Scienty

Научный и технологический прогресс способствует повышению уровня комфорта и безопасности нашей жизни. Яркий тому пример – системы противопожарной защиты. Этот древний элемент, представляющий собой стихию, часто доставляет человеку множество проблем, будь то лесные пожары, аварии или несчастные случаи. Даже в тех ситуациях, когда «напряжение возрастает» намеренно, как, например, в промышленности, экстремальные условия со временем приводят к разрушению защитных конструкций. Однако ученые активно работают над решением этой проблемы, создавая разработки, снижающие воздействие огня и высокой температуры на здания, технику и различные материалы – от пластика до текстиля. Значительный вклад в эту область вносят и российские исследователи, что подробно рассказывается в новой публикации «Научной России».

Покрытие-трансформер

Профессор кафедры защиты от чрезвычайных ситуаций и управления рисками Института гражданской защиты Удмуртского государственного университета создал огнезащитное покрытие, которое препятствует деформации металла и бетона во время пожара Сергей Григорьевич Шуклин. Работа выполняется в рамках государственной программы «Приоритет-2030», реализуемой Министерством науки и высшего образования Российской Федерации».

Новая разработка направлена на повышение уровня пожарной защиты в сфере строительства и промышленности. Под воздействием чрезвычайно высоких температур, как правило, даже очень прочные материалы утрачивают свои характеристики: здания рушатся, а металлические конструкции деформируются. Это представляет угрозу для людей.

Инновационное покрытие способно минимизировать разрушительное воздействие пожара, действуя как своего рода защитный барьер. При воздействии высоких температур материал интенсивно расширяется и трансформируется в теплоизолирующую структуру – пенококс. Этот барьер непроницаем для огня и препятствует перегреву металла или бетона до опасных отметок. При этом, покрытие сохраняет свои свойства, даже если на него попадает горящее горючее.

«Пенококс формируется под воздействием высокой температуры. Реакция дегидратации является ключевым этапом в процессе трансформации покрытия в огнезащитную пену (реакция, сопровождающаяся образованием молекул воды. — Примечание автора.) , — пояснил корреспонденту «Научной России» доктор химических наук Сергей Григорьевич Шуклин. — При попадании на материал горючих веществ, таких как бензин, формируется пенококс, который препятствует его разрушению. После возгорания пенококс можно удалить с поверхности механическим способом и повторно нанести защитное покрытие, поскольку оно выполняет не только защитную, но и декоративную функцию».

На рынке уже представлен широкий ассортимент огнезащитных вспучивающихся материалов, однако у них есть определенные недостатки. Образующаяся пенококс структура недостаточно однородна и обладает низкой прочностью, что приводит к появлению трещин и отслоению под воздействием высоких температур и горячих воздушных потоков. В связи с этим, подобная защита не обеспечивает полной безопасности.

Для устранения данной проблемы в новой разработке предусмотрено изменение технологии производства пенококса: С.Г. Шуклин предложил включать в состав покрытия природный или искусственный волластонит. Этот минерал, состоящий из силиката кальция, способствует повышению прочности и улучшению однородности защитной пены.

«В качестве основы для покрытия выбрана эпоксидная смола, которая служит связующим компонентом. Также в состав материала добавлен полифосфат аммония, способствующий процессам карбонизации и газообразованию. Волластонит используется в качестве структурообразующего компонента пенококса», — добавил С.Г. Шуклин.

Данное инновационное покрытие применимо к широкому спектру конструкций, включая бетонные колонны и несущие металлические балки зданий, трубопроводы, оборудование для химической промышленности и автомобильные компоненты.

«Подготовка материала не требует значительных финансовых вложений, — отметил С.Г. Шуклин. — Для продолжения развития проекта требуется дополнительное финансирование. В планах – получение необходимой документации для сертификации разработки и внедрение технологии в производство, что позволит выйти за рамки лабораторных исследований».

С заботой о коже

Одной из проблем, свойственных современным огнезащитным составам, является раздражение кожи. Этот вопрос имеет важное значение при разработке пропиток, предназначенных для повышения огнестойкости тканей. Научная группа под руководством доцента кафедры защиты от чрезвычайных ситуаций и управления рисками представила в УдГУ разработку, направленную на решение данной проблемы Людмилой Геннадьевной Макаровой. Эта разработка также была создана в рамках реализации программы «Приоритет-2030».

Ученые разработали средство для обработки тканей из полиэстера и смешанного полиэфирного волокна, обладающее огнезащитными свойствами. Такие материалы склонны к возгоранию, поэтому требуют дополнительной защиты. Новая химическая формула эффективно решает эту проблему и при этом не вызывает кожных реакций.

