Огнегасящая пластина на основе микрокапсулированных огнетушащих веществ
FIRE EXTINGUISHING PLATE BASED ON MICROCAPSULATED EXTINGUISHING AGENTS

Область техники
Изобретение относится к автономным средствам пожаротушения, а именно, к полимерным композиционным материалам, содержащим огнетушащее вещество в форме микрокапсул и предназначенным для создания автономных устройств тушения огня, не требующих применения автоматизации и участия человека.
Предшествующий уровень техники
Принцип действия микрокапсулированного огнетушащего вещества (ОТВ) основан на импульсном (взрывоподобном и/или ударном) выбросе инкапсулированного в ядре микрокапсулы огнетушащего термоактивируемого вещества в зону активного горения при превышении в защищаемом объеме температуры активации и/или прямом контакте с пламенем.
Из информационных источников известны автономные установки пожаротушения (АУП) на основе микрокапсулированных огнетушащих веществ (ОТВ) - «пластина», предназначенная для тушения возгорания в замкнутых объемах до 70 л. В широкой продаже находятся автономные установки «Пиростикер 15-60» и «ФОГ 20-50». https://lider01.ru/catalog/ognetushiteli/samosrabatyvayushchie/?yclid=851987157088760098.
Изделия такого рода представляет собой конструкцию в виде пластины толщиной 1-2 мм, состоящую из функционального слоя, выполненного из полимерного композиционного материала, содержащего микрокапсулы с жидким ОТВ, несущей полимерной пленочной основы и фиксирующего клеевого слоя, предназначенного для монтажа АУП на верхней стенке шкафа или непосредственно на защищаемом блоке. В качестве ОТВ в микрокапсулах используют жидкие или газообразные галогенсодержащие углеводороды, например, 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.
Размер пластины определяется объемом пространства, подлежащего защите с помощью такой АУП. При возникновении в шкафу возгорания материал АУП нагревается, заключенное в микрокапсулах ОТВ переходит в газообразное состояние. Капсулы, по мере прогрева пластины, взрывообразно раскрываются высвобождая дозированное количества газообразного ОТВ. Подавление возгораний определяется химическим строением ОТВ, которое в очаге возгорания распадается с образованием «тяжелых» свободных радикалов, обрывающих кинетические цепи процесса горения, прекращая его развитие в течение нескольких секунд. Продукты термодеструкции ОТВ, кроме того, обеспечивают изоляцию очага горения от воздуха, создавая газовый «купол» из тяжелых продуктов распада, и препятствуют повторному возгоранию.
Из патента на полезную модель RU 109668, A62D 1/08, опубл. 27.10.2011, Бюл. №30 известно автономное средство пожаротушения, выполненное из материала с огнегасящими свойствами, содержащего микрокапсулы с огнегасящим составом, представляющие собой галогеноуглерод, заключенный в полимерную оболочку из полимочевины и/или полиуретана, и связующее, отличающееся тем, что связующее представляет собой композиционный материал, включающий в себя полимерную составляющую и минеральные волокна и/или частицы, при этом средство пожаротушения является галогеноуглеродом, является 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан и/или 1,1,2-трифтортрихлорэтан, и/или 2-йод-1,1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, и/или их смесь с другими галогенуглеродами, а средство пожаротушения в виде пластины.
Известен патент на полезную модель RU 152765 А62С 2/00, 20.06.2015, Автономное средство для пожаротушения с термоактивирующимся микрокапсулированным огнетушащим веществом выполнено в виде многослойной пластины, состоящей из опорной подложки, выполненной из рулонного тканого стеклопластика, пропитанного полимерным латексом, клеевого слоя, нанесенного на одну из сторон опорной подложки, отделяемой защитной пленки, которая временно закрывает клеевой слой, армирующей подложки в виде малярной сетки из стеклоткани, расположенной на противоположной стороне опорной подложки, и нанесенного на армирующую подложку огнегасящего композиционного материала, окрашенного тонкодисперсным красителем, содержащего в качестве полимерного связующего отвержденную пластифицированную дибутилфталатом поливинилацетатную смолу и смесь микрокапсул, содержащих в качестве огнетушащего агента (вещества) галогенсодержащие алифатические насыщенные углеводороды из класса хладонов (фреонов).
