Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")

Обговорено шляхи реалізації завдань прикладної тематики НАН України зі створення інноваційних технологій вогнезахисту сталевих конструкцій. Продемонстровано механізми втілення результатів фундаментальних досліджень у розроблення засобів пасивного вогнезахисту з подальшим впровадженням у промислове в...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Вісник НАН України
Дата:	2024
Автор:	Вахітова, Л.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2024
Теми:	Події
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202015
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз") / Л.М. Вахітова // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 8. — С. 58-68. — Бібліогр.: 28 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860133373426532352
author	Вахітова, Л.М.
author_facet	Вахітова, Л.М.
citation_txt	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз") / Л.М. Вахітова // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 8. — С. 58-68. — Бібліогр.: 28 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Вісник НАН України
description	Обговорено шляхи реалізації завдань прикладної тематики НАН України зі створення інноваційних технологій вогнезахисту сталевих конструкцій. Продемонстровано механізми втілення результатів фундаментальних досліджень у розроблення засобів пасивного вогнезахисту з подальшим впровадженням у промислове виробництво та застосуванням у будівельній галузі. Розглянуто фактори, що впливають на вогнезахисну ефективність реактивних покриттів: природа полімерної складової, співвідношення основних компонентів інтумесцентної системи, вміст і структура наноглин тощо. Запропоновано алгоритм прямих випробувань вогнезахисної ефективності в процесі розроблення рецептури інтумесцентного покриття. Отримані результати підтверджено повномасштабними вогневими випробуваннями. проведеними за європейськими та адаптованими національними стандартами. The ways of realization of the tasks of the applied topics of the National Academy of Sciences of Ukraine on the creation of innovative technologies for fire protection of steel structures are discussed. The mechanisms for implementing the results of fundamental research in the development of passive fire protection means with subsequent implementation in industrial production and application in the construction industry are demonstrated. The factors affecting the fire protection efficiency of reactive coatings are considered: the nature of the polymer component, the ratio of the main components of the intumescent system, the content and structure of nano clay, etc. An algorithm for direct tests of fire protection efficiency in the process of developing an intumescent coating formulation is proposed. The obtained results are confirmed by full-scale fire tests conducted according to European and adapted national standards.
first_indexed	2025-12-07T17:46:02Z
format	Article
fulltext	58 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (8) ПРИКЛАДНА ХІМІЧНА НАУКА ДЛЯ СТВОРЕННЯ ТЕХНОЛОГІЙ ВОГНЕЗАХИСТУ СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ За матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В.І. Вернадського «Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз» Обговорено шляхи реалізації завдань прикладної тематики НАН України зі створення інноваційних технологій вогнезахисту сталевих конструк- цій. Продемонстровано механізми втілення результатів фундаменталь- них досліджень у розроблення засобів пасивного вогнезахисту з подальшим впровадженням у промислове виробництво та застосуванням у будівельній галузі. Розглянуто фактори, що впливають на вогнезахисну ефективність реактивних покриттів: природа полімерної складової, співвідношення основних компонентів інтумесцентної системи, вміст і структура на- ноглин тощо. Запропоновано алгоритм прямих випробувань вогнезахисної ефективності в процесі розроблення рецептури інтумесцентного покрит- тя. Отримані результати підтверджено повномасштабними вогневими випробуваннями. проведеними за європейськими та адаптованими націо- нальними стандартами. ХХХIV читання академіка В.І. Вернадського відбулися у вкрай складний для нашої країни час — «час війни і суспільних криз», як зазначено в назві конференції. Звичайно, ми віримо в май- бутнє України, як вірив засновник і перший президент Україн- ської академії наук Володимир Іванович Вернадський. Однак крім віри від кожного з нас потрібні конкретні дії, які б набли- жали перемогу й були корисними в масштабній відбудові на- шої країни. І сьогодні настав той критичний час, коли життєво необхідно усвідомити важливість продиктованих попередніми етапами розвитку ноосфери концепцій, які раніше, можливо, й не здавалися такими вже значущими, — сталий розвиток, цир- кулярна економіка, зелена хімія тощо. Безумовно, втілення цих концепцій неможливе без розвитку прикладної науки, орієнто- ваної на застосування наукових знань для забезпечення науко- во-технічного прогресу та поліпшення якості життя людей. Ще на початку ХХ ст. В.