Разработка составов полимерных заливочных гидрогелей для создания огнестойких светопрозрачных (стр. 3 из 3)

Разрушение гидрогеля начинается с удаления связанной воды. Потери массы на этой стадии составляют 53%, табл. 4, доля воды в гидрогеле 57% (рис. 5). В интервале температур 260 – 330⁰С протекают эндотермические реакции дегидратации ПВС и декарбоксилирования ПАК (рис. 6).

Суммарная энергия активации этих процессов составляет Е_а = 9,5 кДж/моль. Эта энергия ниже, чем при деструкции индивидуальных компонентов, что объясняется активирующим влиянием протонов, образующихся при диссоциации ФК на процессы отщепления карбоксилов. В интервале температур 290-470⁰С происходит деструкция основных полимерных цепей, кипение ФК и процессы структурирования. Суммарная энергия активации таких процессов составляет – 318,9 кДж/моль. При температурах 470-670⁰С завершаются процессы структурирования и формирования кокса, который разрушается при температуре более 670⁰С.

Определение скорости распространения пламени по поверхности образца полимерного геля №15, при воздействии пламени газовой горелки сверху и снизу показало, что вследствие наличия значительной доли воды в геле, его возгорание не происходило. Образец не воспламеняется также при любом содержании кислорода в кислород-азотной смеси (КИ 100%). Однако при длительном воздействии пламени, под влиянием высоких температур, из образца геля удаляется вода, полимерная матрица подвергается деструкции и по истечении 90 с начинается образование кокса. В процессе деструкции геля образуется твёрдый, пористый коксовый остаток.

Потери массы при поджигании вертикально расположенных образцов на воздухе составляют 0,4%.

Светопрозрачность стеклоблоков с прослойкой из разработанного гидрогеля соответствует техническим условиям на многослойные стёкла.

Поскольку разработанный гидрогель содержит более 60% масс. воды, то при воздействии отрицательных температур происходит временная, обратимая при положительных температурах, потеря прозрачности конструкции на его основе. Поэтому стеклоконструкции на основе разработанного гидрогеля рекомендуются к применению во внутреннем противопожарном остеклении в качестве светопрозрачных огнестойких перегородок и дверей. Кроме того, очень важно, что при деструкции гидрогеля практически отсутствует дымообразование.

Строительные конструкции на основе полимерного гидрогеля испытывали по ГОСТ 30247.0-94. Исследуемыми параметрами были Е - сохранность целостности конструкции и I – теплоизолирующая способность конструкции. Для испытаний были изготовлены многослойные стёкла по ТУ 5271-002-40419855-2002 габаритным размером Н×В=500×500 мм (Н – высота, В – ширина). С целью определения влияния конструкции на огнестойкость многослойного стекла были изготовлены стеклоблоки, в которых изменялось количество гелевых и воздушных прослоек, их расположение и расположение обычных и термоупрочненных стёкол (рис. 7, 8, 9). Результаты испытаний приведены на рис. 10.

При разрушении всех стёкол в стеклоблоках появляются трещины, образующие замкнутые сферы, по которым впоследствии идет обрушение стекла. Кокс, образуемый гелем, имеет рыхлую пористую структуру.

В конструкции стеклоблока №1 не использовались термоупрочнённые стёкла, так как предполагалось, что наличие трёх гелевых и двух воздушных прослоек должно обеспечивать медленный нагрев наружного стекла и возможность релаксации остаточных напряжений с повышением его термостойкости (отжиг), однако удаление воды из геля протекает в интервале температур 25–260⁰С и такие температуры не позволяют наружному стеклу отжечься. После удаления всей связанной воды происходит быстрый рост температуры, который приводит к разрушению стекла. Однако разрушение стеклоблока происходит ступенчато. Сначала разрушается ближнее к пламени стекло, потом сравнительно медленно удаляется вода из гелевой прослойки, гель быстро карбонизируется, начинается его деструкция и температура возрастает, вследствие чего разрушается следующее стекло.

Потом весь цикл повторяется, пока не разрушится последнее стекло. Кокс обладает невысокой адгезией к стеклу, и образует прослойки между стёклами, практически со стеклом не связанные. В них имеются разрывы и трещины. После обрушения стекла гель не может самостоятельно сохранять целостность. Вместе с тем данная конструкция имеет достаточно высокий класс огнестойкости EI 32/32.

Для повышения огнестойкости изготовлена конструкция №2 с применением термоупрочнённого стекла и конструкция №3, аналогичная №2, но с гелевыми прослойками с толщиной, увеличенной с 1 мм (№1, 2) до 2 мм. Конструкция №2 имеет высокий показатель по признаку целостности (не менее 47 мин), но время потери изолирующей способности – 27 мин. Конструкция №2 имеет класс огнестойкости EI 47/27. Следует отметить, что термоупрочнённые стекла в процессе испытания дополнительно отжигаются.

