UWAGA! Niniejsza strona wykorzystuje pliki cookies. Informacje uzyskane za pomocą cookies wykorzystywane są głównie w celach statystycznych.
Pozostając na stronie godzisz się na ich zapisywanie w Twojej przeglądarce. Akceptuję ciasteczka
Logo Chemical Online
Centra Biznesu: Centrum Tworzyw | Centrum Wtrysku
Nagrody Przemysłu Tworzyw: Polymer Prosperity | Lider Innowacji
Organizacje Przemysłu Tworzyw: Klub Technologa | Klub Termoformingu | Klub Dystrybutora
Inne Serwisy: Chemical | Rubber | Composites

Powłoki ogniochronne

09.03.2006 21:01:25

Głównym celem powłok ogniochronnych jest opóźnianie zapalenia się pokrytych nimi materiałów poprzez zmniejszenie rozprzestrzenia się płomienia. Ograniczają one także dopływ ciepła do podłoża, zapobiegając ich gwałtownemu przegrzewaniu się poprzez utworzenie warstwy izolacyjnej i w ten sposób również działają ogniochronnie. Istnieje wiele różnych typów powłok do ochrony podłoża przed ogniem.
Marzena Nowicka-Nowak

Ogólnie powłoki ogniochronne, ze względu na mechanizm ich działania, można podzielić na pęczniejące i wolno rozprzestrzeniające płomień [1,2]. Powłoki pęczniejące pod wpływem ognia tworzą warstwę izolującą powierzchnię przed działaniem wysokiej temperatury. Pod wpływem temperatury powłoka staje się plastyczna i wydziela obojętne chemicznie gazy. Gazy te powodują przekształcenie powłoki w porowatą warstwę o grubości 30-, 50-krotnie przekraczającej grubość początkową. Miękka, półpłynna warstwa ulega zwęgleniu i zestala się tworząc izolację cieplną. Powłoki tego typu znajdują zastosowanie w ochronie konstrukcji stalowych, a także innych materiałów takich jak: drewno, tworzywa sztuczne, tekstylia.
Powłoki wolno rozprzestrzeniające płomień spowalniają rozprzestrzenianie się płomienia i wytwarzanie dymu. Zawierają one substancje chemiczne, które w podwyższonej temperaturze łatwo się rozkładają z wydzieleniem niepalnych gazów hamujących reakcje rozprzestrzeniania się ognia. Powłoki takie stosuje się do pokrywania ścian, sufitów, a także materiałów łatwopalnych, takich jak drewno czy tworzywa.
Wśród lakierowych wyrobów ogniochronnych większy udział mają farby wolno rozprzestrzeniające płomień niż pęczniejące pomimo, że pęczniejące zapewniają lepszą ochronę podłoża przed ogniem [3].

Powłoki pęczniejące
Mechanizm działania powłok pęczniejących w procesie spalania składa się z kilku etapów. W pierwszym etapie zachodzi rozkład środka odwadniającego z wydzieleniem kwasu z jego soli amonowej lub estru. Powstały kwas reaguje ze składnikiem dostarczającym węgiel, zachodzi tu estryfikacja grup hydroksylowych substancji zwęglającej się w obecności odpowiedniego katalizatora. Przy dalszym wzroście temperatury zachodzi rozkład estrów z utworzeniem węgla, wolnego kwasu, wody i dwutlenku węgla. Powstały kwas ponownie reaguje z grupami hydroksylowymi substancji zwęglającej się i równolegle z rozkładem estru następuje rozkład środka porotwórczego, co w efekcie daje porowatą grubą warstwę izolacyjną. Powstała spieniona warstwa porowata doskonale izoluje dostęp zarówno ciepła jak i tlenu chroniąc tym samym zabezpieczany materiał przed działaniem ognia [4].
Stosowanie powłok pęczniejących jest jednym z najskuteczniejszych sposobów zabezpieczania materiałów palnych przed działaniem ognia. Powłoki takie posiadają wiele zalet, między innymi dla zapewnienia skutecznej ochrony przeciwpożarowej w określonym czasie wystarczające jest nałożenie stosunkowo cienkiej warstwy. Grubość powłoki ustala się w zależności od współczynnika masywności zabezpieczanego elementu oraz żądanej klasyfikacji odporności ogniowej. Wykazują one zdolność pęcznienia pod wpływem ognia i stwarzania zapory przed dostępem płomieni i tlenu do podłoża, zabezpieczają więc przed możliwością rozkładu termicznego odgrywającego decydującą rolę w rozwoju procesu palenia się. W czasie pożaru powłoki tego typu pęcznieją w postaci grubej spienionej warstwy o strukturze silnie porowatej, która izoluje chronioną powierzchnię przed nadmiernym nagrzaniem, a co za tym idzie przed utratą jej wytrzymałości. Jednocześnie powstają związki i gazy zdolne do tłumienia ognia i obniżające temperaturę powierzchni podłoża [5]. Mechanizm ten przedstawiono schematycznie na rysunku. [6]