І. Вернадський визначив основні принципи проведення наукових досліджень [1, 2], один з яких ВАХІТОВА Любов Миколаївна — кандидат хімічних наук, провідний науковий співробітник відділу досліджень нуклеофільних реакцій Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН У країни doi: https://doi.org/10.15407/visn2024.08.058ПОДІЇПОДІЇ ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 8 59 ПОДІЇ полягає в запереченні тези «наука задля на- уки». Перший президент Академії був переко- наний, що дослідники мають спеціалізуватися не за науковими напрямами, а за проблемами, які виникають у процесі розвитку людства та еволюції, і прагнути «пов’язувати науку з ін- шими галузями знань, із суспільним життям» [1, с. 14]. Сучасній науці потрібні стратегії, які визна- чаються актуальністю досліджень, інновацій- ні розробки, які з дослідницького середовища переходять у комерційне русло, проєкти, які можуть у короткій перспективі поліпшити якість життя, підвищити безпеку, боротися із захворюваннями, епідеміями тощо. Саме ці за- вдання задають вектор на визначення реаль- них пріоритетів та спрямування досліджень у сферу практичного втілення. Тому розвиток прикладної науки як ефективної ланки між надбанням фундаментальної науки та вироб- ником кінцевого продукту є запорукою пере- моги в будь-якому економічному чи історич- ному змаганні. Ця публікація є невеликим екскурсом та стислим підбиттям підсумків виконання при- кладної тематики під назвою «пасивний вог- незахист», яке протягом останніх десятиліть тривало в Інституті фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка (ІнФОВ) НАН України і фінансувалося Національною академією наук України. Історія національної вогнезахисної галузі в частині виробництва і застосування засобів па- сивного вогнезахисту розпочалася в Донецьку в 1990-х роках, коли в ІнФОВ НАН України було розроблено перше сертифіковане вогне- захисне покриття для сталевих конструкцій — Ендотерм ХТ-150 [3, 4]. Саме ця розробка зго- дом привела до створення науково-виробни- чого підприємства «Спецматеріали», яке мало статус підрозділу НАН України і впродовж тривалого часу було провідним підприємством з виробництва вогнезахисних засобів. Завдяки науковій, творчій та госпдоговірній співпраці підприємства та Інституту було розроблено й реалізовано на практиці цілу низку проєктів: технології отримання вогнезахисних реактив- них покриттів нового покоління, термостійких клеїв та герметиків для боєголовок крилатих ракет, оригінальних полімерних антипіренів та ін. [4—7]. Ці продукти використовують пе- редусім для вогнезахисту об’єктів стратегіч- ного значення, зокрема споруд ВПК, складів боєприпасів, машинних залів АЕС тощо [8, 9]. У 2015 р. донецькі фахівці створили вже в Ки- єві нове підприємство з виробництва засобів пасивного вогнезахисту «Ковлар Груп», що дозволило за останні 10 років у співпраці з Ін- ФОВ НАН України отримати вагомі наукові результати та практичні здобутки, про які йти- меться нижче. Серед підсумків успішної реалізації при- кладної наукової тематики з умовною назвою «пасивний вогнезахист» слід відзначити про- дуктивність зсуву прикладної науки в бік тіс- нішої взаємодії з фундаментальною наукою з подальшим впровадженням отриманих ре- зультатів у виробництво засобів вогнезахисту. Застосування цих продуктів у будівельній га- лузі має реальний соціальний ефект, оскільки дотримання нормативів пожежної безпеки збе- рігає людські життя та матеріальні цінності. Найбільшим досягненням 30-річної колабо- рації вогнезахисної науки з виробниками засо- бів пасивного вогнезахисту є той факт, що на сьогодні національна галузь пасивного вогне- захисту перебуває на світовому рівні: в Укра- їні виробляють майже всі групи матеріалів пасивного захисту, які є на глобальному вогне- захисному ринку. При цьому цільові характе- ристики продукції не поступаються, а в деяких випадках навіть перевищують показники про- відних світових аналогів. Пасивний вогнезахист: основні поняття та застосування. Пасивний вогнезахист — це за- хист будівельних конструкцій, спрямований на зменшення впливу або запобігання поши- ренню вогню, з використанням спеціальних матеріалів — засобів вогнезахисту (рис. 1). Пасивний вогнезахист підвищує стійкість будівельних конструкцій до впливу різних факторів пожежі: полум’я, температури, про- дуктів згоряння тощо. Засоби вогнезахисту поділяють на такі групи: 60 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (8) ПОДІЇ • теплоізоляційні покриття (штукатурки, плити, облицювання, мати), які забезпечують вогнестійкість будівельних конструкцій завдя- ки підвищенню теплоізоляційних характерис- тик (рис. 2а); • реактивні (інтумесцентні) вогнезахисні покриття, які в умовах високих температур внаслідок хімічних реакцій істотно збільшу- ються за товщиною та змінюють геометричну форму (спучуються), забезпечуючи вогнеза- хист завдяки ендотермічному та теплоізоля- ційному ефектам (рис. 2б); • системи перешкоджання (протипожежні двері, муфти, гільзи та інші вироби). У разі сталевих несівних конструкцій тер- мін «вогнезахист» набуває більш конкретного значення, яке полягає в застосуванні вогнеза- хисних матеріалів та конструктивів з метою підвищення вогнестійкості металу. Межа вог- нестійкості (R) сталевої конструкції означає проміжок часу від початку вогневого випробу- вання зразка до втрати ним несівної здатності. Слід зазначити, що вогнезахист будівельних конструкцій — це вид господарської діяль- ності, що підлягає обов’язковій сертифікації. Відповідно, будь-яку нову рецептуру засобу пасивного вогнезахисту можна вважати за- вершеною науковою розробкою лише за умо- ви проведення в ліцензованих лабораторіях вогневих випробувань з визначенням згідно з