Порівняння поліолів як карбонізуючих агентів вогнезахисних композицій інтумесцентного типу

Abstract

Мета роботи – дослідження впливу структури карбонізуючого агенту на процеси побудови теплоізоляційного коксового шару інтумесцентної системи донор кислоти/поліол та на вогнезахисну ефективність цієї системи в умовах високих температур. За модельну інтумесцентну систему обрано вогнезахисну суміш донор кислоти (фосфати амонію, карбаміду, меламіну). Як полімерну складову використовували дисперсію співполімеру вінілацетату з етиленом. В дослідженні застосовано вивчення характеристик коксового шару інтумесцентної композиції, яке полягає в аналізі характеристик утвореного коксу після витримки зразків інтумесцентної системи при певній температурі. Як основні оціночні параметри вогнезахисного ефекту пропонуються об’ємний коефіцієнт спучення (К, см3/г), маса коксового залишку (m, %), структура та густина утвореного коксового шару. Для ідентифікації продуктів термолізу інтумесцентних систем використано метод ІЧ-спектроскопії. Визначення вогнезахисної ефективності інтумесцентних покриттів проводили в міні-печі в умовах стандартної пожежі. Досліджено вплив структури поліолів на процеси побудови теплоізоляційного коксового шару інтумесцентної системи донор кислоти/поліол та на прогнозування вогнезахисної ефективності цієї системи в умовах високих температур. Доведено, що в умовах теплового удару ефективність вогнезахисту в більшій мірі залежить від реакційної нуклеофільної здатності поліолу по відношенню до ненасиченого атому фосфору донору кислоти, а не від його режиму терморозкладання. Встановлено, що найбільш ефективними карбонізуючими агентами, незалежно від структури донору кислоти, є пентаеритрит, дипентаеритрит, крохмаль, декстрин, ксиліт та сорбіт. Методом ІЧ-спектроскопії доведено, що при високих температурах в результаті розкладання пентаеритриту одними з продуктів реакції є альдегіди, які взаємодіють з пентаеритритом з утворенням олігомерних сполук з простим ефірним зв'язком С–О–С. При цьому пентаеритрит може вважатися універсальним джерелом вуглецевого каркасу для інтумесцентного вогнезахисту незалежно від будови та властивостей фосфатів, що використовуються. Показано, що важливим фактором підвищення вогнезахисної ефективності інтумесцентних систем є використання поліолів з підвищеною нуклеофільністю в реакції етерифікації між поліолом та фосфатною кислотою. Визначено оптимальні поліоли, як карбонізуючі агенти, для розробки рецептур інтумесцентних покриттів з підвищеними вогнезахисними властивостями.

Цель работы – исследование влияния структуры карбонизирующего агента на процессы построения теплоизоляционного коксового слоя интумесцентной системы донор кислоты/полиол и на огнезащитную эффективность системы в условиях высоких температур. В качестве модельной интумесцентной системы выбрана огнезащитная смесь донор кислоты (фосфаты аммония, карбамида, меламина)/полиол. В качестве полимерной составляющей использовали дисперсию сополимера винилацетата с этиленом. В исследовании применено изучение характеристик коксового слоя интумесцентной композиции при определенной температуре. Как основные оценочные параметры огнезащитного эффекта предлагаются объемный коэффициент вспучивания (К, см3/г), масса коксового остатка (m, %), структура и плотность коксового слоя. Для идентификации продуктов термолиза интумесцентных систем использован метод ИК-спектроскопии. Определение огнезащитной эффективности интуместных покрытий проводили в мини-печи в условиях стандартного пожара. Исследовано влияние структуры полиолов на процессы построения теплоизоляционного коксового слоя интумесцентной системы донор кислоты/полиол и прогнозирование огнезащитной эффективности этой системы в условиях высоких температур. Доказано, что в условиях теплового удара эффективность огнезащиты в большей степени зависит от нуклеофильной реакционной способности полиола по отношению к ненасыщенному атому фосфора донора кислоты, а не от его термостабильности. Установлено, что наиболее эффективными карбонизирующими агентами независимо от структуры донора кислоты являются пентаэритрит, дипентаэритрит, крахмал, декстрин, ксилит и сорбит. Методом ИК-спектроскопии доказано, что при высоких температурах в результате разложения пентаэритрита одним из продуктов реакции являются альдегиды, взаимодействующие с пентаэритритом с образованием олигомерных соединений с простой эфирной связью С–О–С. При этом пентаэритрит может считаться универсальным источником углеродного каркаса для интумесцентной огнезащиты независимо от используемой структуры фосфата. Показано, что важным фактором повышения огнезащитной эффективности интумесцентных систем является использование полиолов с повышенной нуклеофильностью в этерификации между полиолом и фосфорной кислотой. Определены оптимальные полиолы как карбонизирующие агенты для разработки рецептур интумесцентных покрытий с повышенными огнезащитными свойствами.

To study the influence of the carbonizing agent structure on the formation of thermal insulating char layer of intumescent system acid donor/polyol and on the fire protection efficiency of the system at high temperatures. A fire retardant mixture of an acid donor (phosphates ammonium, urea, melamine)/ polyol was chosen as a model intumescent system. Dispersion of vinyl acetate copolymer with ethylene was used as a polymeric component. The study applied the characteristics of the char layer of the intumescent composition at a certain temperature. The volumetric intumescent coefficient (K, cm3/g), mass of char residue (m, %), structure and density of the char layer are proposed as the main estimated parameters of flame retardant effect. IR spectroscopy was used to identify products of thermolysis of intumescent systems. Determination of fire protection efficiency of intumescent coatings was carried out in a mini-oven under standard fire conditions. The influence of polyol structure on the formation of thermal insulating char layer of intumescent acid donor/polyol system and the prediction of fire protection efficiency of this system under high temperature conditions has been investigated. It has been shown that under conditions of thermal shock the fire protection efficiency is more dependent on the nucleophilic reactivity of the polyol towards the unsaturated phosphorus atom of the acid donor than on its thermal stability. It has been found that pentaerythritol, dipentaerythritol, starch, dextrin, xylitol and sorbitol are the most effective carbonizing agents, regardless of the structure of the acid donor. It has been proved by infrared spectroscopy that at high temperatures as a result of the decomposition of pentaerythritol one of the reaction products is the aldehydes interacting with pentaerythritol with the formation of oligomeric compounds with a simple ether bond C-O-C. At the same time, pentaerythritol can be considered as a universal source of carbon framework for intumescent flame retardants regardless of the phosphate structure used. It has been shown that an important factor to increase the fire protection efficiency of intumescent systems is the use of polyols with an increased nucleophilicity in the esterification between polyol and phosphoric acid. The optimal polyols as carbonizing agents for formulation of intumescent coatings with enhanced fire protection properties have been determined.