ОГНЕ- И ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ МАТЕРИАЛ (ВАРИАНТЫ)
FIRE PROTECTION AND HEAT PROTECTION MATERIALS (VERSIONS)

Изобретение относится к области пожарозащитных средств и может быть использовано в качестве огне- и теплозащитного материала для защиты систем воздухопроводов, трубопроводов, металлоконструкций, электрических кабельных систем, транспортных коммуникаций и т.п.
Известен многослойный огне- и теплозащитный материал для металлических конструкций различного назначения, содержащий внешний слой, выполненный из стекловолокна со специальным покрытием, и несколько чередующихся внутренних слоев, одни из которых выполнены из металлической фольги, другие - из полотна с низким коэффициентом теплопроводности, в качестве которого может быть использовано полотно из керамического волокна, из диоксида кремния и оксида кальция, из диоксида кремния и оксида алюминия, из высокочистого оксида кремния, из стекловолокна или минеральной ваты (патент США №6074714, МКИ В32В 1/08, 2000 г.). Известный материал обеспечивает защиту различных металлических конструкций от высоких температур в течение пяти часов.
Однако недостатком известного материала является достаточно сложная конструкция за счет выполнения внешнего слоя из стекловолокна со специальным покрытием, в состав которого входят многочисленные добавки, а именно пенообразующая, порообразующая, связующая, растворитель, подавитель распространения пламени и др.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать огне- и теплозащитный материал, простой конструктивно, но обеспечивающий длительный срок противостояния воздействию огня.
3
Поставленная задача решена путем использования огне- и теплозащитного материала, состоящего по крайней мере из двух слоев, при этом по крайней мере один первый слой, выполненный из металлической фольги, и по крайней мере один второй слой, выполненный из структурно оформленного минерального или керамического волокна, в котором первый слой имеет толщину 0,007-1,5 мм, а второй слой имеет плотность 30-1000 кг/м и толщину 5,0-100,0 мм, при этом диаметр волокон составляет 1-30 мкм и длина волокон не менее 20 мм.
При этом второй слой выполнен из иглопробитого или иглопрошитого, или термоскрепленного минерального или керамического волокна.
При этом первый слой выполнен из алюминиевой фольги или из фольги из стали или из фольги из нержавеющей стали или из вольфрамовой фольги.
3
Поставленная задача также решена путем использования огне- и теплозащитного материала, состоящего по крайней мере из двух слоев, при этом по крайней мере один первый слой, выполненный из металлической фольги, и по крайней мере один второй слой, выполненный из структурно оформленного минерального или керамического волокна, в котором первый слой выполнен из металлической фольги толщиной 0,007-1,5 мм, а второй слой выполнен из базальтового или мулитокремнеземистого волокна с плотностью 30-1000 кг/м и толщиной 5,0-100,0 мм, при этом диаметр волокон составляет 1-30 мкм и длина волокон более 20 мм.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен многослойный огне- и теплозащитный материал с чередованием слоев, выполненных из металлической фольги и минерального или керамического волокна, имеющих значения плотности и толщину в интервале заявляемых значений.
Техническим результатом предлагаемого решения является увеличение отражательной способности теплового потока наружного слоя и получение максимально низкого коэффициента теплопроводности материала при его конструктивной простоте.
Как было установлено авторами, значительное влияние на рабочие характеристики огне- и теплозащитного материала оказывают плотность и толщина слоев, из которых выполнен материал, а также диаметр и длина волокон волокнистого материала. При высоких температурах огневого воздействия совокупность плотностей и толщин каждого слоя материала, а также диаметр и длина волокон волокнистого материала влияет на достижение минимального коэффициента его теплопроводности. Авторами экспериментально были установлены оптимальные пределы значений заявляемых параметров. Так, если толщина фольги менее 0,007 мм, то огнезащита не обеспечивается вследствие нарушения целостности материала уже на первых минутах огневого воздействия. Если ее толщина более 1,5 мм, то применение материала становится нецелесообразным по технологическим показателям. При этом может быть использована фольга из алюминия, из стали или из нержавеющей стали или из вольфрама. Изготовление наружного слоя из металлической фольги выполняет не только эстетическую задачу, но способствует увеличению отражательной способности теплового потока наружного слоя.
3
3
В случае, если плотность минерального или керамического волокна менее 30 кг/м, а его толщина менее 5 мм, эффект тепло- и огнезащиты практически отсутствует, в связи с тем, что материал характеризуется высоким коэффициентом пористости, и как следствие, высоким коэффициентом теплопроводности всего материала в целом. В случае если плотность минерального или керамического волокна более 1000 кг/м, также значительно возрастает суммарный коэффициент его теплопроводности, и как следствие, снижается эффективность огнезащиты. Толщина более 100 мм нецелесообразна, поскольку при низкой плотности слоя происходит сминание материала на изгибах, а при высокой плотности возрастает жесткость и происходит механическое разрушение материала на изгибах. В предлагаемом материале требуемые значения плотности могут быть обеспечены путем предварительного формования волокна или при монтаже. Авторами экспериментально установлены оптимальные пределы значений толщины и плотности слоев материалы в зависимости от условий эксплуатации и возможной интенсивности пожара.