Składniki farb pęczniejących
Podstawowe składniki farb pęczniejących to:
– baza błonotwórcza,
– składnik dostarczający węgiel – środek tworzący warstwę zwęgloną,
– katalizator – środek odwadniający,
– środek uniepalniający – środek porotwórczy (spieniający) [3].
Baza błonotwórcza w farbach pęczniejących spełnia szereg ważnych funkcji, zwłaszcza w procesie zwęglania i tworzenia piany. Żywice wchodzące w skład bazy błonotwórczej powinny być odpowiednio elastyczne, by nie dławiły pęcznienia. Dobre efekty dają żywice termoplastyczne, mięknące podczas ogrzewania. W farbach pęczniejących znalazły zastosowanie spoiwa oparte na chlorokauczuku, który mięknie i rozkłada się poniżej temperatury aktywacji czynnika spęczniającego, posiada zdolność tworzenia w temperaturze aktywacji stabilnej spienionej warstwy izolacyjnej oraz jest niepalny [7]. Jako spoiwa wykorzystuje się także kopolimery chlorku winylidenu, kopolimery winylowe, żywice melaminowo – formaldehydowe, epoksydowe oraz lateksy akrylowe.
Składnik dostarczający węgiel tworzy szkielet węglowy warstwy ogniochronnej i powinien być bardziej stabilny termicznie, niż katalizator. Najczęściej w farbach ogniochronnych stosuje się pentaerytryt lub dipentaerytryt. W niektórych recepturach używana jest również skrobia. Inne popularne źródła substancji chemicznych zwęglających się, stosowane w powłokach organicznych to glukoza, maltoza, arabinoza. Z alkoholi wielowodorotlenowych używa się także erytryt, arabid, sorbid, a także polifenole jak rezorcyna, czy krochmal.
Katalizator, czyli środek odwadniający, dostarcza kwas fosforowy, który rozkłada się dając produkty wymagane do modyfikacji pirolizy związków, będących źródłem węgla. Katalizator powinien zawierać dużą ilość fosforu i rozkładać się do kwasu fosforowego w temperaturze niższej od temperatury zwęglania. Zastosowanie znajdują tutaj sole kwasu fosforowego lub polimery tych soli [3]. Środek odwadniający uwalnia kwas fosforowy, który tworzy estry, reagując z grupami hydroksylowymi składnika dostarczającego węgla, np. pentaerytrytu. Początkowo jako środek odwadniający używany był fosforan amonu, ze względu na dobre właściwości tworzenia izolacyjnej powłoki ogniochronnej. Jednak w środowiskach wilgotnych powłoki zawierające fosforan amonu, na skutek dużej rozpuszczalności soli, traciły swoje właściwości pęczniejące. Pogarszał się również wygląd powłok. Dobrym i najczęściej stosowanym katalizatorem okazał się polifosforan jedno- lub dwuamonowy. Zastosowanie w farbach pęczniejących znalazły również fosforan melaminy i boran melaminy. Fosforan melaminy zapewnia lepszą przyczepność spęcznionej warstwy do podłoża, natomiast boran melaminy zapewnia sztywność i twardość warstwy. Sole melaminy zmniejszają również ilość wydzielającego się dymu.
Chemiczne środki spieniające (środki porotwórcze, porofory) są modyfikatorami, w których pod wpływem podwyższonej temperatury następuje rozpad organicznych lub nieorganicznych wiązań chemicznych. Wydzielają się przy tym niepalne gazy, które powodują spęcznienienie polimeru tworząc pienistą strukturę. Te procesy rozkładu przebiegają najczęściej egzotermicznie i są z reguły nieodwracalne. Środki spieniające to najczęściej związki zawierające azot, np.: melamina, dicyjanoamina lub częściowo halogenowane związki organiczne, np. chlorowane parafiny [8]. W organicznych powłokach pęczniejących jako porofory stosuje się między innymi dwucjanodwuamid, guanidynę, glicynę, mocznik. Związki zawierające halogenki, takie jak chlorowane parafiny, spełniają w powłokach pęczniejących dwie funkcje. Chlor pod wpływem ciepła wydziela się w postaci chlorowodoru, który działa zarówno jako środek spęczniający jak i opóźniający palenie, natomiast węgiel ze związków parafinowych zwiększa ilość węgla potrzebnego do utworzenia się warstwy zwęglonej.
Wymienione powyżej podstawowe składniki farb ogniochronnych nie mogą być dobierane dowolnie. Termiczny rozkład poszczególnych składników farby musi następować w określonej kolejności. Środek odwadniający (katalizator dehydratacji) musi rozkładać się w temperaturze bliskiej temperatury rozkładu środka porotwórczego. Jeśli temperatura rozkładu środka porotwórczego jest znacznie wyższa od temperatury rozkładu katalizatora utworzy się warstwa zwęglona niespęczniona, nieposiadająca gąbczastej struktury, a tym samym niewykazująca niskiej przewodności ciepła. Jeśli natomiast temperatura rozkładu środka porotwórczego jest zbyt niska, gazy uwalniają się zanim utworzy się warstwa zwęglona [3].
Opracowano także związki wykazujące właściwości samopęcznienia. Spełniają one jednocześnie rolę źródła substancji węglowej i środka porotwórczego [9,10]. Są to m. in. siarczan nitroaniliny i sulfanilimidy. Siarczan nitroaniliny pęcznieje na skutek reakcji egzotermicznej, w związku z czym nie nadaje się do powłok ogniochronnych. Reakcja pęcznienia sulfanilimidów jest endotermiczna, jednak wytworzona piana ma gorsze właściwości izolacyjne i odporność na działanie ognia, niż piana utworzona na skutek wzajemnego oddziaływania trzech omówionych wyżej, tradycyjnych składników powłok pęczniejących.

