ОГНЕЗАЩИТНАЯ ВСПУЧИВАЮЩАЯСЯ КРАСКА
FIRE-RETARDANT INTUMESCENT PAINT

Изобретение относится к огнезащитным лакокрасочным покрытиям, которые могут быть использованы для огнезащиты несущих конструкций.
Применение огнезащитных лакокрасочных материалов направлено на увеличение степени огнестойкости и обеспечение пожарной безопасности для уменьшения вероятности гибели людей и снижения материального ущерба от огня. Наиболее эффективным и доступным вариантом защиты служит покраска с использованием огнезащитных красок и составов.
Известны огнезащитные лакокрасочные покрытия, содержащие жидкое стекло и связующее. В качестве связующего применяются алюминат натрия (патент РФ №2140948, опубликован 10.11.1999) и порошкообразный оксид алюминия (патент РФ №2277562, опубликован 10.06.2006). Использование в составе связующего и жидкого стекла позволяет повысить проникающую способность краски, улучшить ее адгезионные свойства.
Среди огнезащитных материалов становятся популярными огнезащитные краски и составы вспучивающегося типа, которые под воздействием открытого огня вспучиваются и образуют коксообразный слой, защищающий конструкцию в течение определенного времени. Чаще всего огнезащитную вспучивающуюся краску используют при обработке металлических конструкций: балок, перекрытий, колонн, траверс и т.д.
Из уровня техники известна вспучивающаяся композиция для покрытия, содержащая полиизоцианат, полифункциональное соединение, способное взаимодействовать с изоцианатом, и вспучивающийся ингредиент (патент РФ №2656048, МПК C09D 5/18, C09D 175/00, C09K 21/14, опубликован 16.11.2018). Вспучивающийся ингредиент включает в себя, по меньшей мере, одно или несколько соединений, содержащих атомы фосфора, азота и бора, так что массовое отношение фосфора к азоту в указанном вспучивающемся ингредиенте находится в интервале от 0,5/1 до 1,5/1, а содержание бора составляет от 1 до 5 мас. % в расчете на композицию для покрытия. Первая и вторая части композиции смешиваются друг с другом перед нанесением на основу.
Известна вспучивающаяся композиция (патент США №10266773, опубликован 23.04.2019), состоящая из двух частей. Первая часть содержит полимер, выбранный из полиуретана с концевыми силановыми группами или простого полиэфира с концевыми силановыми группами, где указанный полимер присутствует в количестве до 100% по массе от первой части вспучивающейся композиции. Вторая часть включает пластификатор, который совместим с полимером, и вспучивающийся ингредиент, обычно присутствующий в количестве 1-80% по массе от второй части композиции. Количество полимера, присутствующего в первой части, обычно составляет 4-50% по массе первой и второй частей, взятых вместе. Первая и вторая части отделяются друг от друга, например, во время хранения, но при использовании первая и вторая части смешиваются для получения отвержденного вещества, которое обладает способностью вспучиваться при воздействии тепла.
Недостатками указанных двухкомпонентных составов является необходимость смешивания перед применением, что доставляет неудобство при использовании краски. Кроме того, неизрасходованные остатки таких составов затвердевают при хранении, и непригодны для дальнейшего применения.
Из уровня техники известна огнезащитная вспучивающаяся краска (патент РФ №2225423, МПК C09D 5/18, C09D 133/00, опубликован 10.03.2004), содержащая непластифицированную полимерную дисперсию акрилового сополимера с винилверсататом, меламин, пентаэритрит, низкомолекулярную акриловую дисперсию, натрийкарбоксиметилцеллюлозу, производные изотиазолона, двуокись титана, полифосфат аммония, пеногаситель, 2,3,4-триметил-1,3-пентадиолмоноизобутират, бутилцеллозольв, пластификатор, полифосфат натрия, воду, может содержать аэросил..