національним законодавством параметрів R. Загалом вогневі випробування є вкрай склад- ною в експериментальному плані та фінан- сово затратною процедурою. Наприклад, для випробувань одного вогнезахисного складу за нормами ДСТУ [10] потрібно використати близько 2 т металевих конструкцій, з яких ви- готовляють зразки колон завдовжки 2 м з на- несеними на них приблизно 300 кг вогнезахис- ного покриття. Тому без партнерської співпра- ці та спонсорської допомоги від потенційного виробника чи споживача будь-яку створену науковцями розробку засобів пасивного вог- незахисту можна просто покласти на полицю. На рис. 3 показано, як виглядають вогневі випробування розробленої у 2021 р. інтумес- центної фарби FS-120, що забезпечує межу вогнестійкості сталевих конструкцій (R) понад 120 хв. За своєю вогнезахисною ефективністю фарба FS-120 порівняно зі світовими анало- гами є цілком конкурентоспроможною. Спо- живачам її пропонують разом із супровідними документами і протоколами випробувань, про- ведених у сертифікованому випробувальному центрі «Тест». Об’єкти та завдання прикладного дослі- дження. Головним об’єктом наших досліджень є реактивні (інтумесцентні) вогнезахисні сис- теми (IFR), що мають у своєму складі три ком- поненти [11—13]: 1) донор кислоти — зазвичай це сіль нелеткої неорганічної кислоти, наприклад борної, суль- фатної або фосфатної, яка за температур, що перевищують 150 °C, виділяє кислоту; 2) карбонізувальний агент — вуглецева спо- лука з великою кількістю гідроксильних груп, Рис. 1. Структура сис- теми пасивного вогне- захисту будівельних конструкцій ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 8 61 ПОДІЇ яка зневоднюється під час реакцій етерифіка- ції та карбонізації; 3) газоутворювач — компонент, який під впливом тепла виділяє велику кількість него- рючих газів, що утворюють піну з карбонізова- ного матеріалу на підкладці. Сучасні інтумесцентні фарби, які виробля- ють промислово, є водними або органорозчин- ними високонаповненими композиціями (до 80 % н.р.) з досить сталою рецептурою скла- ду IFR — поліфосфат амонію (АРР)/меламін (МА)/пентаеритрит (РЕ). ІЧ-спектри водних або органорозчинних покриттів від відомих світових брендів наведено у монографії [10]. Загалом мету наших прикладних досліджень за тематикою пасивного вогнезахисту можна сформулювати так: створення нових вітчиз- няних технологій реактивного вогнезахисту з характеристиками продукту, що забезпечують його конкурентоспроможність на світовому ринку. Така узагальнена мета зумовлена двома основними факторами. По-перше, вимоги до Рис. 2. Вогнезахист сталевих конструкцій з використанням: а — штукатурки; б —реактивного покриття Рис. 3. Вогневі ви- пробування інтумес- центного покриття FS-120 за ДСТУ Б В.1.1-14:2007: а — зовнішній вигляд зразків до випро- бувань; б — зовніш- ній вигляд зразків після випробувань протягом 120 хв. Випробування було проведено у випро- бувальному центрі «Тест» 62 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (8) ПОДІЇ межі вогнестійкості інтумесцентного покрит- тя сталевих конструкцій постійно зростають. Так, на початку 2000-х років «нормальною» вогнезахисною ефективністю покриття вва- жали R = 45—60 хв, а на сьогодні, внаслідок стрімкого розвитку інноваційних вогнезахис- них технологій, цей показник підвищився до R = 90—180 хв. По-друге, відсутність на ринку України вітчизняного продукту з підвищеною во гнезахисною ефективністю означає немину- че зростання обсягів імпортованої продукції, яка в середньому вдвічі дорожча. Саме тому дуже важливо досить швидко пе- реорієнтувати фундаментальні наукові дослі- дження в практичну площину, оскільки лише так можна задовольнити запит протипожежної безпеки на наявність сучасних засобів вогнеза- хисту, а будівельної галузі — на зниження вар- тості металевого будівництва в Україні. Річ у тім, що витрати на вогнезахист стале- вих конструкцій в Україні можуть сягати 40— 45 % вартості самих конструкцій. Водночас у країнах ЄС за останні 30 років частку проти- пожежного захисту у вартості сталевого карка- са в комерційних багатоповерхових будинках вдалося зменшити до 10—15 % [10]. Це стало можливим завдяки спільній планомірній ро- боті інженерів, фахівців з пожежної безпеки та науковців, які розробляють інноваційні ефек- тивні вогнезахисні технології, попит на які зростає у світі пропорційно розвитку сталево- го будівництва. Є кілька основних напрямів удосконалення вогнезахисних покриттів для зменшення фі- нансового навантаження вогнезахисної оброб- ки на вартість сталевого будівництва: • відбір ефективних хімічних компонентів для зменшення ціни засобів вогнезахисту; • оптимізація складу покриттів за співвід- ношенням компонентів для підвищення вогне- захисної ефективності; • пошук нових комерційно доступних до- мішок та каталітичних систем для зменшення товщини покриття і збільшення термінів екс- плуатації; • застосування сучасних систем регулюван- ня реології фарби. Аналіз запропонованих підходів свідчить, що всі вони так чи інакше пов’язані з хіміч- ною наукою, оскільки передбачають вивчення механізмів хімічних перетворень, створення ефективних каталітичних систем та реакцій- них середовищ, які гарантують побудову міц- ного і стійкого в часі теплоізоляційного коксо- вого шару з інтумесцентного покриття. Фундаментальні дослідження хімічних пе- ретворень у системі донор кислоти/ карбо- нізувальний агент/газоутворювач в