Powłoki wolno rozprzestrzeniające płomień
Powłoki wolno rozprzestrzeniające płomień są pokryciami, które absorbują energię i przy podwyższaniu temperatury ulegają częściowemu topieniu się lub sublimacji, w wyniku czego zahamowany zostaje strumień ciepła do chronionej powierzchni. Odpowiednia receptura i niska przewodność cieplna powoduje, że reakcja ta zachodzi jedynie w cienkiej warstwie powłoki. Zadaniem tego rodzaju powłok jest opóźnianie zapalenia się materiałów, na które są nałożone. Powłoki te powinny charakteryzować się zdolnością do spowalniania rozprzestrzeniania się płomienia po powierzchni, a także nie mogą dostarczać paliwa do procesu spalania [11].
W procesie spalania, w większości przypadków, biorą udział następujące reakcje rodnikowe:
Powłoki, o których mowa, mogą opóźniać lub tłumić proces spalania poprzez działanie fizyczne lub chemiczne. Działanie fizyczne może polegać na oziębianiu podłoża na skutek reakcji endotermicznych albo "rozcieńczaniu" substancji palnych inertnymi pigmentami i wypełniaczami lub wytwarzanymi w procesie spalania niepalnymi gazami. Działanie chemiczne może zachodzić w fazie gazowej lub stałej. Działanie w fazie gazowej polega na zakłócaniu reakcji rodnikowych, biorących udział w procesie spalania. Działanie w fazie stałej może zachodzić wg dwóch mechanizmów. Pierwszy to przyspieszanie rozkładu polimeru, a tym samym usuwanie paliwa ze strefy ognia, drugi to tworzenie odpornej na wysokie temperatury warstwy węglowej na powierzchni, utrudniającej dostęp tlenu do podłoża. W fazie gazowej działają powszechnie stosowane w powłokach środki opóźniające palenie oparte na chlorze lub bromie. Zakłócają one reakcje rodnikowe poprzez usuwanie wysokoenergetycznych, tworzących się podczas rozpadu łańcucha rodników OH* i H* i zastępowanie ich niskoenergetycznymi rodnikami X* (Cl lub Br).
Jeden z proponowanych mechanizmów jest następujący:
W reakcjach bierze udział zarówno powstały w czasie rozpadu chlorowca rodnik X*, jak i halogenek HX. W fazie gazowej działa również bardzo skuteczny w połączeniu ze związkami halogenowymi trójtlenek antymonu, w podobny sposób zakłócając reakcje rodnikowe.
Przykładem środków opóźniających palenie w fazie stałej są związki fosforu. Środki te rozkładają się termicznie do kwasu fosforowego, który hamuje reakcje pirolizy, umożliwiając tworzenie się warstwy węglowej, odpornej na wysokie temperatury i utrudniającej dostęp tlenu do podłoża. Efekt zwęglania wzmacniany jest tworzącym się, obok kwasu fosforowego, fosforowodorem, który zapobiega utlenianiu węgla do CO i CO2. Związki fosforu mogą również działać w fazie gazowej, np. tlenek trifenylofosfiny. Stwierdzono, że związek ten rozkłada się do gazowego HPO, który katalizuje rekombinację H* do H2 [12,13].
Mechanizm ogniochronnego działania powłok zależy od składu farby, a głównie od zastosowanego środka opóźniającego palenie.