Для достижения оптимального результата потребовалось сочетание нескольких факторов. Ключевую роль играет фосфорнокислый калий, который под воздействием пламени создает на ткани коксовый слой, препятствующий распространению огня. Карбамид, входящий в состав, при нагревании разлагается с образованием углекислого газа, что приводит к дефициту кислорода в очаге возгорания. В состав пропитки также входит борная кислота, обладающая антипиренными свойствами, то есть способствующая замедлению горения. Защита кожи обеспечивается аллантоином, который смягчает воздействие огнезащитных компонентов. Все компоненты смешиваются с дистиллированной водой, что обеспечивает однородность пропитки и ее равномерное нанесение на ткань.

Регенерирующая защита

Сотрудники Томского государственного архитектурно-строительного университета совместно с учеными Института физики прочности и материаловедения СО РАН проводят интересные исследования в сфере огнеупорных материалов. Специалисты работают над улучшением керамической футеровки – специального покрытия внутренней поверхности сталеплавильных ковшей и печей для изготовления цемента, которое отличается стойкостью к воздействию высоких температур и агрессивных химических веществ.

В настоящее время футеровку на сталелитейных предприятиях приходится ремонтировать с периодичностью от одного до трех лет, поскольку огнеупорная керамика подвержена быстрому образованию трещин и утрате прочности. Восстановление футеровки представляет собой сложную задачу, а для ее полной замены требуется длительное отключение оборудования.

Ученые стремятся улучшить характеристики материала, применяя технологию создания «композита в композите». Задача заключается в том, чтобы выстроить внутреннее строение футеровки таким образом, чтобы в ней возникало и прогрессировало меньше трещин, а также чтобы существующие дефекты могли самовосстанавливаться».

«Регулируя структуру и внутренние напряжения, можно добиться самозащиты материала от образования трещин, что позволит сохранить до 60% его первоначальной прочности», — отметил научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля ИФПМ СО РАН Алесь Сергеевич Буяков.

Сотрудники стратегического технологического проекта «Химия и инжиниринг новых строительных материалов» ТГАСУ принимают активное участие в данной инициативе, осуществляя отбор порошкообразных компонентов для разработки перспективной «суперфутеровки», а также исследуя различные методы создания композиционных материалов и готовой продукции. Впоследствии технология должна быть подвергнута испытаниям в условиях реального производства.

Импортозаместить и усовершенствовать

Строительные и отделочные материалы, такие как утеплители для стен, краски и полимеры, должны обладать огнестойкостью. Для обеспечения этой характеристики в их состав вводят специальные добавки – антипирены.

До недавнего времени значительная доля антипиренов импортировалась в Россию из других стран. Так, все добавки, основанные на солях фосфорной кислоты, закупались в Китае. Однако в 2020 году в России было запущено первое отечественное производство антипиренов. В реализации проекта приняли участие компания «Новохим», Инжиниринговый химико-технологический центр и лаборатория органического синтеза Томского государственного университета. Разработка велась в области безгалогеновых антипиренов, которые отличаются нетоксичностью и высокой технологической стабильностью. Уже в первый год работы предприятие начало реализацию полифосфата меламина, боратофосфата цинка, фосфата бора, полифосфата аммония и других продуктов, созданных по российской технологии.

На эти разработки существует высокий спрос: антипирены применяются в производстве труб, пенополиуретановых панелей, кабелей, а также лакокрасочных материалов. Отечественные соединения отличаются более высоким качеством по сравнению с китайскими, при этом они имеют более доступную цену и обеспечивают более оперативную доставку клиентам. Реализация данного проекта позволила решить проблему с перебоями в поставках из других стран, которые возникли сначала в период пандемии, а затем в связи с ухудшением международной ситуации.

Одним из значительных преимуществ отечественного производства является способность создавать «мастербатчи» – концентраты антипиренов, разработанные с учетом специфики материала, используемого заказчиком. Данные составы выпускаются в форме гранул, при этом огнезащитное вещество интегрируется непосредственно в полимерную основу.

«Интеграция антипиренов в полимерную матрицу с одновременным обеспечением требуемых свойств материала представляет собой сложную технологическую задачу. Компания «Новохим» обладает необходимыми знаниями и опытом в этой сфере, а сотрудники ТГУ осуществляют авторский контроль и регулярно занимаются совершенствованием технологий, созданием и тестированием новых видов антипиренов», — поделился директор Инжинирингового химико-технологического центра ТГУ Алексей Сергеевич Князев.

Компании, нуждающиеся в индивидуальных добавках для своих полимеров, предоставляют образцы томичам, которые затем подбирают необходимые добавки для материалов и высылают производителям тестовую партию гранул.