умовах високих температур. Вогнезахисна функція покриття інтумесцентного типу реалізується внаслідок створення на поверхні конструкції теплозахисного коксового шару (рис. 4). Рівень вогнезахисту визначається характеристиками утвореного шару (теплопровідність, в’язкість Рис. 4. Вогневі ви- пробування у міні- печі в умовах «стан- дартної пожежі»: а — зовнішній вигляд покриття до випро- бування; б — вигляд спученого шару після 120 хв випробувань ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 8 63 ПОДІЇ у розплавленому стані, міцність, адгезія до під- кладки тощо), які прямо залежать від компо- нентного складу, механізмів та швидкості висо- котемпературних перетворень складових IFR. За 50 років фізико-хімічних досліджень IFR накопичено значний експериментальний ма- теріал, який дозволяє побудувати теоретичні основи інтумесцентного вогнезахисту. В цьому контексті слід відзначити основоположні пра- ці з вивчення механізмів хімічних взаємодій між компонентами IFR за високих температур [11—13], узагальнення фізичних аспектів побу- дови коксового каркаса [14], розгляду ефектів антипіренів, наноречовин та інших компонен- тів для підвищення вогнезахисної ефективнос- ті IFR [15—17], а також найбільш інформативні огляди за цією тематикою [18—20]. Основна відмінність наших досліджень по- лягає в тому, що IFR-композиція (донор кис- лоти/карбонізувальний агент/газоутворювач) розглядається як реакційне середовище, що містить у своєму складі електрофільний агент з п’ятикоординаційним атомом фосфору (АРР) та О- і N-нуклеофіли (РЕ і МА відповідно). Це приклад класичної нуклеофільної системи, в якій було доведено [11—13] перебіг алкоголізу (1) з утворенням О=Р–О–С зв’язку, що фор- мує просторові структури коксового шару — основу теплоізоляційного каркаса: (1) За результатами систематичних досліджень методами ІЧ- та ЯМР-спектроскопії хімічно- го складу коксу IFR-системи АРР/МА/РЕ, що утворюється в інтервалі температур 100— 400 °С, було вперше встановлено [21—23], що паралельно з алкоголізом (1) відбувається ре- акція нуклеофільного заміщення (2) між фос- форною кислотою (або її похідними) та аміном: (2) При цьому міцність і термостійкість кок- сового шару зростає з підвищенням ступеня утворення в системі фосфамідного зв’язку –P- N= за маршрутом (2). Гіпотезу про подвійну функцію амінів в ін- тумесцентній поліфосфатній системі газоутво- рювача (термодеструкція до негорючих газів) та нуклеофільного агента (аміноліз електро- фільних субстратів) з побудовою коксового шару підтверджують результати вивчення механізму хімічних реакцій та параметрів спу- ченого шару системи АРР/амін/РЕ [23]. Вста- новлено також, що лінійні діаміни не утворю- ють з фосфатами термостабільні просторово розгалужені фосфамідні сполуки. Водночас в ІЧ-спектрах коксових залишків систем з мела- міном, диціандіамідом та гуанідином спосте- рігаються смуги поглинання зв’язків P–N–C (1070—1050 см–1) та P–N (980—950 см–1) до температури утвореного коксу 700 °С. Отримані результати узгоджуються з ре- зультатами вогневих випробувань, проведених за ДСТУ Б В.1.1-14:2007, що дозволяє вста- новити залежність між структурою, кількістю аміну та значенням межі вогнестійкості мета- локонструкції, яку забезпечує вогнезахисне покриття (рис. 5). Відбір співвідношень ме- ламіну, диціандіаміду та карбаміду в реактив- ному покритті для забезпечення відповідних меж вогнестійкості (R) дає змогу на 10—15 % знизити ціну вогнезахисту сталевих конструк- цій при зведенні будівель та споруд IIIб та IV ступеня вогнестійкості [22]. Ці дослідження привели нас до ідеї, що за допомогою незначного варіювання якісного та кількісного складу вихідної інтумесцентної фарби можна регулювати вогнезахисну ефек- тивність реактивного покриття від мінімальних (R = 15—30) до максимальних (R 90) значень. Крім інтумесцентної системи АРР/МА/РЕ реактивні вогнезахисні покриття обов’язково містять полімерну складову. Для покриттів бюджетного сегменту, які найчастіше застосо- вують в Україні, це співполімери вінілацетату (EVA), стиролакрилату (SA) чи їх галогено- вані похідні. Присутність у полімері нена- сиченого атома С (карбонільна група С=О) 64 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (8) ПОДІЇ відкриває ще один шлях для побудови коксо- вого шару — алкоголіз та аміноліз полімерної складової з боку пентаеритриту та аміну. ІЧ- спектроскопічні дослідження продуктів термо- розкладання покриттів IFR-EVA (водна фарба з вінілацетатним полімером ЕVA) та IFR-SA (органорозчинна фарба зі стиролакрилатним полімером) за т емператур 350—700 °С дає змо- гу встановити основні хімічні перетворення, що відбуваються в зразках ІС1 при зростанні температури [24]. За температури 350—420 °С зміни в IFR- системах проявляються в появі смуг 1245 см–1 (О=Р–О–С) та 1020 см–1 (О=Р–N–С), які від- повідають валентним коливанням групи Р=О. Ці смуги свідчать про етерифікацію PE полі- фосфорною кислотою, а також про аміноліз МА чи його похідними фрагментів фосфорної кислоти. Більш істот ні перетворення відбува- ються за температури 550 °С. З одного боку, зменшуються смуги поглинання в області 3380—3100 см–1, що належать ОН-групам РЕ та NH2-групам МА, а також смуга 1275 см–1, що відповідає коливанням Р=О поліфосфату амонію. З іншого боку, наявність у спектрах смуг 1210, 980 і 750 см–1 (P–N) свідчить про утворення в системі фосфамідних зв’язків. Деталізація за допомогою методів