Прогресс науки и технологий делает наш мир комфортнее и безопаснее. Один из примеров — защита от огня. Эта первородная стихия приносит человеку немало неприятностей — во время лесных пожаров, аварий, несчастных случаев. Даже там, где «обстановка накаляется» целенаправленно, — например, в промышленности, — экстремальные условия постепенно разрушают защитные конструкции. Но в противостояние с пламенем вступают ученые, и на свет появляются разработки, уменьшающие воздействие огня и жара на здания, технику и материалы — от пластика до тканей. Немало таких изобретений представляют и отечественные исследователи: об этом — новая статья «Научной России».
Покрытие-трансформер
Огнезащитное покрытие, предотвращающее деформацию металла и бетона при пожаре, разработал профессор кафедры защиты в чрезвычайных ситуациях и управления рисками Института гражданской защиты Удмуртского государственного университета Сергей Григорьевич Шуклин. Исследование проводится по программе Минобрнауки РФ «Приоритет-2030».
Огнезащитное покрытие для металла и бетона разработал профессор УдГУ Сергей Григорьевич Шуклин.
Фото: Ангелина Баженова / пресс-служба УдГУ
Изобретение призвано вывести на новый уровень пожарную безопасность в строительстве и промышленности. Обычно под воздействием экстремально высоких температур привычно прочные материалы теряют свойства: дома разрушаются, а конструкции из металла деформируются. Это создает опасность для людей.
Новое покрытие способно предотвратить катастрофические последствия пожара, выступая в роли своеобразной подушки безопасности. Под воздействием высокой температуры материал сильно вспучивается и превращается в теплоизолирующую пену — пенококс. Такая преграда непроницаема для пламени и не дает металлу или бетону перегреться до критических значений. Более того, покрытие может успешно выполнять свою функцию, даже если на него попадает воспламенившееся горючее вещество.
Под воздействием высокой температуры новое покрытие превращается в теплоизолирующую пену, непроницаемую для пламени.
Фото: Ангелина Баженова / пресс-служба УдГУ
«Пенококс образуется под действием огня. В основе превращения покрытия в огнезащитную пену лежит реакция дегидратации (реакция с выделением молекул воды. — Примеч. авт.), — объяснил корреспонденту «Научной России» доктор химических наук Сергей Григорьевич Шуклин. — Если на материал попадет горючее вещество, например бензин, произойдет образование пенококса, что предотвратит разрушение материала. После пожара пенококс можно механически снять с поверхности и нанести покрытие заново, поскольку оно играет не только защитную, но и декоративную роль».
К настоящему времени на рынке уже предлагаются разные варианты огнезащитных вспучивающихся материалов, но они не лишены недостатков. Пенококс, образующийся из таких покрытий, недостаточно однороден и прочен, из-за чего начинает трескаться и отслаиваться под воздействием огня и потоков горячего воздуха. Поэтому такая защита не полностью эффективна.
В новой разработке предусмотрено решение этой проблемы: чтобы усовершенствовать пенококс, С.Г. Шуклин предложил дополнять состав покрытия природным или искусственным волластонитом. Этот минерал на основе силиката кальция помогает сделать защитную пену прочнее и однороднее.
«За основу покрытия взята эпоксидная смола, играющая роль связующего. В материал также включен полифосфат аммония, стимулирующий процессы карбонизации и газообразования. Волластонит выполняет функцию структурообразователя пенококса», — добавил С.Г. Шуклин.
Инновационное покрытие можно наносить на самые разные конструкции — будь то бетонные колонны и несущие металлические балки в зданиях, трубопроводы, аппаратура в химическом машиностроении или автомобильные детали.
Испытания огнезащитного покрытия, созданного в УдГУ.
Фото: Ангелина Баженова / пресс-служба УдГУ
«Сама технология подготовки материала не предполагает больших затрат, — подчеркнул С.Г. Шуклин. — Для дальнейшего развития проекта необходимо дополнительное финансирование. В перспективе планируется получить документы на сертификацию разработки и масштабировать технологию, переведя ее из лаборатории в производство».
С заботой о коже
Одна из проблем существующих огнезащитных средств — раздражение кожи. Это актуальный вопрос при создании пропиток, повышающих негорючесть тканей. Изобретение, преодолевающее эту сложность, было также представлено в УдГУ научной группой, возглавляемой доцентом кафедры защиты в чрезвычайных ситуациях и управления рисками Людмилой Геннадьевной Макаровой. Разработка тоже появилась на свет в рамках программы «Приоритет-2030».
Исследователи создали огнезащитную пропитку для тканей на основе полиэстера и смешанного полиэфирного волокна. Эти материалы легко воспламеняются, поэтому их нужно дополнительно защищать от огня. Полученная химическая композиция не только отлично справляется со своей задачей, но и не вызывает раздражения на коже.
Ученые из УдГУ разработали огнезащитную пропитку для тканей на основе полиэстера и смешанного полиэфирного волокна. Эти материалы особенно уязвимы к воздействию пламени.
