К.х.н. Анисимова С.В.

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Модификация жидкого стекла полимерными водными дисперсиями в огнезащитных составах

Традиционно эффективной основой составов, применяемых в огнезащите, выступает жидкое стекло (ЖС), обладающее способностью при высоких температурах реагировать с наполнителями с образованием огнестойких соединений. Покрытия на основе этого неорганического вяжущего обладают огнезащитной эффективностью от 45 мин до 2,5 ч при толщине покрытия от 5 до 65 мм. Однако, вследствие высокой плотности, огнезащитные материалы на основе ЖС заметно утяжеляют конструкции, а также отличаются повышенной хрупкостью и значительной усадкой при высушивании и возможном увлажнении. Для них свойственна высокощелочная реакция среды (рН 11-12), что является причиной разрушения грунтовочных составов на металле с отслаиванием покрытий от поверхности конструкции. Поэтому применение таких составов для огнезащиты металла ограничено.

Но ЖС незаменимо в качестве основы клеевых композиций, использующихся в комбинированных системах огнезащиты для крепления теплоизоляционных или экранирующих материалов (базальтовых волокнистых материалов, гипсоволокнистых (ГВЛ) и стекломагнезитовых (СМЛ) листов, асбестоцементных изделий и т.п.) .

Целью настоящей работы было создание клеевых композиций на основе ЖС и полимерных водных дисперсий (ПВД). Введение полимерной модифицирующей добавки предполагало решение следующих задач:

- увеличение липкости и схватывания клеевого слоя при монтаже экранирующих материалов с металлическими поверхностями:

- возможность корректировок при монтаже конструкций;

- снижение щелочности композиции для предотвращения реакционоспособности клея по отношению к грунтовочным составам;

- снижение средней плотности композиции;

- сохранение монтажных свойств состава при температурах до -10°С;

- сохранение адгезии клеевого соединения в условиях высокотемпературных воздействий;

- придание эластичности и водостойкости клеевому шву.

Известно, что ПВД являются термодинамически неустойчивыми системами: полимер, находится в виде частиц-глобул размером 0,1 ...0,3 мкм, стабилизированных поверхностно-активными веществами. При действии электролитов (каковым является и гидрозоль ЖС - водный раствор силиката натрия или калия), может происходить десорбция стабилизаторов с поверхности дисперсных частиц с образованием крупных сгустков полимерного коагулюма. Поэтому, прежде всего, была актуальна проверка совместимости ПВД с минеральным вяжущим.

Для исследований выбраны ПВД промышленного производства с различным типом стабилизации, различного сополимерного состава, дисперсностью от 70 до 300 нм, с рН от 4,0 до 9,0. Как и следовало ожидать, прямое введение любой из выбранных ПВД в ЖС в количестве от 1 до 10% приводило к мгновенному выпадению полимерной фазы. При введении ЖС (даже в виде разбавленного водой до концентрации 5% раствора) в ПВД в количествах до 1% вызывало резкое загущение композиции, а при дальнейшем добавлении ЖС также наступала необратимая коагуляция дисперсии.

Коагуляция была предотвращена только после направленной предварительной модификации ЖС при введении коллоидного агента в количестве от 0,5 до 1%. Полученный эффект объяснен влиянием добавки на структуру коллоидных частиц гидрогеля силиката натрия, возможностью реагирования гидроксильных групп ортокремниевой кислоты с изменением их ионизации. Контролируемый рН среды снижался незначительно на 0,2-0,4 единиц. Модифицированное ЖС совмещается со всеми изученными ПВД в соотношениях от 99:1 до 75:25 (для диапазона использования в клеевых композициях для огнезащиты). Отмечено, что при использовании в композициях ПВД с рН>7,5 при смешении выделяется аммиак, вводимый в состав дисперсий для регулирования стабильности на стадии их синтеза. Это нежелательно при проведении огнезащитных работ на поверхностях большой площади. Поэтому создание композиций проводилось с использованием ПВД с рН<6,0, что одновременно снизило рН среды ЖС-ПВД на 0,5-1,0 единиц. В качестве полимерной основы выступали акриловые или винилацетат-акриловые сополимеры с температурой стеклования от +5 до -36°С. Это позволило при высыхании получить пленки основы создаваемых композиций, отличающиеся заметной эластичностью, причем, бесспорно, чем выше содержание ПВД и меньше температура стеклования сополимера, тем пленка более эластичнее. Стойкость основы клеевых композиций к замораживанию обеспечена при введении антифризов, применяемых для водно-дисперсионных систем.

При приготовлении композиций в смесь ЖС и ПВД были добавлены наполнители (молотый кварц, тальк, каолин) для преодоления усадочных явлений при высыхании. Степень наполнения и соотношения компонентов варьировалась для установления оптимального состава клеев, с учетом коллоидно-химических (вязкость, устойчивость к седиментации) и эксплуатационных свойств (средняя плотность, толщина нанесения, время схватывания, время высыхания).

Для характеристики огнезащитных свойств – прогнозирования состояния клеевого шва в условиях пожара - выполнены испытания с использованием установки, где образцы защищенного помещались в испытательную печь с температурой 900°С. При обследовании состояния комплексной защиты металла при фиксации материала базальтового огнезащитного рулонного толщиной 5 мм клеем оптимального состава (при расходе 200 г/м²) на металлических пластинках отмечалось замедленное нарастание температуры и достижение 500°С за 14-16 мин. (для незащищенного металла – 6 мин.). При осмотре образцов после испытаний нарушений клеевых соединений не обнаружено. Разработанный клей рекомендован к применению в комплексных системах огнезащиты металлических конструкций.