ІЧ- та ЯМР-спектроскопії механізму термічного розкладання співполімерів EVA і SA у складі IFR засвідчує утворення оцтової та акрилової кислот (1730—1650 см–1, –С=О). Поява но- вих смуг поглинання в ділянці спектра 1650— 1550 см–1 є результатом утворення амідних зв’язків –C(O)NH2 між кислотами та аміаком і меламіном (1580—1490 см–1, –C(O)NH). Аналіз ІЧ-спектрів продуктів термолізу IFR- EVA за температур 250 і 400 °С дозволяє вио- кремити основні напрями позитивної дії монт- морилоніту, який додають у систему в кількості 1 % мас.: каталіз процесів деструкції АРР і, як наслідок, конденсація АРР з РЕ за маршрутом, що забезпечує збереження полімерної струк- тури АРР з утворенням більш термостійких структур коксового шару; інгібування терміч- ної деструкції співполімеру EVA завдяки утво- ренню нанокомпозиту полімер—наноглина, що зменшує присутність в інтумесцентному шарі горючих продуктів розпаду EVA [25]. Дослідження механізмів хімічних перетво- рень значного масиву вінілацетатних та акри- латних співполімерів [24, 26] дозволили по- ділити полімери на три групи за механізмами термодеструкції, а отже, і за перебігом процесу спучення та фізичними характеристиками вуг- лецевих шарів: 1) вінілацетатні співполімери (вінілаце- тат-етилен, вінілацетат-етилен-вінілверсатат, полівінілацетат). Зі зростанням вуглецевого каркаса (коефіцієнт спучення К, см3/г) осно- вні хімічні процеси відбуваються в інтервалі температур 350—650 °С. Покриття характери- зуються на цьому температурному інтервалі тривалою стабілізаційною ділянкою сталості коефіцієнта спучення К; 2) галогеновані вінілацетатні співполімери (вінілацетат—вінілхлорид, вінілацетат—хло- рид). Ці покриття характеризуються більш раннім (< 300 °С) та стрімким спученням зі скороченою ділянкою стабілізації К в інтерва- лі 350—550 °С; 3) стирол-акрилатні полімери також де- монструють у покриттях стрімке спучення (за 250 °С) та скорочення стабілізаційної ділянки коефіцієнта К за температур від 300 до 550 °С. Фундаментальні дослідження механізмів високотемпературних перетворень IFR складу АРР/МА/РЕ/полімер засвідчили, що полі- Рис. 5. Приблизні співвідношенн я амінів (%) в інту- месцентному покритті для забезпечення відповідних меж вогнестійкості (R, хв) сталевих конструкцій за ДСТУ Б В.1.1-14:2007 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 8 65 ПОДІЇ мерна складова є фактором регулювання вог- незахисної ефективності реактивного покрит- тя. Вперше за результатами повномасштабних вогневих випробувань було продемонстрова- но, що для забезпечення межі вогнестійкості R = 30—45 хв доцільно застосовувати інтумес- центні покриття на основі стиролакрилатних або вінілтолуолакрилатних полімерів. Вініло- ві та вінілацетатні полімери є оптимальними складовими інтумесцентних покриттів для за- безпечення межі вогнестійкості сталевих кон- струкцій R = 60 хв і вище [24]. Вивчення впливу наноглин на весь жит- тєвий цикл покриттів інтумесцентного типу було і є предметом наших фундаменталь- них досліджень та прикладних застосувань, основні результати яких наведено в роботах [25—28]. Серед позитивних ефектів від до- давання наноглин у водні та органорозчинні IFR-системи насамперед слід відзначити такі: каталіз процесів коксоутворення; інгібування термодеструкції полімеру; структурна органі- зація та зміцнення коксового шару; підвищен- ня в’язкості розплаву покриття; поліпшення реології фарби; зниження димоутворення під час пожежі та ін. Одним із напрямів оптимізації вогнезахис- них інтумесцентних композицій складу АРР/ МА/полімер є пошук оптимального співвідно- шення основних сировинних матеріалів (АРР, МА та РЕ) покриття як інструменту керування вогнезахисними властивостями й економічни- ми параметрами вогнезахисту [28]. Проведені лабораторні та вогневі випробування понад 50 IFR-композицій із варіюванням компонентно- го складу дозволяють констатувати, що спів- відношення АРР, МА та РЕ, а також їх вміст в IFR є регуляторами межі вогнестійкості ста- левої конструкції. При цьому інтумесцентні системи складу АРР:МА:РЕ в межах співвід- ношень 2:1:1 є ефективними для забезпечення значення R = 30 сталевої конструкції за тов- щини вогнезахисного покриття 0,4—0,5 мм. А використання інтумесцентних систем складу АРР:МА:РЕ в приблизних співвідношеннях 3,5:1:1,5 і за товщини вогнезахисного покриття 1,6—1,7 мм з великою ймовірністю може забез- печити межу вогнестійкості R >60. Експериментальні дослідження процесів побудови та руйнування теплоізоляційного коксового шару шляхом поетапного вивчен- ня фізичного стану коксу проводили в умо- вах термошафи, пальника Бунзена та мініпечі [26—28], а отримані прогнози щодо вогнеза- хисної ефективності реактивного покриття в багатьох випадках перевіряли повномасштаб- ними випробуваннями (на обладнанні ТОВ «Спецматеріали» і ТОВ «Донстройтест»). Численні натурні експерименти підтвердили, що саме такий підхід до моделювання поведін- Рис. 6. Темпера- турні режими фор- мування коксового шару інтумесцент- них вогнезахисних систем 66 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (8) ПОДІЇ ки того чи іншого покриття в умовах зростання температур з аналізом утвореного вуглецевого шару на зразку з певними розміром і масою є прямим методом прогнозування вогнезахисної ефективності IFR. Процес спучення покриття з утворенням теплоізоляційного коксу (рис. 6) складається з послідовних стадій, температур- ний режим