Dziedziny zastosowań
powłok ogniochronnych

Powłoki zabezpieczające przed działaniem ognia mają dość szeroki zakres zastosowań. Najważniejsze dziedziny, w których stosuje się tego typu powłoki to:
• budownictwo zarówno przemysłowe jaki i mieszkaniowe,
• przemysł chemiczny i petrochemiczny,
• środki transportu,
• przemysł obronny,
• energetyka.

Ogólnie rzecz ujmując, ochrona ogniowa dotyczy głównie ochrony materiałów, jakie są stosowane w poszczególnych gałęziach przemysłowych. Głównie chodzi tu o zabezpieczenia stali, stopów aluminium i innych metali, zabezpieczenia kompozytów, tworzyw sztucznych, włókien syntetycznych naturalnych i oczywiście ochronę drewna.

Do konstrukcji stalowych
Cechą konstrukcji stalowych wykonanych z powszechnie stosowanej stali węglowej jest bardzo szybkie nagrzewanie się podczas pożaru (800-1200 st. C). Pod wpływem ognia stal uplastycznia się, co powoduje jej odkształcenia, utratę stabilności konstrukcji i w efekcie jej zawalenie się. Krytyczna temperatura rzędu 450-550 st. C osiągana jest w zasadzie już po 4-5 minutach pożaru.
System ogniochronny przeznaczony do ochrony stali oparty na farbie składa się z kilku warstw:
• podkładowej – farby antykorozyjnej,
• zasadniczej – powłoki pęczniejącej,
• zabezpieczającej – farby nawierzchniowej.
Na warstwę farby podkładowej nakłada się powłokę pęczniejącą będącą istotą systemu ogniochronnego. Grubość nakładanej warstwy farby jest uzależniona od funkcji zabezpieczanego elementu konstrukcyjnego oraz rodzaju profilu i jego przekroju (współczynnik masywności elementu). Warstwa nałożonej na element konstrukcyjny farby pochłania promieniowanie cieplne dzięki zachodzącym w niej reakcjom chemicznym i w ten sposób nie dopuszcza do nagrzewania się stalowego podłoża. Większość systemów działa podczas pożaru na zasadzie wytworzenia piany pochłaniającej energię. Jest to typowo mechaniczna ochrona, wykorzystująca właściwości termoizolacyjne. Wydzielające się w farbie gazy tworzą strukturę porowatą, która ogranicza dostęp ciepła do wewnątrz. Dzieje się to w przedziale temperatur ok. 200-250 st. C. Ulegają wtedy rozkładowi substancje powodujące pęcznienie. Powłoka farby mięknie i zaczyna puchnąć. Powstaje warstwa spieniona, która izoluje chronioną konstrukcję. Dalsze nagrzewanie w czasie (temperatura 330-350 st. C) powoduje, w niektórych systemach, rozkład związków pochłaniających duże ilości energii. Jest to typowa reakcja endotermiczna. Energia pochłaniana jest ze strony zewnętrznej (strona ognia), jak i wewnętrznej (czyli elementu konstrukcyjnego). Ostatnią powłokę stanowi farba nawierzchniowa. Jej zadaniem jest uszczelnienie systemu oraz zabezpieczenie przed negatywnym oddziaływaniem środowiska.