Фото: freepik / фотобанк Freepik
Получить достойный результат помогло сочетание нескольких «ингредиентов». Основной удар принимает на себя фосфорнокислый калий — благодаря ему под воздействием пламени ткань покрывается коксовым слоем, не дающим огню распространяться. Включенный в состав карбамид при нагревании разлагается с выделением углекислого газа, создавая недостаток кислорода в зоне возгорания. В пропитку также входит борная кислота, обладающая антипиренными свойствами (то есть замедляющая горение). Наконец, за безопасность для кожи отвечает аллантоин, смягчающий раздражающий эффект огнезащитных веществ. Все соединения смешиваются с дистиллированной водой — благодаря этому пропитка становится однородной и равномерно наносится на ткань.
Регенерирующая защита
Интересную работу в области огнеупорных материалов ведут ученые Томского государственного архитектурно-строительного университета совместно с коллегами из Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Исследователи совершенствуют керамическую футеровку — специальное покрытие внутренней части сталеплавильных ковшей и печей для производства цемента, устойчивое к воздействию высоких температур и химикатов.
Ученые из ТГАСУ и ИФПМ СО РАН разрабатывают самовосстанавливающуюся керамическую футеровку — покрытие сталеплавильных ковшей и печей для производства цемента.
Источник изображения: macrovector / фотобанк Freepik
Сейчас футеровку на сталелитейных заводах приходится ремонтировать каждые один-три года, потому что огнеупорная керамика быстро трескается и становится непрочной. Приводить футеровку в порядок очень непросто, а для ее замены нужно надолго отключать оборудование.
Исследователи пробуют усовершенствовать материал, используя технологию «композит в композите». Цель — организовать внутреннюю структуру футеровки таким образом, чтобы в ней возникало и развивалось меньше трещин, более того — чтобы уже образовавшиеся повреждения могли самостоятельно «залечиваться».
«Управляя составом, внутренними напряжениями, возможно добиться того, что материал сам будет сопротивляться развитию зарождающихся в нем трещин, сохраняя до 60% исходной прочности», — отметил научный сотрудник лаборатории физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля ИФПМ СО РАН Алесь Сергеевич Буяков.
Ученые из стратегического технологического проекта «Химия и инжиниринг новых строительных материалов» ТГАСУ активно участвуют в инициативе: подбирают подходящие порошковые материалы для будущей «суперфутеровки», рассматривают разные подходы к получению композитов и готовых изделий. В дальнейшем технология должна будет пройти испытания на реальном производстве.
Импортозаместить и усовершенствовать
Обязательное требование к строительным и отделочным материалам — утеплителям для стен, краскам, полимерам — стойкость к огню. Для этого в них добавляют специальные защитные соединения — антипирены.
До недавнего времени бóльшая часть антипиренов ввозились в нашу страну из-за рубежа. Например, все добавки на основе солей фосфорной кислоты импортировались из Китая. А в 2020 г. в России заработало первое отечественное производство антипиренов. Участники проекта — компания «Новохим», а также Инжиниринговый химико-технологический центр и лаборатория органического синтеза Томского государственного университета. Специалисты занимаются безгалогеновыми антипиренами — их преимущества заключаются в нетоксичности и высокой технологической стабильности. Уже в первый год работы команда начала поставлять на продажу созданные по российской технологии полифосфат меламина, боратофосфат цинка, фосфат бора, полифосфат аммония и другие вещества.
Вместе с коллегами из компании «Новохим» и томского Инжинирингового химико-технологического центра ученые лаборатории органического синтеза ТГУ разрабатывают отечественные антипирены.
Фото: химический факультет ТГУ / предоставлено пресс-службой ТГУ
Разработки очень востребованы: такие антипирены используют производители труб, пенополиуретановых панелей, кабелей, лаков и красок. При этом отечественные соединения превосходят китайские по качеству, но стоят дешевле и быстрее доставляются заказчикам. Запуск проекта позволил стране справиться с нарушениями зарубежных поставок — сначала во время пандемии, затем из-за усложнения международной обстановки.
Ценная изюминка отечественного производства — возможность изготовления «мастербатчей» (концентратов антипиренов, совместимых с материалом заказчика). Они изготавливаются в форме гранул, для этого огнезащитное соединение «встраивается» в полимер.
«Введение антипиренов в полимер и достижение при этом оптимальных характеристик материала — непростая технологическая задача. У “Новохима” есть компетенции в этой области, а специалисты ТГУ проводят авторский надзор и практически ежедневно занимаются усовершенствованием технологий, разработкой и испытанием новых марок антипиренов», — поделился директор Инжинирингового химико-технологического центра ТГУ Алексей Сергеевич Князев.
Чтобы получить индивидуальные добавки для своих полимеров, компании присылают образцы томским разработчикам, а те подбирают добавки для материалов и отправляют производителям партию гранул на пробу.