В качестве наиболее близкого аналога принята огнезащитная вспучивающаяся краска (патент РФ №2224775,  МПК C09D 5/18, опубликован 27.02.2004), включающая в качестве связующего смолу или смеси смол, карбонизирующее вещество, вспенивающий агент, пигмент и наполнитель, крахмал и мочевину, в качестве катализатора пенообразователя - сернокислые соли металлов церия, марганца, меди, магния, в качестве компонента, повышающего огнестойкость, - гидроксид алюминия, в качестве диспергатора - тальк, а в качестве карбонизирующего вещества она содержит многоатомный спирт, в качестве вспенивающего агента - аммонийные соли фосфорной и полифосфорной кислот, меламин и борную кислоту, при определенных соотношениях этих компонентов, причем краска выполнена однокомпонентной или двухкомпонентной.
Недостатками известных красок является применение полимерных связующих в виде дисперсий. Краски, выполненные на дисперсной основе, имеют свойство замерзать при минусовых температурах, что сокращает диапазон их использования.
Задачей изобретения является разработка эффективной однокомпонентной огнезащитной вспучивающейся краски.
Технический результат заключается в обеспечении тонкослойного покрытия, способствующего повышению огнестойкости материала, а также в повышении удобства изготовления и нанесения, отсутствии вредных химических соединений при длительном нагреве, сохранении свойств при хранении в течение гарантийного срока.
Технический результат достигается тем, что однокомпонентная огнезащитная вспучивающаяся краска содержит связующее, меламин в качестве вспенивающего агента и гидроксид алюминия в качестве антипирена, при этом она дополнительно содержит гидроксид калия в качестве ингибитора коагуляции и аэросил в качестве регулятора вязкости состава и неионогенное поверхностно-активное вещество, а в качестве связующего - жидкое калиевое стекло при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Жидкое калиевое стекло
53,96 – 57,84
Меламин
7,12 – 7,28
Гидрат окиси алюминия
33,31 – 37,37
Гидроксид калия
1,25 - 1,37
Аэросил
0,09 – 0,1
Неионогенное ПАВ
0,09 – 0,1
В качестве вспенивателя огнезащитная вспучивающая краска содержит меламин, который при огневом воздействии выделяет пары, обеспечивающие вспучивание. Кроме того, меламин одновременно выполняет роль наполнителя, белого пигмента и регулятора вязкости.
В качестве антипирена применяется гидроксид (гидрат окиси) алюминия.
В качестве ингибитора коагуляции используется гидроксид калия, который предотвращает коагуляцию смеси связующего с антипиреном.
Регулятор вязкости представляет собой синтетический аморфный оксид кремния (аэросил), стабилизирующий вязкость и замедляющий осаждение твердых частиц компонентов.
Поверхностно-активное вещество обеспечивает коллоидную стабильность компонентов краски, замедляет осаждение твердых частиц компонентов, улучшает смачиваемость обрабатываемой поверхности. Используются неионогенные биоразлагающиеся ПАВ на основе специальных этоксилатов, растительных масел следующих марок: ECOSURF EH-3, ECOSURF EH-6, ECOSURF EH-9, ECOSURF SA-9.
Для придания краске определенного цвета в состав краски могут быть введены пигменты, например, FEPREN TP-303.
Примеры осуществления
Огнезащитную вспучивающуюся композицию готовили в смесителе ленточном однослойном СМУ-Л-500(600) с помощью дозатора сухих компонентов и диспергатора-гомогенизатора РПГ-22G.
Процесс производства краски происходил следующим образом: при работающей мешалке загружали жидкое калиевое стекло и гидроксид калия.
Далее масса размешивалась в течение 3 часов и после этого добавляли меламин и смесь снова размешивали в течение 2 часов.  В последующем по всему объему состава образовывалась белая дисперсия, которая легко подвергалась перемешиванию. После чего температуру состава уменьшали до 30 °С.