В конструкции №3, вследствие увеличенной толщины гелевой прослойки, образуется плотный слой кокса толщиной до 4 мм. Такой кокс позволяет обеспечивать низкую теплопроводность и целостность коксового слоя даже после обрушения стекла. Однако термоупрочнённое стекло находится в слишком мягких условиях и не успевает дополнительно «отжечься», вдобавок к этому, разрушающее усилие, возникающее при испарении связанной воды, значительно выше, чем в конструкциях с толщиной геля 1 мм. Всё это приводит к разрушению наружного стекла на 23-й минуте испытаний. Конструкция №3 имеет класс огнестойкости EI 23/23.

Следовательно, для использования рекомендуется конструкция №2, не допускающаяся распространения локально возникающего пожара и обеспечивающего эвакуацию людей в течение 47 минут.

В четвёртой главе предложена технологическая схема приготовления гидрогеля и производства многослойного стекла на его основе.

ВЫВОДЫ

1. Разработаны составы заливочных гидрогелей, обеспечивающие создание светопрозрачных огнестойких конструкций.

2. Определены рациональные подходы к выбору компонентов гидрогелей и критерии их применимости (вязкость и её стабильность во времени, светопрозрачность, коксообразующая способность, отсутствие коагуляции при совмещении компонентов) в зависимости от состава гелей.

3. Для составов на основе полиакриламида и фосфорсодержащих полиспиртов установлена зависимость вязкости, её стабильности во времени и прозрачности от соотношения компонентов и вида полиспиртов. Определено поведение гелей в условиях высокотемпературного нагрева и доказана способность гелей к коксообразованию. Установлены причины снижения вязкости во времени, не позволяющие использовать данные составы для создания стеклоконструкций с длительным сроком эксплуатации.

4. Для гелей с полимерной матрицей на основе ПВС по реологическим свойствам и склонности составов к коагуляции определено оптимальное соотношение ПВС, фосфорной кислоты и воды изучено поведение их в условиях пиролиза и пожара и установлено разрушение геля и его вытекание из конструкции в условиях пожара.

5. Доказана возможность регулирования коагуляции гидрогелей на основе водного раствора акрилатов аммония и силикатов щелочных металлов изменением состава гидрогелей и оценено, с использованием метода ИКС, взаимодействие компонентов. Установлен класс огнезащиты многослойных стёкол на основе данного гидрогеля.

6. Доказано наличие химического взаимодействия компонентов в геле на основе акриловой кислоты методом ИКС, титрометрическим и экстракционным методами. Установлены параметры полимеризации и исследовано влияние технологических параметров получения геля на наличие дефектов в его структуре. Исследованы физико-химические процессы, происходящие в геле при нагреве в интервале температур 20-1000⁰С и в условиях прямого контакта с пламенем. Доказана при масштабных испытаниях (ГОСТ 30247.0-94) и с учётом требований Московских городских строительных норм (МГСН 4.04-94) возможность применения разработанных стеклоблоков в обычных зданиях высотой до 150 м.

7. Разработана технологическая схема получения многослойных конструкций на основе гидрогелей.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Бурмистров И. Н. Выбор составов и исследование свойств заливочных гелей / И. Н. Бурмистров, Е. О. Бычкова, Л. Г. Панова // Сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. «Композит-2004». – Саратов: СГТУ, 2004. – С. 139-142.

2. Бурмистров И. Н. Исследование свойств заливочных гидрогелей / И. Н. Бурмистров, Л. Г. Панова // Сб. докл. Междунар. науч.-техн. симпозиума Восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям «Композиты XXI века». – Саратов: СГТУ, 2005. – С. 22-26.

3. Бурмистров И. Н. Анализ взаимодействия компонентов в заливочных гидрогелях. / И.Н. Бурмистров, Л.Г. Панова // Физико-химия процессов переработки полимеров: сб. материалов III Всерос. науч. конф. (с междунар. участием). – Иваново:: Иванов. хим.-технолог. ун-т, 2006. – С. 70-71.

4. Бурмистров И. Н. Исследование поведения заливочных гидрогелей при воздействии высоких температур / И. Н. Бурмистров, Л. Г. Панова // Вестник СГТУ. – 2006. – №4. Вып. 1. – С. 30-33.

5. Бурмистров И. Н. Исследование поведения заливочных гидрогелей при воздействии высоких температур / Е. С. Егина, И. Н. Бурмистров // Вестник СГТУ. – 2006. – №4. Вып. 1. – С. 38-41.