Исследователи из лаборатории органического синтеза ТГУ за работой.
Фото: химический факультет ТГУ / предоставлено пресс-службой ТГУ
Применение «мастербатчей» облегчает процесс использования огнезащитных добавок: чтобы получить изделие, стойкое к пламени, достаточно при производстве смешать гранулы основного материала с гранулами с антипиреном.
В 2023 г. ученые ТГУ представили в виде «мастербатчей» первый отечественный многокомпонентный антипирен для полипропилена. Добавки прошли испытания в лаборатории «Новохима», и их результаты оказались даже выше ожидаемых: материал с новой добавкой трижды перенес прямое воздействие пламени по 30 с.
Антипирены — не единственная работа ученых ТГУ в области защиты от огня. Например, совместно с Институтом оптики атмосферы вуз создает технологию оперативного выявления лесных пожаров: возгорания планируется обнаруживать по атмосферной турбулентности и выделению конденсированных продуктов горения (частиц дыма). К поискам исследователи привлекают метеостанции, специальные датчики и беспилотные летательные аппараты.
Не бояться ни жары, ни холода
Разрабатывая технологии огнезащиты, важно не обойти стороной тех, кто занимается непосредственной борьбой с пламенем. Сегодня один из актуальных вопросов — улучшение экипировки пожарных в суровых условиях Севера. С расширением освоения российской Арктики — запуском новых производств, разработкой месторождений, развитием транспорта — в регионе растет угроза возникновения аварий. При этом чтобы потушить пожар при очень низких температурах, требуется в полтора раза больше времени, чем обычно. В результате такой долгой работы в экстремальных условиях пожарные рискуют переохладиться и получить обморожения.
Пилотные образцы одежды для арктических спасателей и пожарных создали специалисты Санкт-Петербургского госуниверситета промышленных технологий и дизайна, cтартапа «АрктикТекс» Северо-Западного наноцентра и Университета государственной противопожарной службы МЧС России. Примечательно, что в работе над проектом участвовали не только опытные профессионалы, но и студенты обоих вузов.
Одежду для арктических спасателей и пожарных создала команда российских исследователей с участием студентов.
Фото: freepik / фотобанк Freepik (представлено в иллюстративных целях)
Инженерам и ученым нужно было решить сразу несколько задач: новая экипировка должна была хорошо защищать спасателя от тепловых потоков, возникающих при горении углеводородов (например, нефтепродуктов), поддерживать терморегуляцию как в условиях пожара, так и на морозе и, конечно, сочетать полезные свойства с удобством и безопасностью. Для этого разработчики использовали разные технологии. Чтобы одежда была устойчивее к пламени, исследователи обработали ткань специально созданным составом из композитов на основе углеродных наноструктур. А для защиты спасателя от холода в костюм встроили греющие модули из электропроводящей ткани с применением нанотрубок из графена. При производстве экипировки стартап «АрктикТекс» консультировался со спасателями, чтобы сделать униформу максимально удобной.
Инновационная одежда была испытана в рамках Межведомственного опытно-исследовательского учения «Безопасная Арктика — 2023». Сначала новый материал проверили на стойкость к огню и способность к нагреву в лаборатории. Затем готовые образцы одежды протестировали в полевых условиях: это позволило оценить, насколько хорошо костюм согревает хозяина на морозе и восстанавливает теплозащитные свойства после намокания при тушении пожара. Проверка прошла успешно: например, материал стойко выдержал воздействие температуры более 450 °C в огневом симуляторе — в итоге ткань всего лишь местами потемнела.
Разработчики готовы адаптировать изобретение для применения в других сферах по желанию партнеров. Например, перспективная разработка может пригодиться в создании материалов для общественного транспорта, в производстве авиации и космической отрасли.
Источники
Комментарии С.Г. Шуклина
«Приоритет-2030» (официальный сайт). Огнестойкая пена: ученый из УДГУ создал покрытие, защищающее здания от огня
«Приоритет-2030» (официальный сайт). Ученые из УдГУ создали ткань, которая не боится огня и бережет кожу
Томский государственный архитектурно-строительный университет. Томские ученые создают самовосстанавливающиеся огнеупорные материалы для тяжелой промышленности
Новости Томского государственного университета. Химики ТГУ создали первый в РФ гранулированный антипирен для пластика
Новости Томского государственного университета. Химики ТГУ и Томска запустили первое в России производство антипиренов
Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна. В Петербурге создана экипировка для спасателей из инновационных материалов
Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: химический факультет ТГУ / предоставлено пресс-службой ТГУ.
Фото на главной странице: Ангелина Баженова / пресс-служба УдГУ.
Источники изображений в тексте: Ангелина Баженова / пресс-служба УдГУ, химический факультет ТГУ / предоставлены пресс-службой ТГУ, freepik / фотобанк Freepik, macrovector / фотобанк Freepik, freepik / фотобанк Freepik.
