Публикации: Каталог проектных работ

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 200-250^oC.

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.

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.

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):

• 1. Носители лекарственных препаратов на основе природных полимеров, Шарип Айгуль (10 класс, Карагандинская областная специализированная школа-интернат для одаренных детей)
• 2. Изучение токсического действия суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (Fe3O4) на организм мыши, Павел Михайлович Павлушин (11 класс, гимназия 10, г. Новосибирск)
• 3. Новые материалы на основе нанолент оксида ванадия и графена для положительных электродов литиевых батарей, Евгения Михайловна Бовина (11 класс, гимназия 1515, г. Москва)
• 4. Исследование роста кристаллитов оксида вольфрама в ходе химического осаждения из газовой фазы, Анна Николаевна Федотова (11 класс, лицей 1511, г. Москва)
• 5. Исследование влияния внешних условий на формирование карбонатных ядер, используемых для инкапсулирования лекарственных препаратов, Юлия Павловна Соколова (10 класс, Аничков лицей, Санкт - Петербург)
• 6. Изучение свойств субмикронных органических пленок и разработка химического наносенсора на их основе, Руслан Рафаэлевич Балтин (11 класс, МОУ СОШ 58, г.Уфа)
• 7. Биохимическая активность силикатных частиц, модифицированных аминогруппами, по отношению к системе индуцируемая протеиназа Сandida albicans – гемоглобин, Галаутдинова Диана (11 класс, гимназия 7, г.Казань),
• 8. Система поддержки экспериментов с клеточными культурами, Наталья Сергеевна Николаева (11 класс, Лицей Информационных Технологий, г. Москва)
• 9. Получение наночастиц серебра методами «зеленой химии» и исследование их противогрибковой активности и антибактериальных свойств, Елизавета Александровна Никитина (11 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 10. Изучение изменений структуры крови человека, Дарья Сергеевна Петрова (10 класс, лицей г. Лесной, Свердловская область)
• 11. Получение пленок наночастиц CdSe/ZnS, Кириллов Александр, Кучеров Максим, Латышев Евгений, Ломоносов Владислав, Парамонов Александр, Федорченко Кристина (гимназия 1583, г.Москва)
• 12. Автономный источник электроэнергии для частного дома, Илназ Алмазович Мингазов (9 класс, МОУ СОШ 1, с. Кутлушкино, Татарстан)
• 13. Нано в природе и медицине, Кирилл Владимирович Заяц (7 класс, СОШ 12, г. Одинцово),
• 14. Соединения включения катионов металлов в наноструктуры амилозы, Игорь Андреевич Иванов (11 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 15. Размышления в тиши гармонии наук, Петр Киволи (8 класс, лицей 1575, г.Москва)
• 16. Исследование физических свойств кутикулы волоса человека, Ольга Степановна Иджилова (9 класс, лицей 4, г.Таганрог)
• 17. Изменение рельефа поверхности тефлона при термической обработке с помощью атомно-силовой микроскопии, Анастасия Дмитриевна Левченко (11 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 18. Оптический датчик магнитного поля, Владимир Владимирович Ефремов, Л.Н.Нам (10 класс, СОШ 725, г. Москва)
• 19. Путешествие в будущее, Мария Александровна Лабендик (8 класс, СОШ 13, г.Полевской, Свердловская обл.)
• 20. Наноновинки в одном футляре, Михаил Александрович Лабендик (5 класс, СОШ 14, г.Полевской, Свердловская обл.)
• 21. Изучение слоистой структуры в сегнетовой соли, Владимир Михайлович Сидоров (11 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 23. Энергосберегающее стекло, Ирина Владимировна Лабутина (9 класс, СОШ 1, с. Зелёновка, Пензенская обл.)
• 24. Перспективы применения наноалмазов в медицине, Денис Владимирович Завацкий (8 класс, СОШ 37, г. Москва)
• 25. Борьба с нефтяными пятнами, Алексей Владимирович Мальков, Тимофей Панфилов (9 класс, СОШ 1, с. Зелёновка, Пензенская обл.)
• 26. Коллоидные растворы в быту или о пользе киселя и чая, София Дмитриевна Логвинова (7 класс, лицей 1575, г. Москва)
• 27. Морфология прочных углеродных структур, Даниил Андреевич Козлов (10 класс, лицей 2, г.Иркутск)
• 28. Магнитная жидкость: опять и снова, но интересно..., Елизавета Александровна Никитина (10 класс, лицей 1586, г.Москва)
• 29. Магнитная жидкость и ее свойства, Норкин Максим Владимирович (11 класс, СОШ 60, г. Набережные Челны)
• 30. Школьная газета "Физикон"
• 31. НАНОЗНАЙКА: поверхностно-активные вещества, Елизавета Александровна Никитина (9 класс, лицей 1586, г.Москва)

Переход в кластер миникурсов ЗНТШ.