Использование «мастербатчей» упрощает работу с огнезащитными добавками: для получения огнестойкого изделия необходимо смешать гранулы основного материала с гранулами, содержащими антипирен, непосредственно в процессе производства.

В 2023 году исследователи из ТГУ разработали первый в России многокомпонентный антипирен для полипропилена, представленный в формате «мастербатчей». Проведенные в лаборатории «Новохима» испытания показали результаты, превосходящие первоначальные ожидания: полимер с добавкой выдержал трехкратное воздействие открытого пламени в течение 30 секунд.

Ученые ТГУ занимаются не только разработкой антипиренов в области противопожарной защиты. Так, в сотрудничестве с Институтом оптики атмосферы, они создают технологию быстрого обнаружения лесных пожаров, основанную на анализе атмосферной турбулентности и выявлении конденсированных продуктов горения (частиц дыма). Для поиска очагов возгорания исследователи используют метеостанции, специализированные датчики и беспилотные летательные аппараты.

Не бояться ни жары, ни холода

При создании технологий огнезащиты необходимо учитывать потребности специалистов, участвующих в тушении пожаров. В настоящее время важной задачей является совершенствование экипировки пожарных, работающих в сложных северных условиях. В связи с активным освоением российской Арктики – запуском новых предприятий, разработкой месторождений, развитием транспортной инфраструктуры – в регионе возрастает вероятность возникновения аварийных ситуаций. Пожаротушение при крайне низких температурах занимает в полтора раза больше времени, чем в обычных условиях. Длительная работа в таких экстремальных условиях подвергает пожарных риску переохлаждения и обморожений.

Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета промышленных технологий и дизайна, стартапа «АрктикТекс» Северо-Западного наноцентра и Университета государственной противопожарной службы МЧС России разработали образцы одежды для арктических спасателей и пожарных. В проекте принимали участие как опытные профессионалы, так и студенты обоих университетов.

Инженерам и ученым предстояло решить ряд задач: новая экипировка должна была обеспечивать надежную защиту спасателя от воздействия тепловых потоков, образующихся при возгорании углеводородов, например нефтепродуктов, поддерживать терморегуляцию как в условиях пожара, так и при низких температурах, и, безусловно, сочетать полезные характеристики с комфортом и безопасностью. Для достижения этих целей разработчики применили различные технологии. Чтобы повысить огнестойкость ткани, исследователи обработали ее специально разработанным составом из композитов на основе углеродных наноструктур. А для защиты от холода в костюм интегрировали греющие модули из электропроводящей ткани с использованием нанотрубок из графена. При изготовлении экипировки стартап «АрктикТекс» взаимодействовал со спасателями, чтобы сделать форму наиболее удобной.

В ходе Межведомственного опытно-исследовательского учения «Безопасная Арктика — 2023» была проведена проверка инновационной одежды. Первоначально новый материал исследовали на предмет устойчивости к воздействию огня и способности к нагреву в лабораторных условиях. После этого готовые изделия испытали в реальных полевых условиях, чтобы определить, насколько эффективно костюм обеспечивает тепло и восстанавливает теплоизоляцию после намокания во время тушения пожара. Результаты проверки оказались положительными: так, например, материал успешно противостоял воздействию температуры, превышающей 450 °C, в огневом симуляторе – ткань лишь незначительно потемнела в некоторых местах.

Изобретение смогут адаптировать для использования в различных областях по запросу партнеров. В частности, данная разработка может найти применение при создании материалов для общественного транспорта, а также в авиационной и космической промышленности.

Источники

Комментарии С.Г. Шуклина

«Приоритет-2030» (официальный сайт). Ученый из Ульяновского государственного университета разработал огнестойкую пену, способную защищать здания от возгорания

«Приоритет-2030» (официальный сайт). Специалисты УдГУ разработали материал, обладающий огнестойкостью и защищающий кожу

Томский государственный архитектурно-строительный университет. Специалисты из Томска разрабатывают материалы, обладающие свойством самовосстановления и устойчивостью к высоким температурам, для применения в тяжёлой промышленности

Новости Томского государственного университета. В Российской Федерации впервые разработан гранулированный антипирен для пластика химиками Томского государственного университета

Новости Томского государственного университета. Учёные из ТГУ и томского научного центра начали в России выпуск антипиренов

Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна. Для спасателей в Санкт-Петербурге разработали новую экипировку, изготовленную из передовых материалов

Материал создан при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации

Фотография на превью: химический факультет ТГУ / фото из архива пресс-службы ТГУ.

Фотография на главной странице: Ангелина Баженова, пресс-служба УдГУ.

Иллюстрации в тексте предоставлены: Ангелина Баженова / пресс-служба УдГУ, химический факультет ТГУ / предоставлены пресс-службой ТГУ, freepik / фотобанк Freepik, macrovector / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.