Затем в полученную огнезащитную композицию добавляли гидрат окиси алюминия и диспергировали в течение 30 мин. Перемешивали композицию при небольших оборотах мешалки в течение 30 мин, с добавлением аэросила и неионогенного поверхностно-активного вещества.
Полученную указанным способом огнезащитную вспучивающуюся композицию испытывали на определение укрывистости состава (ГОСТ 8784-75), определение времени и степени высыхания покрытия (ГОСТ 19007-73), определение условной вязкости по вискозиметру типа ВЗ-246  (ГОСТ 8420-74), определение стойкости к воздействию климатических факторов (ГОСТ 9.401-91), определение огнезащитной эффективности (ГОСТ 302470-94, ГОСТ Р 53295-2009). Результаты испытаний при различных соотношениях компонентов, входящих в состав огнезащитной краски, приведены в таблице 1.
Таблица 1 Результаты испытаний
Компоненты
Соотношение компонентов, мас.%
1
2
3
Жидкое калиевое стекло
53,96
56,3
57,84
Меламин
7,24
7,12
7,28
Гидрат окиси алюминия
37,37
35,06
33,31
Гидроксид калия
1,25
1,32
1,37
Аэросил
0,09
0,1
0,1
Неионогенное ПАВ
0,09
0,1
0,1
Результаты испытаний
Укрывистость, г/м<sup>2</sup>
340
350
360
Время высыхания (нагрузка 20 кг/180 мин)
Бумага не прилипает к покрытию и не оставляет след от нагрузки
Бумага не прилипает к покрытию и не оставляет след от нагрузки
Бумага не прилипает к покрытию и не оставляет след от нагрузки
Время истечения, с (диаметр сопла 6 мм)
5
6
7
Стойкость к воздействию климатических факторов по истечении 15 циклов нагружения
покрытие сохраняет свою целостность и декоративные свойства
покрытие сохраняет свою целостность и декоративные свойства
покрытие сохраняет свою целостность и декоративные свойства
Огнезащитная эффективность
R90
R90
R90
Анализ образцов краски показал высокие показатели вязкости: отсутствовало течение материала через все стандартные сопла вискозиметра ВЗ-246 (2-6 мм).
Исследование кинетики высыхания показало, что через 4 часа покрытия толщиной в один слой достигают 5 степени высыхания. Полное высыхание покрытия наступает через 5,5 часов.
Полученные данные свидетельствуют о том, что покрытия, полученные из данных образцов огнезащитной краски, при соблюдении требований НТД на окрашивание, сушку, хранение и эксплуатацию изделий обеспечивают срок службы в условиях эксплуатации УХЛ2 не менее 2 лет с сохранностью защитных свойств (согласно ГОСТ 9.401-91).
В разрабатываемом составе механизм огнезащиты реализуется не только за счет образования терморасширенного вспученного слоя, но и за счет значительного термопоглощения при эндотермическом разложении наполнителя (химическая реакция с поглощением теплоты).
При проведении испытаний для металла с приведенной толщиной 3,4 мм испытания выдержал образец со слоем краски толщиной 1,1 мм, как удовлетворивший условиям испытаний, для образцов металла с приведенной толщиной 5,8 мм испытания выдержал  образец со  слоем краски  толщиной  2,2 мм, как удовлетворивший условиям испытаний.
Преимуществом заявляемого  решения является обеспечение тонкослойного покрытия, высокая огнезащитная эффективность, отсутствие вредных химических соединений при длительном нагреве. Заявляемый состав может наноситься на поверхности различными способами, включая механический. Огнезащитный состав похож по внешнему виду на обычные лакокрасочные покрытия и выполняет аналогичные защитно-декоративные функции. При воздействии высоких температур толщина и объем вспучивающегося покрытия увеличиваются во много раз за счет создания негорючего и твердого вспененного слоя (кокса), который является преградой для распространения огня, высоких температур и защищает несущие конструкции от потери несущей способности.