حفاظت در مقابل حریق غیر فعال (passive fire protection)

 

 

حفاظت در مقابل حریق غیر فعال (passive fire protection) به بکارگیری سیستم های عایق به منظور به تعویض انداختن انتقال حرارت آتش به سازه در حال محافظت اطلاق می گردد. عایق مورد استفاده معمولاً به صورت پوشش می باشد اما استفاده از منسوج ها و تخته های عایق نیز از روش های مرسوم می باشند.

امروزه فولاد پر مصرف ترین ماده برای ساخت سازه های بلند مرتبه می باشد. از دلایل این امر ساخت و نصب سریع و مقاومت های استاتیکی و دینامیکی مناسب فولاد می باشد. اگر چه فولاد در مقابل حریق صدمه نمی بیند امام تقریباً 50 درصد مقاومت فشاری خود را در بازه 500 تا 600 درجه سانتی گراد از دست می دهد. در آتش سوزی های گسترده این امر باعث از دست رفتن مقاومت سازه و فرو ریزی ساختمان می گردد. بنابراین در سال های اخیر تحقیقات فراوانی در زمینه مواد مقاوم در برابر حریق صورت گرفته است.

امروزه رایج ترین مواد مورد استفاده برای محافظت در برابر حریق ضد فعال رنگ های متورم شونده (Intumescent paint) و ملات های پاششی پایه معدنی (fire proof mortar) می باشند. این سیستم ها هر کدام دارای مزایا و معایبی می باشند. در جدول زیر به طور خلاصه معایب و مزایای این پوشش ها بررسی شده است.

نوع پوشش قیمت مدت مقاومت ضخامت اجرا زیبایی بصری سهولت اجرا
معدنی نسبتا پایین بالاتر از 4 ساعت 10 تا 60 میلی متر منفی نسبتا دشوار
آلی قیمت بالا نهایتاً 2 ساعت 1000تا 3000 میکرون مثبت آسان

 

ضخامت پوشش اجرا شده بر روی سازه بسته به نوع المان متفاوت است و وابسته به عوامل چون تیر بودن، ستون بودن، وزن در واحد طول، لانه زنبوری داشتن، شکل سطح مقطع (H، دایره، مربع) کاربری ساختمان، ارتفاع ساختمان و از همه مهم تر نوع حریق می باشد.

نوع حریق سازه ها به دو دسته اصلی تقسیم بندی می شود. این تقسیم بندی وابسته به سوختی است که در هنگام آتش سوزی مصرف می شود. در اماکن شهری مانند واحدهای مسکونی و تجاری عموماً نوع سوخت سلولزی می باشد و در واحدهای صنعتی مانند پتروشیمی ها معمولاً سوخت های شیمیایی مانند نفت، بنزین و… خوراک آتش هستند . بر این مبنا حریق به دو دسته اصلی سلولزی و هیدروکربنی تقسیم بندی می شود. تفاوت این دو نوع حریق در مدت زمان بالا رفتن دما و میزان دمای نهایی می باشد. در حریق سلولزی نرخ افزایش دما کند است و پس از 2 ساعت به حدود 1000 درجه سانتی گراد می رسد اما درآتش هیدروکربنی دما تنها پس از 10 دقیقه از 1000 سانتی گراد درجه عبور می کد و تا 1200 درجه سانتی گراد بالا می رود. نمودار رفتار این در حریق در شکل 1 زیر نشان داده شده است. نحوه تغییر دمای آتش در استاندارد های مختلف تفاوت اندکی با یکدیگر دارند اما رفتار کلی نسبتا مشابه یکدیگر است .

شکل 1: نحوه تغییر دما در حریق سلولزی و حریق هیدروکربنی

 

در آزمون پوشش های ضد حریق المان های فلزی با ابعاد مختلف با ضخامت های متنوعی از ماده ضد حریق پوشش داده می شوند سپس مواد در کوره قرار گرفته و وابسته به نوع استاندارد مدت زمان رسیدن دمای المان به دمای پایان تست (که میتواند متغیر باشد) را اندازه گیری میکنند.

در مقاله فعلی به پوشش های ضد حریق آلی متورم شونده پرداخته شده است و نیم نگاهی به پیشرفت های این حوزه صورت گرفته است. در ادامه پوشش های آلی ضد حریق متورم شونده  به اختصار پوشش ضد حریق خوانده خواهند شد.

 

 

پوشش ضد حریق متورم شونده:

پوشش ضد حریق در اثر گرم شدن متورم شده و می تواند تا 100 برابر ضخامت اولیه متورم شود. در اثر گرم شدن تشکیل فومی از جنس کربن می دهد و این فوم در مقابل انتقال حرارت مقاومت می کند. پوشش های ضد حریق عموماً از مواد اصلی زیر تشکیل شده اند:

  • کربن دهنده یا شکل دهنده ذغال (carbon donor- char former)
  • کاتالیست یا دهنده اسید (acid donor – catalyst)
  • عامل دمنده blowing agent
  • بایندر binder

در ادامه به نقش این مواد خواهیم پرداخت.

