная мастика

3

3

3

4

4

4

5

5

Всего, г

53

57

63

79

89

99

115

125

Отношение массы графита к массе лака

0,33

0,5

0,77

1

1,33

1,67

2

2,33

В условиях испытания я наблюдала следующее: под воздействием огня происходило вспеванивание материала, он образовывал пористое покрытие, которое снижала поток тепла от пламени к металлу. Тем самым увеличивалось время прогревания металла до температуры необходимой для воспламенения спички. Испытания образцов покрытий я проводила трижды, чтобы избежать случайной ошибки. Затем вычисляла среднее значение времени, необходимое для воспламенения спички. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Холостой опыт

№ 1

№ 2

№ 3

№ 4

№ 5

№ 6

№ 7

№8

Время воспламенения спички, с

54

129

154

172

180

185

192

198

223

57

131

152

169

171

179

184

205

217

52

136

161

163

175

184

186

191

211

Среднее значение, с

54

132

156

168

176

182

188

198

217

Чтобы увидеть влияние огнезащитного вспенивающего материала на время прогревания металла я построила график 1. По оси ординат откладывала среднее значение времени необходимое для воспламенения спички. По оси абсцисс откладывала значение отношения массы модифицированного графита к массе связующего.

Из представленного графика видна следующая закономерность. Металлическая пластинка, не покрытая защитным покрытием, прогревается до температуры необходимой для воспламенения спички за время около минуты. Образцы, на которые было нанесено вспенивающееся огнезащитное покрытие, прогревались до температуры воспламенения спички около трех минут. Увеличение массовой доли модифицированного углерода в связующем приводит к плавному увеличению времени до воспламенения спички.

Содержание модифицированного графита более 2 массовых долей в огнезащитном материале приводит к тому, что связующее теряет каркасность, и материал начинает осыпаться. В конечном итоге, все это приводит к ухудшению огнезащитной способности покрытия.

Содержание модифицированного графита менее 0,5 массовых долей также нежелательно, так как материал хуже вспенивается, и изолирующая прокладка неэффективно работает, то есть и в этом случае падает огнезащитная способность материала.

Огнезащитным и пигментным компонентом состава является модифицированный ледяной уксусной кислотой графит. Благодаря дополнительной обработке уксусной кислотой графит имеет низкую температуру вспенивания ~200°C и высокую степень расширения при этой и более высоких температурах. В связи с этим материал проявляет свои огнезащитные свойства в самом начале возникновения пожара.

Заключение.

До сих пор пожары приносят огромный материальный ущерб, исчисляемый десятками миллиардов долларов в год, в них гибнут десятки тысяч людей. Роль современных огнезащитных материалов в деле защиты очень существенна. Поэтому поиски путей, ограничивающих горение и предохраняющих металлические несущие конструкции от перегрева, продолжаются во всем мире и на это тратятся значительные финансовые и интеллектуальные средства.

Выводы.

  1. Выполнен синтез модифицированного графита.
  2. Изготовлен вспенивающийся материал с использованием в качестве наполнителя модифицированного графита.
  3. Подтверждена гипотеза о том, что введение в полимерную основу в качестве наполнителя модифицированного графита приводит к вспениванию покрытия при действии на него огня.
  4. Показано, что оптимальное соотношение между модифицированным графитом и полимерным связующим находится в пределах 0,5-2.

Список использованных источников:

  1. Лешин В.С., Сорокина Н.Е., Авдеев В.В. Интеркалирование графита в электролите H2SO4 – CH3COOH //Неорганические материалы. 2003. Т.39 №3 С. 137-141.
  2. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе- М.1997; Изд-во Аспект Пресс.
  3. Уэллс А. Структурная неорганическая химия. Т.3. Пер. с англ. М.: Мир, 1988.

Номер в каталоге: 22

Классификатор (предмет): химия

Область знания: методы получения наноструктур

Тип работы: исследовательская работа под руководством учителя

Другие работы кластера "Каталог проектных работ" (гипертекстовый навигатор):

Переход в кластер миникурсов ЗНТШ.


В статье использованы материалы: интернет-олимпиада


Средний балл: 9.8 (голосов 5)

 


Комментарии
С заключением полностью согласен, потому что лучше профинансировать лишний раз, чем потом плакать над погибшими. Но наверное не все так считают.... Раз столько людей гибнут, от этой стихии

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Снеговик растаял и очень расстроен
Снеговик растаял и очень расстроен

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Броуновское движение скирмионов.Растягиваем графен правильно. Красное вино, кофе и чай помогают создавать материалы для гибкой носимой электроники. Металлическая природа кремния и углерода.

К 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире
Эксперты отметили рост числа научных публикаций отечественных ученых и сообщили, что к 2023 году российские химики могут занять 4-е место в мире по публикационной активности.
27 – 29 ноября в рамках юбилейных мероприятий Химического факультета МГУ и торжественной церемонии закрытия Международного года Периодической таблицы химических элементов эксперты подвели итоги 2019 г.

Итоги Менделеевского Года
28 ноября в Фундаментальной библиотеке МГУ состоялось торжественное закрытие Международного года Периодической таблицы химических элементов Д.И.Менделеева.

Константин Жижин, член-корреспондент РАН: «Бор безграничен»
Наталия Лескова
Беседа с К.Ю. Жижиным, заместителем директора Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова по научной работе, главным научным сотрудником лаборатории химии легких элементов и кластеров.

Мембраны правят миром
Коллектив авторов, Гудилин Е.А.
Ученые МГУ за счет детального изучения структурных и морфологических характеристик материалов на основе оксида графена и 2D-карбидов титана, а также моделирования их свойств, улучшили методы создания мембран для широкого круга практических применений.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.