Важное значение для получения оптимальных рабочих характеристик материала имеет диаметр и длина волокон волокнистого материала. Так, если диаметр менее 1 мкм, а длина менее 20 мм, материал становится хрупким и труднооформляемым в единое целое. Если диаметр более 30 мкм, увеличивается конвективная составляющая коэффициента теплопроводности при высоких температурах.
Проведенные авторами исследования позволили сделать вывод о преимуществах использования базальтового или мулиткремнеземнистого волокна в качестве конструктивного элемента огне- и теплозащитного материала. Базальт - это высокостабильные по химическому составу экструзивные магматические горные породы, запасы которых в мире практически не ограничены и составляют 25-38% площади, занимаемой на Земле всеми магматическими породами. Базальтовые волокна получают на основе дешевого сырья (базальта) при одностадийном технологическом процессе, что обусловливает их более низкую (на 15-20%) себестоимость по сравнению с другими волокнами, например стекловолокна. Уровень физико-механических параметров базальтового волокна при его эксплуатации в огнезащитных сооружениях подтверждает преимущества перед стекловолокнистыми и полимерными материалами по эксплуатационным свойствам, долговечности и ценовым показателям. В настоящее время базальтовое волокно используется в виде спрессованных плит (например, патент RU 2301873), что определяет его высокую жесткость. Кроме того, использование связующего в составе известных материалов на основе формальдегидных смол делает их высокотоксичными. При использовании базальтового полотна в предлагаемом техническом решении путем подбора определенной плотности и толщины волокна обеспечивается его гибкость, что является одним из преимуществ предлагаемого материала и, как следствие, появляется возможность его использования для огнезащиты любых металлических конструкций сложной конфигурации, а не только плоских поверхностей.
В настоящее время муллитокремнезем (содержание оксида алюминия составляет 45-62%) применяется в качестве огнеупорного материала при производстве изделий (кирпичи, фасонные и крупноблочные изделия) или неформованных материалов (порошки, массы и смеси для бетонов), либо в качестве огнеупорных теплоизоляционных плит, обоженных на глинистой связке. При этом определяющим является его химическая стойкость, низкий коэффициент тепловой усадки, высокая прочность под нагрузкой. Исследования, проведенные авторами, позволили выявить преимущества его использования в качестве элемента огнезащитного материала за счет наличия низкого коэффициента теплопроводности при высоких температурах и высокого коэффициента отражения инфракрасного излучения.
3
На фиг.1(а) изображен предлагаемый материал по п.1, в случае его выполнения двухслойным: внешний слой из фольги из нержавеющей стали толщиной 0,025 мм (1) и внутренний слой из шлаковолокна с диаметром волокна 10-20 мкм и длиной 50-100 мм (2) плотностью 100 кг/м и толщиной 100 мм.
Предлагаемый материал может быть использован для тепло- и огнезащиты вентиляционных систем, узлов металлоконструкций зданий.
3
3
3
На фиг.1(б) изображен предлагаемый материал по п.1, в случае его выполнения пятислойным: внешний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм (1), первый внутренний слой из муллитокремнеземистого волокна с диаметром волокна 1-10 мкм и длиной 100-150 мм плотностью 200 кг/м и толщиной 30 мм (2), при этом использовано муллитокремнеземистое волокно по ГОСТу 23619-79, второй внутренний слой из шлаковолокна с диаметром волокна 10-20 мкм и длиной 50-100 мм плотностью 100 кг/м толщиной 30 мм (3); третий внутренний слой муллитокремнеземистого волокна с диаметром волокна 1-10 мкм и длиной 100-150 мм плотностью 200 кг/м и толщиной 30 мм (4); четвертый внутренний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм (5).
Предлагаемый материал может быть использован для тепло- и огнезащиты вентиляционных систем высотных зданий, нефтяных резервуаров, элементов нефтепроводов.
3
3
3
3
На фиг.1(в) изображен предлагаемый материал по п.1, в случае его выполнения пятислойным: внешний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм (1), первый внутренний слой из муллитокремнеземистого волокна с диаметром волокна 1-5 мкм и длиной 200-250 мм плотностью 400 кг/м и толщиной 20 мм (2), при этом использовано муллитокремнеземистое волокно по ГОСТу 23619-79, второй внутренний слой из базальтового волокна с диаметром волокна 6-12 мкм и длиной 150-200 мм плотностью 100 кг/м толщиной 20 мм (3); третий внутренний слой из стекловолокна с диаметром волокна 10-15 мкм и длиной 100-150 мм плотностью 30 кг/м и толщиной 20 мм (4); четвертый внутренний слой из базальтового волокна с диаметром волокна 6-12 мкм и длиной 150-200 мм плотностью 200 кг/м толщиной 10 мм (5).