Такие пластины являются пассивно термоактивируемыми, выделение огнегасящего агента из которых происходит не одновременно, а по мере прогрева изделия из такого материала. Недостатком такой пластины является низкая интенсивность выделения ОТВ и, соответственно, значительное время подавления возгорания. Кроме того, применение таких материалов ограничено объемами до 70 л, поскольку в больших объемах скорости поступления огнегасящих веществ и их естественного отвода через технологические отверстия защищаемого оборудования становятся соизмеримыми и не позволяют обеспечить поддержание пожаротушащей концентрации активного вещества.
В заявке на изобретение RU 2012 142 459, A62D 1/00 для повышения эффективности срабатывания пластин из материала на основе полисилоксановой матрицы и микрокапсулированных огнегасящих агентов предложено окрашивать наружную поверхность пластин в черный цвет с целью увеличения коэффициента поглощения ими лучистой энергии.
В заявке на изобретение RU 2017138075, A62D 1/00 предложено изделие в виде пластины с фасонным профилем, увеличивающим площадь газовыделения, повышая, таким образом, интенсивность выделения огнетушащего вещества.
Все эти приемы несколько уменьшают время тушения возгорания, однако это уменьшение незначительно, а такие АУП так же следует отнести к пассивно активирующимся, в которых выделение ОТВ происходит не одновременно, а по мере прогрева изделия из такого материала.
Наиболее близким аналогом является патент на изобретение RU 2 631 868, C08J 9/34, опубл. 27.09.2017, под названием «Гибкая пластина, содержащая огнегасящий композиционный материал, и способ ее изготовления». Описана гибкая пластина, изготовленная из огнегасящего композиционного материала в котором в полимерной матрице из отвержденного диметилсилоксанового каучука СКТН распределены сыпучие микрокапсулы с ядром из огнегасящего агента, а в качестве добавки увеличивающей теплопроводность, а, следовательно, и скорость выделения ОТВ - алюминиевая пудра. Такие пластины, по представлению автора изобретения имеют в 3 раза большую эффективность огнегашения, но по-прежнему остаются пассивно термоактивируемыми.
Раскрытие изобретения
Задачей создания изобретения является разработка пластины для пожаротушения, которая свободна от недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в существенном повышении эффективности пожаротушения предлагаемой пластиной.
Поставленная задача была решена путем создания активной термоактивируемой огнетушащей пластины, выполненной в виде многослойной конструкции, включающей функциональный слой, несущий слой, фиксирующий слой. Пластина отличается тем, что функциональный слой представляет собой композиционный материал, состоящий из полимерной матрицы и микрокапсул с ядром из огнетушащего вещества, при этом в качестве термоактивируемой полимерной матрицы используют нитроцеллюлозу-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2%, при следующем соотношении компонентов, масс %:
- термоактивируемая матрица - нитроцеллюлоза-коллоксилин
с содержанием азота от 10,7% до 12,2%
20-50
- микрокапсулы с ядром из огнегасящего вещества
50-80,
при этом композиционный материал получен с использованием стабилизатора и пластификатора, при следующем соотношении компонентов, в масс % в пересчете на упомянутую нитроцеллюлозу:
- стабилизатор
1-2
- пластификатор
0-25.
Кроме того, в качестве огнетушащего вещества используют жидкие и/или газообразные галогенсодержащие углеводороды, например, 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.
Кроме того, в качестве стабилизатора используют дифенилметан, централиты.
Кроме того, в качестве пластификатора используют дибутилфталат. Новый вариант пластины на основе композиционного материала с активной термоактивируемой полимерной матрицей обладает повышенной эффективностью тушения за счет практически единовременного вскрытия микрокапсул с ОТВ с одновременным деструктивным разрушением матрицы и выделения значительного количества нейтральных газов, дополнительно блокирующих очаг возгорания.
