CZ35748U1

CZ35748U1 - Geopolymerní protipožární a antikorozní nátěr na ocel, dřevo a beton

Info

Publication number: CZ35748U1
Application number: CZ202139426U
Authority: CZ
Inventors: Michal Král; Král Michal Ing., Ph.D.; Zdeněk Mašek; Zdeněk Ing. Mašek; Eva Šrámková; Eva Ing. Šrámková
Original assignee: Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2022-01-25

Description

Technické řešení spadá do oblasti nátěrových hmot s antikorozním a ohnivzdorným účinkem a materiálů pro přípravu těchto hmot.

Dosavadní stav techniky

Nátěry na ocelových konstrukcích plní řadu funkcí, příkladně zabraňují korozi, v případě požáru izolují povrch oceli od destrukčního působení tepla a/nebo vytváří estetický povrch odolný vůči mechanickému poškození. Nátěr je obvykle směsí pojivá a vhodných plniv. Pojivém mohou být polymemí pryskyřice, obvykle epoxidové, polyuretanové, alkydové. Dále existují pojivové systémy založené na roztocích silikátů. Směs pojivá a plniv je obvykle doplněna rozpouštědlem, které snižuje viskozitu směsi na úroveň odpovídající použité technice natírání. Výhodné je použití nátěrů ve formě vodní emulze, kde jsou malé částice pryskyřice rozptýleny ve vodném prostředí. Plniva plní funkci inhibitoru koroze. Rozeznáváme inhibitory pracující na principu anodické ochrany a katodické ochrany. Anodickými inhibitory jsou například chromany. Představiteli katodické ochrany jsou například zinek, hliník či jejich slitiny. Plniva zastávají rovněž funkci bariéry, která zabraňuje pronikání korozních činidel.

Nátěry určené pro nosné ocelové konstrukce by měly obsahovat prvky protipožární ochrany. Podstata protipožární ochrany spočívá zejména ve zpomalení procesu hoření, ve snížení množství kouře, které je hořením generováno, a v oddálení okamžiku destrukce konstrukce. Vlastnosti ideálního protipožárního povlaku lze definovat dle několika kritérií. Prvním z nich je odolnost vůči vlivům vlhkosti, slunečního záření, střídání teplot a střídání zmrazovacích cyklů, a to v případě, jeli konstrukce vystavena vnějším vlivům. Dalšími kritérii jsou dobrá přídržnost k chráněnému povrchu, ochrana konstrukce před korozí, protipožární funkce, zachování ochranných funkcí po dobu minimálně 10 let a dobré aplikační vlastnosti, a to především konzistence vhodná pro aplikaci vzduchovou nebo bezvzduchovou stříkací pistolí.

V oblasti výroby ochranných protipožárních nátěrů s organickou matricí již existuje množství zavedených postupů a přísad, které poskytují ochranné povlaky s různým stupněm protipožárních vlastností.

Protipožární odolnost nátěru může být zvýšena použitím intumescentních neboli zpěňujících, plniv. Pěna vznikající v důsledku působení vysokých teplot izoluje povrch od vlivu tepla a oddaluje tím okamžik, kdy dojde k destrukci konstrukce.

Z hlediska elementárních procesů probíhá při vystavení ochranného povlaku plameni řada dějů, mezi které patří likvidace volných radikálů, endotermní reakce, esterifikace a pyrolýza. Zpěnitelný ochranný nátěr na bázi organických pryskyřic má z hlediska funkce tři typy přísad. Těmi jsou zdroj uhlíku, zdroj kyselosti a nadouvadlo. Typickými zástupci těchto přísad jsou příkladně pentaerytritol jako zdroj uhlíku, dále polyfosfát amonný jako zdroj kyselosti a melamin jako nadouvadlo. Tyto přísady společně s pojivém tvoří ochranný nátěr. V některých nátěrech plní funkci zdroje uhlíku i vlastní organické pojivo. Předpokládá se, že při vysoké teplotě dochází k uvolňování kyseliny fosforečné, která následně esterifikuje volné OH skupiny poskytnuté zdrojem uhlíku. V důsledku esterifikace vzniká větší podíl netěkavých uhlíkových sloučenin, které vykazují viskózní vlastnosti. Současně s tvorbou netěkavých uhlíkových sloučenin dochází k rozkladu nadouvadla za vzniku plynné fáze, a tím k tvorbě porézní struktury uhlíkových sloučenin. Dávkování přísad je voleno tak, aby se při požáru vytvořila objemná vrstva tuhé pěny, která tepelně izoluje povrch a rovněž zabraňuje difúzi kyslíku, který je podstatnou složkou hoření. Současně musí být dávkování přísad nastaveno tak, aby nebyly výrazně zhoršeny další vlastnosti

-1CZ 35748 UI povlaku. V průběhu pyrolýzy rovněž unikají nehořlavé plyny, například dusík s oxidem uhličitým, které ochlazují povrch a snižují koncentraci kyslíku. Slabinou zpěňujících protipožárních nátěru je jejich nízká odolnost vůči vodě a vysoké nároky na dodržování technologických postupů.