яких було визначено та узагальне- но в публікаціях [24, 25, 28]. У цій доповіді обговорено лише окремі екс- периментальні підходи до вдосконалення ре- цептур покриттів інтумесцентного типу, які можна віднести до так званого бюджетного вогнезахисту. Отримані результати, а також використання технологічних ідей з підвищен- ня вогнезахисної ефективності IFR дозволили розробити рецептуру та впровадити у вироб- ництво інтумесцентне покриття FS-120 для сталевих конструкцій, яке забезпечує межу вогнестійкості R = 150 і вище. Деякі характеристики вогнезахисної ефек- тивності покриття, які підтверджено повно- масштабними вогневими випробуваннями, проведеними за стандартом ЕNV 13381-4:2002, наведено в таблиці. Порівняння параметрів покриття FS-120, розробленого нами на осно- ві описаних вище рецептурних узагальнень, з аналогічними показниками світового бренду інтумесцентного вогнезахисту Nullifire SC801 у діапазоні межі вогнестійкості R = 60—150 свідчить, що покриття FS-120 не поступаєть- ся, а за R = 150 навіть перевершує вогнезахист Nullifire. Цей результат є найбільш вагомим нашим досягненням і підкреслює коректність застосованих експериментальних підходів та послідовних висновків, отриманих при вико- нанні дослідження. Отже, ми коротко розглянули лише один напрям розвитку засобів пасивного вогне- захисту — створення покриттів реактивного типу. Сьогодні, зважаючи на виклики воєнно- го часу, науково-технічний потенціал фахівців Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л.М. Литвиненка НАН України спрямова- но на вирішення завдань та задоволення потреб протипожежної безпеки в оборонній галузі. На- самперед це створення тимчасових вогнезахис- них екранів, рулонних матеріалів та інших виро- бів з подальшим їх впровадженням для мінімі- зації шкоди та збитків від пожеж, що виникають унаслідок ракетних та артилерійських обстрілів. Поєднання отриманих фундаментальною на- укою теоретичних знань з виконанням приклад- них проєктів та подальшим впровадженням на- укових розробок у практичну діяльність є голов- ною умовою ефективного вирішення нагальних проблем, які в умовах широкомасштабної війни постали зараз перед Україною. Дані з протоколів випробувань розробленого інтумесцентного покриття FS-120 та покриття Nullifire SC801-120 Межа вогнестійкості R, хв Приведена товщина δ, мм Коефіцієнт перерізу, Аm/V, м–1 Мінімальна товщина покриття, за якої температура нижча за 500 °С, мм FS-120 Nullifire SC801-120 60 5,00 200 1,95 1,78 90 5,00 200 3,53 3,66 120 5,00 200 5,20 5,20 150 6,25 160 6,28 не витримує ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2024, № 8 67 ПОДІЇ REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Vernadsky V.I. Osnovy kristalografii. Part 1, Vol. 1. Moscow, 1904 [in Russian]. [Вернадский В.И. Основы кристаллографии. Часть 1, вып. 1. Москва: Изд-во Московского ун-та, 1904.] 2. Bevz T. Scientific worldview is methodological ba sis of Volodymyr Vernadsky’s work. Svitoglyad. 2013. (1): 20—30. [Бевз Т. Науковий світогляд — методологічна основа творчості Володимира Вернадського. Світогляд. 2013. № 1. С. 20—30.] 3. Patent of USS R N 1799886. Somova E.V., Rozov A.S., Reutov O.S., Alshanov Yu.I., Kosti kov S.V., Drizhd L.P. Com- position for heat-protective coatings. 08.15.1990. [Патент СССР № 1799886. Сомова Е.В., Розов А.С., Реутов О.С., Альшанов Ю.И., Костиков С.В., Дрижд Л.П. Состав для теплозащитных покрытий. 15.08.1990.] 4. Patent of USSR N 1529687. Drizhd L.P., Kaida L.N., Prudchenko A.P., Batizat V.P. S-triazine-containing epoxy com- poun ds as thermopolymerizing monomers for polymers and S-triazine-containing tetraphenols as intermediates for the synthesis of S-triazine-containing epoxy resins. 16.03.1988. [Патент СССР № 1529687. Дрижд Л.П., Кайда Л.Н., Прудченко А.П., Батизат В.П. S-триазинсодержащие эпок- сидные соединения в качестве термополимеризующихся мономеров для полимеров и S-триазинсодержащие тетрафенолы в качестве промежуточных соединений для синтеза S-триазинсодержащих эпоксидных смол. 16.03.1988.] 5. Patent of Ukraine N 23926. Vakhitova L.M., Skrypka G.V., Zhiltsov M.P. Water-soluble fire protection mixture. 31.08.98. [Патент України № 23926. Вахітова Л.М., Скрипка Г.В., Жильцов М.П. Водорозчинна вогнезахисна суміш. 31.08.98.] 6. Patent of Ukraine for utility model N 41447. Vakhitova L.M., Lapushkin M.P. Fireproof paint for wood. 25.05.2009. [Патент України на корисну модель № 41447. Вахітова Л.М., Лапушкін М.П. Вогнезахисна фарба для дереви- ни. 25.05.2009.] 7. Patent of Ukraine for utility model N 73096. Vakhitova L.M., Lapushkin M.P., Drizhd V.L. Fireproof paint for wood.10.09.2012. [Патент України на корисну модель № 73096. Вахітова Л.М., Лапушкін М.П, Дріжд В.Л. Вогнезахисна фарба для деревини. 10.09.2012.] 8. Vakhitova L.N., Chepovsky V.O. Some aspects of fire protection of steel structures of NPP machine rooms. Tekhnolo- gii bezopasnosti i protivopozharnoy zashchity. 2010. (1): 62—66. [Вахитова Л.Н., Чеповский В.О. Некоторые аспекты огнезащиты металлоконструкций машзалов АЭС. Технологии безопасности и противопожарной защиты. 2010. № 1. С. 62—66.] 9. Vakhitova L.M., Feshchenko P.O., Lapushkin M.P., Kalafat K.V. Protection of metal building structures against cor- rosion and fire. Budivnytstvo Ukrayiny. 2007. (2): 8—12. [Вахітова Л.М., Фещенко П.О., Лапушкін М.П., Калафат К.