Выбор в качестве вещества матрицы - горючего вещества нитроцеллюлозы-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% обусловлен несколькими факторами, а именно: - технической доступностью, промышленно выпускается коллоксилин лаковый по ГОСТ Р 50461-9, - верхний предел по содержанию азота ограничен концентрацией нитрогрупп, при которой НЦ переходит в категорию взрывчатых веществ, - нижний предел ограничен техническими условиями, что не исключает возможности использования нестандартного продукта, если его применение не ограничено растворимостью в применяемых растворителях, обеспечивающих возможность образовывать однородный раствор для диспергирования микрокапсул.
Применение пластин с термоактивируемой полимерной матрицей значительно сокращает огневое воздействие на оборудование в защищаемом объекте, обеспечивая его сохранность.
Осуществление изобретения
В заявляемом изобретении предложен композиционный материал, в котором в качестве термоактивируемой матрицы использован горючий полимерный материал, способный самостоятельно, после кратковременного огневого воздействия, поддерживать горение композита с микрокапсулами ОТВ и обеспечивать, таким образом, залповый выброс всего огнетушащего агента и быстрое подавление очага возгорания в защищаемом объеме.
В качестве матрицы такого материала предложено использовать горючее полимерное вещество - нитроцеллюлозу-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% (НЦК).
Неограниченная растворимость НЦК в таких относительно полярных растворителях, как кетоны, сложные эфиры и совместимость с такими пластификаторами, как дибутилфталат, позволяет получать вязкие растворы, пригодные для наполнения микрокапсулами в широком диапазоне - до 80% вес.(по отношению к композиции с НЦК), при этом нет ограничений по применению других растворителей, пластификаторов, в т.ч. полимерных, и стабилизаторов. Удаление из готовых изделий легко летучих растворителей, содержащихся в относительно небольшом количестве, не вызывает каких-либо технических трудностей.
В состав термоактивируемой полимерной матрицы вводят микрокапсулы с ядром из огнетушащего вещества, в качестве которого используют жидкие галогенсодержащие углеводороды, например, 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.
Для обеспечения стабильности композитов с матрицей из НЦК при эксплуатации при повышенных температурах и прямом доступе атмосферной влаги в состав вводят один из известных стабилизаторов, таких как дифенилметан, централиты и др.
Для регулировки эластичности материала в состав матрицы вводят пластификаторы, например, дибутилфталат.
Композиционный материал имеет следующее соотношение компонентов, масс %:
- термоактивируемая матрица - нитроцеллюлоза-коллоксилин
с содержанием азота от 10,7% до 12,2%
20-50
- микрокапсулы с ядром из огнегасящего вещества
50-80,
при этом композиционный материал получен с использованием стабилизатора и пластификатора при следующем соотношении компонентов в масс % в пересчете на упомянутую нитроцеллюлозу:
-стабилизатор
1-2
- пластификатор
0-25.
Предлагаемое изобретение поясняется рисунком, на котором показан разрез конструкции огнегасящей пластины для пожаротушения. Пластина представляет собой многослойную конструкцию и состоит из функционального огнегасящего композиционного материала 1 с распределенными в нем микрокапсулами 2, несущей пленочной основы 3, фиксирующего клеевого слоя 4, отделяемой защитной пленки. За счет клеевого слоя пластину фиксируют на верхней стенке защищаемого объема и/или непосредственно на пожароопасных элементах.
При соприкосновении с пламенем происходит возгорание функционального слоя и его беспламенное горение за счет кислорода, входящего в состав самой нитроцеллюлозы. При этом скорость распространения возгорания по поверхности материала на порядок выше ее прогорания внутрь материала. Это приводит к практически одновременному вскрытию микрокапсул с ОТВ по всему материалу. Горение матрицы сопровождается ее полной деструкцией, что обеспечивает беспрепятственный залповый выброс огнетушащего вещества в очаг возгорания, его локализацию и тушение.
Дополнительным фактором, обеспечивающим повышенную эффективность предлагаемого композиционного материала, является выделение при сгорании нитроцеллюлозы-коллоксилин значительного количества не поддерживающих горение газообразных продуктов, в среднем 10 л на 10 г нитроцеллюлозы-коллоксилина, основными из которых являются азот (45%), углекислый газ (13,3%), окись углерода (31,6%) и вода, которые дополнительно блокируют доступ кислорода и осуществляют быструю доставку ОТВ к очагу возгорания.
