Исследование рулонной огнезащиты на основе базальтового волокна с кашированием алюминиевой фольгой

Михаил Ясколко, 18/06/24

Федеральная палата пожарно-спасательной отрасли поручила торговому предприятию ТД МОАБ изучить ситуацию на рынке конструктивных огнезащитных материалов, а именно в сегменте огнезащитных рулонных материалов на основе базальтовых супертонких волокон, кашированных алюминиевой фольгой, различных российских производителей. Предлагаем вам ознакомиться с результатами и анализом проведенных испытаний.

При закупке материалов особое внимание было обращено на наличие разрешительных документов, в частности на сертификаты, подтверждающие характеристики негорючести данных материалов. Всего было закуплено 15 базальтовых рулонных материалов у разных фирм-производителей.
Для чистоты эксперимента все рулоны были обезличены и зашифрованы.

Далее обезличенные материалы были переданы в испытательную лабораторию научно-испытательного центра пожарной безопасности ФГБУ ВНИИПО МЧС России.

Испытания на негорючесть

Контрольные испытания на негорючесть (НГ) проходили в соответствии с требованиями ГОСТ 30244–94, с учетом мнения специалистов ВНИИПО: "Испытания для минераловатных теплоизоляционных изделий, кашированных алюминиевой фольгой (клеевым слоем), в связи с невозможностью отделения клеевого слоя от поверхности готового изделия без его повреждения необходимо проводить отдельно для минеральной ваты и отдельно для алюминиевой фольги (отделенных от готового изделия с остатками клеевого слоя)" (письмо ВНИИПО МЧС РФ от 22.12.2020 г. № ИВ-117-1295-13-5).

По результатам испытаний можно сделать следующие выводы:

Десять из представленных образцов содержали вещества, которые воспламенялись через 1–3 мин, что говорит о несоответствии заданным характеристикам.
Два материала показали полную негорючесть как при испытаниях во ВНИИПО, так и при параллельных испытаниях.
Три материала оказались с противоречивыми результатами по негорючести, так как при испытаниях с их видеофиксацией в испытуемых образцах происходила какая-либо реакция с массовым выделением тепла; при этом масса образца после испытаний увеличивалась до 3%.

При анализе расхождений результатов испытаний были обнаружены различия при подготовке образцов. При этом определяющими стали некоторые требования ГОСТ 30244, а именно:

п. 6.2.1. Для каждого испытания изготавливают пять образцов цилиндрической формы следующих размеров: диаметр 45 мм, высота (50±3) мм;
п. 6.2.2. Если толщина материала составляет менее 50 мм, то образцы изготавливают из соответствующего количества слоев, обеспечивающих необходимую толщину. Слои материала с целью предотвращения образования между ними воздушных зазоров плотно соединяют при помощи тонкой стальной проволоки максимальным диаметром 0,5 мм.

Специалисты ВНИИПО готовили образцы исходя из визуального анализа и собственного опыта проведения испытаний. Сотрудники предприятия – изготовителя образцов оценили предполагаемый их вес двумя методами:

1. Расчетный метод.
Исходные данные:

плотность алюминия 2 700 кг/м3 (0,0027 г/мм3);
плотность клея (силикатного) 1 500 кг/м3 (0,0015 г/мм3);
предположительная толщина фольги ≈ 30 мкм (0,00003 м, или 0,03 мм);
предположительный слой клея ≈ 20 мкм (0,00002 м, или 0,02 мм).

Расчет:

вес шайбы фольги диаметром 45 мм: 0,0027 х (3,14 х 452/4) х 0,03 = 0,129 г;
вес слоя клея диаметром 45 мм: 0,0015 х (3,14 х 452/4) х 0,02 = 0,048 г;
вес шайбы фольги с клеем диаметром 45 мм и толщиной 50 мкм: 0,129 + 0,048 = 0,177 г;
вес пирамидки для испытаний на НГ: 50 : 0,05 х 0,177 = 177 г.

2. Метод инструментальный.
Исходные данные:

средняя толщина фольги: (30 + 29 + 34) : 3 = 31 мкм (0,031 мм);
вес одной шайбы: 1,8 : 10 = 0,18 г;
расчет количества шайб в образце: 50 : 0,031 = 1 613 шт.

Расчет веса образца: 1 613 х 0,18 = 290 г.

При подготовке образцов сотрудники предприятия старались сделать их как можно плотнее. У всех трех вызывающих сомнение образцов при их испытании возникла ранее не наблюдавшаяся реакция с массовым выделением тепла. При испытании этих образцов выявилось следующее: температура внутри образца линейно поднималась до значений, равных температуре плавления алюминия ≈ 660 °С, далее наступала временная стабилизация, после чего температура возрастала выше значения 750 °С, поддерживаемого в канале печи испытательной установки, и через определенное время начинала резко расти. Образец начинал светиться, наблюдалось дымовыделение, температура на поверхности и в канале печи вслед за температурой внутри образца превышала 900 °С. Сотрудники предприятия останавливали испытания из опасения повреждения испытательной установки.