Предлагаемый материал может быть использован для тепло- и огнезащиты вентиляционных систем высотных зданий, нефтяных резервуаров элементов нефтепроводов.
3
На фиг.2(а) изображен предлагаемый материал по п.2, в случае его выполнения двухслойным: внешний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,09 мм (1) и внутренний слой из базальтового волокна с диаметром волокна 2-4 мкм и длиной 80-150 мм (2) плотностью 170 кг/м и толщиной 20 мм, при этом использовано базальтовое волокно по ГОСТу 9479-98.
Предлагаемый материал может быть использован для тепло- и огнезащиты вентиляционных систем, узлов металлоконструкций зданий.
3
3
На фиг.2(б) изображен предлагаемый материал по п.2, в случае его выполнения пятислойным: внешний слой из фольги из нержавеющей стали толщиной 0,04 мм (1), первый внутренний слой из муллитокремнеземистого волокна с диаметром волокна 1-7 мкм и длиной 20-50 мм плотностью 250 кг/м и толщиной 12 мм (2), при этом использовано муллитокремнеземистое волокно по ГОСТу 23619-79, второй внутренний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,05 мм (3); третий внутренний слой из базальтового волокна с диаметром волокна 2-4 мкм и длиной 80-150 мм плотностью 170 кг/м и толщиной 60 мм (4); четвертый внутренний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,07 мм (5).
Предлагаемый материал может быть использован для тепло- и огнезащиты вентиляционных систем высотных зданий, нефтяных резервуаров элементов нефтепроводов.
3
3
3
На фиг.2(в) изображен предлагаемый материал по п.2, в случае его выполнения пятислойным: внешний слой из вольфрамовой фольги толщиной 0,04 мм (1), первый внутренний слой из муллитокремнеземистого волокна с диаметром волокна 1-7 мкм и длиной 20-50 мм плотностью 1000 кг/м и толщиной 5 мм (2), при этом использовано муллитокремнеземистое волокно по ГОСТу 23619-79, второй внутренний слой из фольги из нержавеющей стали толщиной 0,04 мм (3); третий внутренний слой из муллитокремнеземистого волокна с диаметром волокна 1-10 мкм и длиной 100-150 мм плотностью 320 кг/м и толщиной 25 мм (4); четвертый внутренний слой из алюминиевой фольги толщиной 0,5 мм (5), пятый внутренний слой из базальтового волокна с диаметром волокна 6-12 мкм и длиной 150-200 мм плотностью 30 кг/м и толщиной 100 мм (6).
Предлагаемый материал может быть использован для тепло- и огнезащиты элементов технологического и энергетического оборудования наземного, водного, подводного, воздушного транспорта.
Таким образом, количество слоев материала зависит от условий его использования или от условий возможного пожара.
Предлагаемый материал прошел испытания на огнезащитную эффективность в соответствии с нормами пожарной безопасности НПБ-236-97 в качестве средства огнезащиты для различных стальных конструкций путем облицовки объекта. Под огнезащитной эффективностью понимается сравнительный показатель средства огнезащиты, который характеризуется временем в минутах от начала огневого испытания до достижения критической температуры (500°С) стандартного образца стальной конструкции с огнезащитой. При этом огнезащитная эффективность подразделяется на пять групп: 1-я - не менее 150 мин; 2-я - не менее 120 мин; 3-я - не менее 60 мин; 4-я - не менее 45 мин; 5-я - не менее 30 мин. Сущность метода определения огнезащитной эффективности заключается в определении, в соответствии с существующими нормами, огнезащитной эффективности материала при тепловом воздействии на опытный образец и определении времени от начала теплового воздействия до наступления предельного состояния образца. За предельное состояние принимается достижение критической температуры опытного образца с огнезащитным покрытием, равной 500°С. При этом регистрируется поведение огнезащитного покрытия (обугливание, выделение дыма, продуктов горения). В качестве образцов, на которые был нанесен огнезащитный материал, использовались стальные колонны двутаврового сечения профиля №20 по ГОСТу 8239, высота образца составляла (1700±10) мм. Испытания проводились на установке для теплофизических исследований и испытаний малогабаритных фрагментов плоских конструкций и отдельных узлов их стыковых сопряжений и закреплений в соответствии с требованиями к испытательному оборудованию и средствам измерений по ГОСТ 30247.0.
По результатам испытаний предлагаемый материал по огнезащитной эффективности может быть отнесен к первой группе, поскольку предельное состояние опытного образца наступает через 150-210 мин. Но при необходимости можно достичь любой группы огнезащиты путем набора определенных слоев материала.
Предлагаемый огне- и теплозащитный материал, являясь эластичным, может быть использован как в виде плоского полотна, так и в виде рулонов.
Предлагаемый огне- и теплозащитный материал обеспечивает длительную огнезащиту в условиях пожара любой сложности.