В таблице приведены результаты сравнительных испытаний известных и заявляемой пожаротушащих пластин. Испытания проводили по методике ГОСТ Р 56459-2015 «Устройства пожаротушения автономные с применением термоактивируемых микрокапсулированных газовыделяющих огнетушащих веществ» в шкафу объемом 50 л на модельном очаге пожара класса В.
Из представленных в таблице данных видно, что время тушения очага возгорания пластиной, изготовленной по рецептуре заявляемого изобретения, существенно меньше, чем у аналогов и прототипа.
Способ получения огнегасящей пластины для огнетушения содержит следующую последовательность операций.
Для изготовления пластины с заявляемым функциональным слоем готовят 20-60%-ный раствор нитроцеллюлозы-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% в ацетоне, или в этилацетате, или в бутилацетате, или в смеси указанных растворителей. В приготовленный раствор вводят стабилизатор 1-2 масс % в пересчете на НЦК, дибутилфталат 0÷25 масс % в пересчете на нитроцеллюлозу и микрокапсулы 50÷80 масс %. в пересчете на композицию с НЦК. Из полученной массы изготавливают пластину путем нанесения через открытый трафарет сплошным слоем или в виде дискретных фрагментов на несущую подложку с последующей сушкой в вытяжном шкафу. Функциональный слой так же можно наносить методом экструзии через фигурные или щелеобразные фильеры с последующим удалением из них растворителя. В качестве подложки используют лавсановую пленку с липким монтажным слоем.
Приведенные ниже примеры реализации изобретения не ограничивают иные возможности осуществления изобретения.
Пример 1. 8 г нитроцеллюлозы растворяют в 10 г ацетона при комнатной температуре, добавляют 2 г дибутилфталата. 0,16 г цетролита и смешивают с 15 г микрокапсул с огнегасящим агентом (перфторэтилизопропилкетоном) в оболочке из резорцино-мочевино-формальдегидной смолы. Из полученной композиции изготавливают пластину путем нанесения через открытый трафарет сплошным слоем на подложку из лавсановой пленки с клеевым монтажным слоем с последующей сушкой в вытяжном шкафу для удаления ацетона.
Пример 2. 10 г нитроцеллюлозы растворяют в 10 г ацетона. Добавляют 0,1 г центролита, 15 г микрокапсул огнегасящим агентом (перфторэтилизопропилкетоном) в оболочке из резорцино-мочевино-формальдегидной смолы и через открытый трафарет наносят на подложку из лавсановой пленки с клеевым монтажным слоем фрагментами диаметр 5 мм образующими регулятную структуру с расстояниями между фрагментами 3 мм.
Пример 3. 10 г нитроцеллюлозы растворяют в 10 г ацетона. Добавляют 0,2 г центролита, 15 г микрокапсул огнегасящим агентом (перфторэтилизопропилкетоном) в оболочке из резорцино-мочевино-формальдегидной смолы и методом экструции через фильеру диаметромЗ мм наносят на подложку из лавсановой пленки с клеевым монтажным слоем полосками, образующими регулярную структуру, с расстояниями между ними 1 мм.
Пример 4. В отличие от примеров 1-2 в качестве, по меньшей мере, одного из микрокапсулированных огнетушащих веществ использовались 2-йодгептафторпропан, 1,1,2,2-тетрафтордибромэтан, перфтор(этил-изопропилкетон), 1,2-дибромгексафторпропан, 1,4-дибромоктафторбутан, 1,1,2,3,3,3-гептафторпропан, октофторциклобутан.
Промышленная применимость
Применение нитроцеллюлозы-коллоксилин с содержанием азота от 10,7% до 12,2% в качестве полимерной матрицы в огнетушащем материале - новая область использования НЦ, при котором используется ее основной недостаток - а именно высокая горючесть. Применение НЦ в таком аспекте позволяет создать высокоэффективные средства тушения огня в ограниченных объемах, срабатывающих в автономном режиме без применения автоматики и участия человека при кратковременном непосредственном огневом воздействии на них.