В. Захист металевих будівельних конструкцій від впливу корозії й вогню. Будівництво України. 2007. № 2. С. 8—12.] 10. Kalafat K., Vakhitova L. Vohnezakhysni rishennia dlia stalevoho budivnytstva [Fire protection solutions for steel con- struction]. Kyiv: UCSB, 2023 (in Ukrainian). [Калафат К., Вахітова Л. Вогнезахисні рішення для сталевого будівництва. Київ: УЦСБ, 2023.] 11. Camino G., Costa L., Martinasso G. Intumescent Fire-retardant Systems. Polym. Degrad. Stab. 1989. 23: 359. https://doi.org/10.1016/0141-3910(89)90058-X 12. Bourbigot S., Sarazin J., Samyn F., Jimenez M. Intumescent ethylene-vinyl acetate copolymer: Reaction to fire and mechanistic aspects. Polym. Degrad. Stab. 2019. 161: 235. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2019.01.029 13. Camino G., Costa L., Trossarelli L. Study of mechanism of intumescence in fire retardant polymers. Part I: Thermal degradation of ammonium polyphosphate-pentaerythritol mixtures. Polym. Degrad. Stab. 1984. 6: 243. https://doi.org/10.1016/0141-3910(84)90004-1 14. Lucherini A., Maluk C. Intumescent coatings used for the fire-safe design of steel structures: A review. J. Constr. Steel Res. 2019. 162: 105712. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.105712 15. Sun S., Yu Q., Yu B., Zhou F. New progress in the application of flame-retardant modified epoxy resins and fire- retardant coatings. Coatings. 2023. 13: 1663. https://doi.org/10.3390/coatings13101663 16. Rabajczyk A., Zielecka M., Gniazdowska J. Application of Nanotechnology in Extinguishing Agents. Materials. 2022. 15: 8876. https://doi.org/10.3390/ma15248876 17. Yasir M., Ahmad F., Yusoff P.S.M.M., Ullah S., Jimenez M. Latest trends for structural steel protection by using intumes- cent fire protective coatings: a review. Surf. Eng. 2019. 36(4): 334. https://doi.org/10.1080/02670844.2019.1636536 68 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2024. (8) ПОДІЇ 18. Lucherini A., de Silva D. Modelling intumescent coatings for the fire protection of structural systems: a review. Jour- nal of Structural Fire Engineering. 2024. 2: 10. https://doi.org/10.1108/JSFE-10-2023-0038 19. Mariappan T. Recent developments of intumescent fire protection coatings for structural steel: a review. J. Fire Sci. 2016. 34(2): 1. https://doi.org/10.1177/0734904115626720 20. Vakhitova L.N. Fire retardant nanocoating for wood protection. In: Nanotechnology in Eco-efficient Construction. Elsevier Ltd., 2019. P. 361—391. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102641-0.00016-5 21. Vakhitova L.N., Taran N.A., Lapushkin M.P., Dryzhd V.L., Popov A.F. Solid-phase aminolysis in the ammonium poly- phosphate — pentaerythritol — amine system. Theoretical and Experimental Chemistry. 2012. 48: 163. https://doi.org/10.1007/s11237-012-9258-6 22. Vakhitova L.M., Kalafat K.V., Taran N.A., Drizhd V.L. Chemical solutions to fire protection problems. Sci. Innov. 2015. 11(6): 47. https://doi.org/10.15407/scine11.06.039 [Вахітова Л.М., Калафат К.В., Таран Н.А., Дріжд В.Л. Хімічні рішення проблем вогнезахисту. Наука та інно- вації. 2015. Т. 11, № 6. C. 47—56.] 23. Vakhitova L.M., Kalafat K.V., Taran N.A., Bessarabov V.I. Comparison of amines as gas generators of flame retardant compositions of the intumescent type. Technologies and Engineering. 2021. (4): 69—80. https://doi.org/10.30857/2786-5371.2021.4.7 [Вахітова Л.М., Калафат К.В., Таран Н.А., Бессарабов В.І. Порівняння амінів як газоутворювачів вогнезахис- них композицій інтумесцентного типу. Технології та інжиніринг. 2021. № 4. С. 69—80.] 24. Kalafat K., Taran N., Plavan V., Bessarabov V., Zagoriy G., Vakhitova L. Comparison of fire resistance of polymers in intumescent coatings for steel structures. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. 4(10): 45—54. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.209841 25. Vakhitova L., Drizhd V., Taran N., Kalafat K., Bessarabov V. The effect of organoclays on the fire-proof efficiency of intumescent coatings. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2016. 6(10): 10—16. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.84391 26. Vakhitova L., Kalafat K., Vakhitov R., Drizhd V., Taran N., Bessarabov V. Nano-clays as rheology modifiers in intu- mescent coatings for steel building structures. Chemical Engineering Journal Advances. 2023. 16: 100544. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2023.100544 27. Vakhitova L., Drizhd V. The Influence of Polymer on Service Life of Intumescent Coating. IOSR Journal of Applied Chemistry. 2022. 15(7): 36—52. https://doi.org/10.9790/5736-1507013652 28. Kalafat K.V., Taran N.A., Plavan V.P., Redko A.M., Efimova I.V., Vakhitova L.M. The effect of ammonium polyphosp- hate:melamine:pentaerythritol ratio on the efficiency of fire protection of reactive coatings. Voprosy Khimii i Khimi- cheskoi Tekhnologii. 2020. 