01 (17)

Рис. 1. Определение толщины фольги с клеем. Образец 1. 30 мкм

01 (22)

Рис. 2. Определение толщины фольги с клеем – 10 шайб 1,8 г

01 (21)

Рис. 3. Образец, в котором наступила реакция после извлечения из печи

01 (20)

Рис. 4. Образец, в котором реакции не наблюдалось после извлечения из печи

Дополнительные испытания на оборудовании ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко

Для получения дополнительного мнения по результатам испытаний образцов фольги с остатками клеевого слоя выявленные три образца были испытаны на аттестованном оборудовании ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, которые подтвердили возникновение химической реакции при должной подготовке образцов.

Предложения по сохранности испытательного оборудования

Необходимо пояснить, что стандартное испытательное оборудование для определения негорючести оснащено термопарами с максимальной температурой применения 1 100 °С. Максимальная температура, достигнутая при испытаниях на предприятии, – 1 094 °С. На испытаниях в ЦНИИСК и на предприятии процесс испытаний останавливали, когда температура приближалась к 1 000 °С; при этом такие образцы к негорючим отнести было нельзя.

Учитывая данную информацию, на аттестованном оборудовании предприятия был проведен эксперимент, когда испытания проходили 30 мин (ГОСТ 30244, п. 6.5.6). График температур представлен на рис. 5.

01 (19)

Рис. 5. График температур при испытании на негорючесть алюминиевой фольги с остатками клея, отделенной от базальтового холста

Максимальные температуры, достигнутые в данном эксперименте, составили соответственно 1 076 °С, 1 101 °С и 1 346 °С. После данного эксперимента на испытательном оборудовании пришлось полностью менять термопары. Полученные результаты во избежание порчи испытательных установок позволяют внести предложение по изменению ГОСТ 30244 в части того, что при достижении температуры 950 °С на любой термопаре испытания следует остановить, признав образец горючим.

Научное обоснование ранее не обнаруженного эффекта

Для понимания сути обнаруженного явления необходимо учитывать несколько факторов:

1. Большинство производителей рулонных базальтовых огнезащитных материалов, стремящиеся к тому, чтобы их продукцию признали негорючей, для приклейки фольги к своим изделиям используют клеи на силикатной основе, химическая формула которых содержит щелочные металлы калий и натрий (Na₂Ox nSiO₂; К₂Оx nSiO₂).

Если жестко следовать требованиям существующей редакции ГОСТ 30244, то для признания слоистого материала негорючим необходимо испытать все слои данного материала. Неоднократные испытания, проведенные в различных испытательных центрах, однозначно позволяют утверждать, что по отдельности базальтовый холст, алюминиевая фольга и отвердевший силикатный клей являются негорючими материалами.

Соответственно, мнение специалистов ВНИИПО о том, что фольгированные материалы необходимо испытывать отдельно, отделяя основу от фольги с остатками клея, представляется верным, поскольку позволяет обнаружить, что сочетание двух негорючих веществ не всегда может признаваться негорючим.

Анализируя происходящие при испытании процессы, можно сделать вывод, что с большой степенью вероятности происходит алюминотермическая реакция. Из описания данной реакции:

алюминотермия – это экзотермическая химическая реакция с использованием алюминия в качестве восстановителя при высокой температуре;
алюминотермические реакции протекают с выделением большого количества тепла, температура реакции может достигать 3 000 °С, причем восстановленный расплавленный металл нагревается до белого каления;
для протекания реакции восстановления оксидов алюминия требуется также создание определенных условий, например сплавить восстановляемые окислы с энергично действующими металлами. Активные – щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr).

Из рассмотренного можно сделать вывод, что при испытании на негорючесть алюминиевой фольги с остатками силикатного клея происходит взаимодействие расплавленного алюминия с натрием или калием, окислы которых находятся в составе силикатных клеев. Но это вопрос металлургии, и разбираться с ним должны химики-металлурги.

Выводы

Проведенный анализ соответствия присутствующих на рынке огнезащитных рулонных материалов на основе базальтового супертонкого волокна характеристикам "НГ", указанным в сертификатах, сопровождающих продукцию, позволяет сделать следующие выводы:

Десять из исследуемых материалов (67%) не соответствуют требованиям негорючести.
Три материала (20%) изготовлены из негорючих составляющих, но сочетание алюминиевой фольги и силикатного клея приводит к возможности возникновения алюминотермической реакции, при которой температура может достигать запредельных 3 000 °С, что недопустимо. Следовательно, производителям данных материалов следует задуматься над изменением технологии и отказаться от применения силикатных клеев.
Два материала (13%) полностью соответствуют актуальным требованиям по пожарной безопасности и могут применяться без ограничений.

Все приведенные в данной статье факты подтверждаются официальными документами, фото- и видеоматериалами, все архивные материалы доступны по запросу.

В связи с результатами проведенных испытаний рекомендуем потребителям строительной продукции организовывать входной контроль в необходимом объеме. Заинтересованным организациям необходимо разработать стандарт для проведения испытаний и оценки сложных композиционных материалов.

Результаты исследования доступны по QR-коду:

01 (18)