مکانیزم تورم

شروع فرایند تورم با حرارت دیدن عامل دهنده اسید آغاز می شود. از رایج ترین دهنده های اسید آمونیوم پلی فسفات (APP) می باشد. این ماده در حدود دمای 250 درجه سانتی گراد اسید آزاد می کند . اسید آزاد شده با عامل کربن دهنده وارد واکنش شده و این عامل را آب گیری و کربونیزه می کند و شرایط را برای شکل گیری عایق کربنی اماده می کند. قابل توجه است که قبل از این مراحل نرم شدن و ذوب شدن (گاهی) بایندر پلیمری آغاز شده است. در مرحله بعدی عامل دمنده که معمولاً ملامین می باشد در اثر حرارت تجزیه شده و گاز آزاد می کند . این گاز باعث تشکیل فوم از جنس کربن می شود و عایق نهایی را تشکیل می دهد واکنش ها به اختصار در شکل پایین نشان داده شده اند.

واکنس آبگیری عامل دهنده کربن توسط اسید

واکنش آزاد سازی گاز توسط عامل دمنده بر اثر حرارت

در مرحله نهایی سخت شدن و شبکه ای شدن فوم ذغال رخ می دهد. شکل نهایی فوم تشکیل شده، مقاومت مکانیکی آن، اندازه حفره، نحوه توزیع حفرات و میزان ضخامت ایجاد شده از عوامل مهم در عملکرد پوشش های ضد حریق می باشند. در ادامه به نقش هر یک از اجزای فرمول در عملکرد پوشش های ضد حریق خواهیم پرداخت .

عامل دهنده اسید

آمونیوم پلی فسفات (APP) پر مصرف ترین ماده به عنوان عامل دهنده اسید در رنگ های ضد حریق می باشد. اما مقاومت نسبتاً ضعیف این ماده در مقابل آب و همچنین ناسازگاری آن با برخی بایندرها از عوامل محدود کننده آن می باشند. خواص APP وابستگی زیادی به جرم مولکولی آن دارد.APP با طول زنجیر کوتاه حساسیت بیشتری به آب داشته و پایداری حرارتی کمتری نسبت به APP با جرم مولکولی بالاتر دارد. APP معمولا به دو کلاس APP I ( واحد تکرار شونده فسفات زیر 100 و دمای تخریب 150°c) وAPP II (واحد تکرار شونده فسفات بیشتر از 1000 و دمای تخریب حدود 300°c) دسته بندی می شود. کلاس APP II از مقاومت در برابر آب بهتری نسبت به APP I برخوردار است. در سالهای اخیر تلاشهای زیادی برای بهبود مقاومت در مقابل آب APP صورت گرفته است. یکی از این راهکارها جایگزینی مقداری از کاتیون های آمونیوم با ملامین می باشد. این امر علاوه بر بهبود مقاومت در مقابل آب باعث بهبود سازگاری APP با بایندر نیز می شود. راهکار دیگر استفاده از میکرو کپسول های APP با پوشش ملامین فرمالدهید می باشد. این امر علاوه بر بهبود مقاومت در مقابل آب و حرارت باعث کمک به تشکیل فوم ذغالی نیز میگردد. برای کپسوله کردن APP از روش روش سل ژل و شیمی سیلان نیز می توان بهره برد که باعث بهبود خواص سیستم های ضد حریق پایه اپوکسی می شود. ترکیبات فسفری فراوان دیگری می توانند در رنگ های ضد حریق مورد استفاده قرار گیرند از آن جمله می توان به آمونیوم دی هیدروژن فسفات اشاره کرد که می تواند باعث بهبود چسبندگی فوم کربنی به زیر آیند فلزی شود. ملامین پیروفسفات نیز می توانددر کنار APP کارایی مناسبی داشته باشد این ماده باقی مانده ای غیر قابل ذوب از جنس اکسی نیترید فسفری از خود به جا می گذارد که مقاومت حرارتی بالایی دارد. این ماده همچنین به علت وجود ملامین در ساختار خود می تواند به عنوان عامل دمنده نیز مفید باشد.

مواد دهنده کربن

نقش اصلی مواد کربن دهنده ایجاد فوم کربنی پس از فرایند آبگیری توسط اسید می باشد. پنتا اریتریتول پر مصرف ترین ماده به عنوان عامل دهنده کربن می باشد. این ماده به علت دمای ذوب کم در دمای پایین قابلیت متورم شدن دارد. اما مقاومت مناسبی در مقابل آب نداشته و به همین علت استفاده از این ماده در رنگ های برونگاهی و در معرض عوامل جوی محدود می باشد. اما دیمر و تریمر این ماده تا حدی مقاومت بهتری در مقابل آب داشته اما قیمت بالاتری نیز دارند. دیمرها و تریمرها ذغال کربنی مقاوم تری تولید می کنند که میتواند در باد مقاومت کند از دیگر عوامل کربن دهنده می توان به شکر ، نشاسته و سلولز اشاره کرد.