6: 59—68. https://doi.org/10.32434/0321-4095-2020-133-6-59-68 Lubov M. Vakhitova L.M. Litvinenko Institute of Physical-Organic Chemistry and Coal Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1923-7895 APPLIED CHEMICAL SCIEN CE FOR THE DEVELOPMENT OF FIRE PROTECTION TECHNOLOGIES FOR STEEL STRUCTURES According to the materials of the report at the XXXIV Vernadsky Readings “The Life-Saving Role of Science in Times of War and Social Crises” The ways of realization of the tasks of the applied topics of the National Academy of Sciences of Ukraine on the creation of innovative technologies for fire protection of steel structures are discussed. The mechanisms for implementing the results of fundamental research in the development of passive fire protection means with subsequent implementation in industrial production and application in the construction industry are demonstrated. The factors affecting the fire pro- tection efficiency of reactive coatings are considered: the nature of the polymer component, the ratio of the main compo- nents of the intumescent system, the content and structure of nano clay, etc. An algorithm for direct tests of fire protec- tion efficiency in the process of developing an intumescent coating formulation is proposed. The obtained results are confirmed by full-scale fire tests conducted according to European and adapted national standards. Cite this article: Vakhitova L.M. Applied chemical science for the development of fire protection technologies for steel structures. Visn. Nac. Akad. Nauk Ukr. 2024. (8): 58—68. https://doi.org/10.15407/visn2024.08.058
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-202015
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1027-3239
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T17:46:02Z
publishDate	2024
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Вахітова, Л.М. 2025-02-21T17:01:08Z 2024 Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз") / Л.М. Вахітова // Вісник Національної академії наук України. — 2024. — № 8. — С. 58-68. — Бібліогр.: 28 назв. — укр. 1027-3239 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202015 DOI: doi.org/10.15407/visn2024.08.058 Обговорено шляхи реалізації завдань прикладної тематики НАН України зі створення інноваційних технологій вогнезахисту сталевих конструкцій. Продемонстровано механізми втілення результатів фундаментальних досліджень у розроблення засобів пасивного вогнезахисту з подальшим впровадженням у промислове виробництво та застосуванням у будівельній галузі. Розглянуто фактори, що впливають на вогнезахисну ефективність реактивних покриттів: природа полімерної складової, співвідношення основних компонентів інтумесцентної системи, вміст і структура наноглин тощо. Запропоновано алгоритм прямих випробувань вогнезахисної ефективності в процесі розроблення рецептури інтумесцентного покриття. Отримані результати підтверджено повномасштабними вогневими випробуваннями. проведеними за європейськими та адаптованими національними стандартами. The ways of realization of the tasks of the applied topics of the National Academy of Sciences of Ukraine on the creation of innovative technologies for fire protection of steel structures are discussed. The mechanisms for implementing the results of fundamental research in the development of passive fire protection means with subsequent implementation in industrial production and application in the construction industry are demonstrated. The factors affecting the fire protection efficiency of reactive coatings are considered: the nature of the polymer component, the ratio of the main components of the intumescent system, the content and structure of nano clay, etc. An algorithm for direct tests of fire protection efficiency in the process of developing an intumescent coating formulation is proposed. The obtained results are confirmed by full-scale fire tests conducted according to European and adapted national standards. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Події Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз") Applied chemical science for the development of fire protection technologies for steel structures (According to the materials of the report at the XXXIV Vernadsky Readings "The Life-Saving Role of Science in Times of War and Social Crises") Article published earlier
spellingShingle	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз") Вахітова, Л.М. Події
title	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")
title_alt	Applied chemical science for the development of fire protection technologies for steel structures (According to the materials of the report at the XXXIV Vernadsky Readings "The Life-Saving Role of Science in Times of War and Social Crises")
title_full	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")
title_fullStr	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")
title_full_unstemmed	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")
title_short	Прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на ХХХIV читаннях академіка В. І. Вернадського "Рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")
title_sort	прикладна хімічна наука для створення технологій вогнезахисту сталевих конструкцій (за матеріалами доповіді на хххiv читаннях академіка в. і. вернадського "рятівна роль науки в часи війн і суспільних криз")
topic	Події
topic_facet	Події
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/202015
work_keys_str_mv	AT vahítovalm prikladnahímíčnanaukadlâstvorennâtehnologíivognezahistustalevihkonstrukcíizamateríalamidopovídínahhhivčitannâhakademíkavívernadsʹkogorâtívnarolʹnaukivčasivíinísuspílʹnihkriz AT vahítovalm appliedchemicalscienceforthedevelopmentoffireprotectiontechnologiesforsteelstructuresaccordingtothematerialsofthereportatthexxxivvernadskyreadingsthelifesavingroleofscienceintimesofwarandsocialcrises

Репозитарії

Схожі ресурси