Do drewna
Drewno jest materiałem palnym, niezależnie od gatunku, natomiast stopień palności drewna zależy od jego właściwości fizycznych, głównie od gęstości pozornej i wymiarów wyrobów. Główną przyczyną palenia się drewna i materiałów drewnopodobnych jest wydzielanie się gazów pod wpływem nagrzania. Mogą się one zapalać od płomienia zewnętrznego lub samorzutnie. Techniczny rozkład drewna zaczyna się przy 105 st. C, a długotrwałe działanie tej temperatury powoduje zwęglenie się drewna i wydzielenie gazów palnych jak wodór, metan, etan. W podwyższonej temperaturze zwiększa się intensywność rozkładu drewna oraz wydziela się więcej gazów palnych. W temperaturze 110 – 115 st. C drewno żółknie, a w temperaturze 150 – 200 st. C brązowieje, zwęgla się, przy czym do 270 st. C proces rozkładu drewna przebiega z pochłanianiem z zewnątrz ciepła. Z chwilą osiągnięcia punktu zapalenia drewno przestaje pobierać ciepło i zaczyna go wydzielać. Dla większości gatunków drewna temperatura zapalenia wynosi 250 – 300 st. C. Temperatura samozapalenia bez dostępu płomienia waha się od 330 – 470 st. C.

Zadaniem powierzchniowych środków ogniochronnych obniżających stopień palności drewna i wyrobów drewnopochodnych jest:
• opóźnianie momentu zapalenia się materiału,
• redukcja szybkości powierzchniowego rozprzestrzeniania się płomieni,
• redukcja intensywności spalania się materiałów łatwo zapalnych.

Zapewnienie wymaganej klasy odporności pożarowej elementów obiektu można osiągnąć różnymi środkami, jednak zastosowanie farb ogniochronnych pomimo, że nie należy do rozwiązań tanich, jest wyjątkowo estetyczne i pozwala uzyskać wysoką jakość powierzchni.

Od ogniochronnych wyrobów lakierowych wymaga się, aby:
• były nieszkodliwe dla ludzi i zwierząt,
• nie wydzielały substancji toksycznych zarówno podczas normalnej eksploatacji jak i w warunkach pożarowych,
• nie zmieniały barwy zabezpieczanego materiału,
• nie pogarszały właściwości mechanicznych drewna,
• zachowywały swe właściwości ochronne przez co najmniej trzy lata.

Istnieje wiele rodzajów farb spełniających funkcje ogniochronne. Różnorodność farb tego typu związana jest różnymi wymaganiami stawianymi powłokom (rodzaj podłoża, warunki eksploatacji). Do tej pory nie znaleziono idealnej powłoki zapewniającej długotrwałą ochronę podłoża przed działaniem czynników zewnętrznych, a jednocześnie charakteryzującej się doskonałymi właściwościami opóźniającymi palenie, hamowaniem wydzielania się dymu i toksycznych gazów.

W Polsce większość dostępnych na rynku farb pochodzi z importu lub jest produkowana na licencjach zagranicznych. Na rynku dostępne są różnego rodzaju systemy farb ogniochronnych, przystosowane do określonych warunków. Wybierając system dla zabezpieczanej konstrukcji, należy zwrócić uwagę na wiele czynników mających wpływ na trwałość powłoki i jej prawidłowe funkcjonowanie.


Autorka reprezentuje Instytut Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych "Metalchem".
Oddział Zamiejscowy Farb i Tworzyw

drukuj ten artykuł drukuj ten artykuł  |   poleć artykuł znajomemu poleć artykuł znajomemu
Najświeższe informacje w kanale RSS Najświeższe informacje w kanale RSS (jak używać)