عوامل دمنده

ملامین پر استفاده ترین عامل دمنده در پوشش های ضد حریق می باشد. تخریب ملامین در بازه دمایی 250 تا 350 درجه سانتی گراد رخ می دهد. ملامین بر اثر حرارت آمونیاک آزاد میکند. ضمن اینکه در تقابل با APP می تواند در اسید دهی نیز سودمند باشد. ترکیبات فسفری ملامین همانند ملامین فسفات، ملامین پیروفسفات و ملامین پلی فسفات نیز به عنوان عامل دمنده سودزا هستند.

بایندر

در پوشش های ضد حریق بایندر علاوه بر نقش کلاسیک خود در دیگر پوشش ها که فراهم آوری چسبندگی و مقاومت های فیزیکی و شیمیایی می باشد دارای نقش های دیگری نیر می باشد. اول اینکه بایندر باید در حدود دمایی مشابه دیگر مواد فرمول تخریب شود. به علاوه باید دارای ویسکوزیته مذاب مناسب باشد. ویسکوزیته بالا باعث عدم شکل گیری فوم و ویسکوزیته پایین باعث ریزش فوم خواهد شد. به علاوه از کشسانی مناسب برخودار باشد تا در هنگام باد شدن سلول های بسته تشکیل دهد.پلی وینیل استات اولین گزینه در سیتسم های آب پایه می باشد و اپوکسی ها گزینه اول در پوشش های صد درصد جامد و حلال پایه هستند. از بایندرهای ترکیبی نیز جهت بهبود خواص پوشش های ضد حریق استفاده می شود از جمله بایندرهای کمکی می توان به رابرهای کلره و پارافین کلره نام برد. این مواد علاوه بر بهبود ماندگاری پوشش به عنوان پلاستی سایزر نیز عمل می کنند. اکریلیک های خاص نیز می توانند عملکرد خوبی داشته باشند. به ویژه اکریلیک استایرین های حاوی فسفر می توانند ذغال با دانستیه مناسبی تشکیل دهند.

تاثیر دی اکسید تیتانیوم در پوشش های ضد حریق

Tio2 کاربرد گسترده ای در پوشش های ضد حریق دارد. علاوه بر عملکرد آن به عنوان یک پیگمنت سفید این ماده می تواند در واکنش های بهبود دهنده خواص پوشش ضد حریق نیز شرکت کند . معمولا لایه خارجی نرم پوشش های ضد حریق سفید است اگر چه لایه داخلی کاملا سیاه است. این لایه سفید فوم معمولا پیروفسفات تیتانیوم است که براثر واکنش APP و یا P2o5 با دی اکسید تیتان تشکیل می شود. این لایه سفید تشکیل شده حالت شیشه ای دارد و نقش مهمی در کاهش انتقال حرارت دارد. تحقیقات نشانگر این امر است که Tio2 در حالت کریستالی روتایل تاثیر بهتری نسبت به حالت آناتاز دارد.

 

1-Paul Mather, Saving lives with coatings, The essentials of passive fire protection , Europ. Coat. J., 43, 48 (2006).

2-Ravinndra G. Puri, A. S. Khanaa, Intumescent coatings: A review on recent progress, J. Coat. Technol. Res. 14, 1-20 (2016).

3-UL 263, Standard for Fire Tests of Building Construction and Materials, (2011).

4-ASTM E119, Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials, (2016).

5-UL 1709, Standard for Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel, (2011).

6-Hao, J, Chow, WK,  A Brief Review of Intumescent Fire Retardant Coatings, Arch. Sci. Rev., 46 (1) 89–95 (2003).

7-Camino, G, Costa, L, Martinasso, G, Intumescent Fire-Retardant Systems, Polym. Degrad. Stab., 23 (4) 359–376, (1989).

8-Cao, K, Wu, S-L, Wang, K-L, Yao, Z, Kinetic Study on Surface Modification of Ammonium Polyphosphate with Melamine, Ind. Eng. Chem. Res., 50 (14) 8402–8406 (2011).

9- Wu, K, Wang, Z, Liang, H, Microencapsulation of Ammonium Polyphosphate: Preparation, Characterization, and its Flame Retardance in Polypropylene, Polym. Comp., 29 (8) 854–860 (2008).

10-Taylor, AP, Sale, FR, Thermoanalytical Studies of Intumescent Systems, Makromol. Chem. Macromol. Symp., 74 (1) 85–93 (1993).

11-Weil, ED, Fire-Protective and Flame-Retardant Coatings A State-of-the-Art Review, J. Fire Sci., 29 (3) 259–296 (2011).

دیدگاهتان را بنویسید

ایمیل شما محفوظ خواهد ماند. موارد ضروری مشحص شده ند *

ارسال دیدگاه