V současné době se zvyšuje význam ochranných nátěrů na bázi geopolymerů především z důvodů jejich odolnosti vůči vnějším vlivům a dlouhodobé stálosti požadovaných vlastností.

Autoři článku Temuujin, Minjigmaa, Rickard, Lee, Williams: Preparation of metakaolin based geopolymer coatings on metal substrates as thermal barriers; Applied Clay Science 46 (2009) 265-270 studovali geopolymemí nátěr na kovovém substrátu, a to nerezové oceli a obyčejné konstrukční oceli. Zjistili, že nátěr má nejlepší adhezi při molárním poměru křemíku ku hliníku o hodnotě 2,5 v geopolymemí kompozici. Při tomto poměru bylo dosaženo adhezní pevnosti více než 3,5 MPa. Autoři článku Watolla, Gluth, Sturm, Rickard, Kruger, Schartel: Intumescent Geopolymer-Bound Coatings for Fire Protection of Steel; J. Ceram. Sci. Technol., 08 [3] 351-364 (2017) studovali geopolymemí povlaky na ocelových deskách, které byly exponovány v peci s rostoucí teplotou dle metodiky popsané v ISO 834 1:1999. Při tomto testu je sledován nárůst teploty kovového substrátu, nad kterým vzniká intumescentní izolační vrstva. Nejlepší výsledky byly dosaženy s příměsí tetraboritanu sodného. Při tloušťce nátěru 6 mm bylo dosaženo 500 °C za více než 30 minut.

Ze stavu techniky jsou dále známy protipožární nátěry s minerální matricí. Dokument US 4521333 A popisuje přípravu látky, která vzniká reakcí kyseliny borité, popřípadě její soli s prvky 1. nebo 2. skupiny. Směs dále obsahuje alkalické křemičitany a vzniklé granule lze zapracovávat do intumescentních kompozic. Dokument EP 0816443 A2 popisuje intumescentní nátěr založený na roztoku vodního skla, expandovatelných dutých sfér z organického polymeru a přísadu upravujících reologické vlastnosti, jako např. slídy, TiCE nebo skleněné frity. Směsi popisované citovanými dokumenty jsou vytvrzovány vysycháním a reakcí křemičitanů s oxidem uhličitým, tedy nikoliv geopolymemím mechanismem.

Podstata technického řešení

Technickým řešením je dvoukomponentní geopolymemí nátěrový systém s intumescentními a antikorozními vlastnostmi určený pro nátěry ocelových konstrukcí. Tento systém nevyžaduje pro své vytvrzení vyšší teplotu. Řešení požární odolnosti je založeno na geopolymerů a boraxu (Na2B4O?.10H2O) jako příměsi. V popsaném řešení je nalezen optimální poměr mezi boraxem a dalšími příměsemi - boritanem zinečnatým (2ΖηΟ·3Β2θ3·3,5Η2θ, CAS 138265-88-0) a zásaditým uhličitanem hořečnatým (MgCO3.Mg(OH)2, CAS 12125-28-9). Poměr mezi boraxem a boritanem ovlivňuje dobu zpracovatelnosti, přičemž s rostoucím poměrem boraxu vůči boritanu se doba zpracovatelnosti prodlužuje, zároveň s rostoucím celkovým zastoupením boraxu a boritanu se zhoršují vlastnosti nátěru, a tedy dochází ke snížení tvrdosti a snižování odolnosti vůči vlhkosti. Přídavek zásaditého uhličitanu hořečnatého zkracuje dobu zpracovatelnosti a rovněž dobu vytvrzení. Také zvyšuje odolnost proti navlhání a zvyšuje mechanickou odolnost.

Nátěrový systém se skládá ze dvou funkčně odlišných vrstev. První z těchto vrstev je intumescentní, která v žáru vytváří porézní strukturu. Tato vrstva je současně i adhezní, tedy má adhezi k ocelovému podkladu. Intumescentní vrstva je nej silnější a obsahuje plniva, která uvolňují vodní páru a současně vytvářejí viskózní taveninu. Intumescentní vrstva má menší soudružnost a je citlivá na expozici kapalnou vlhkostí. Druhou vrstvou je vrstva krycí. Tato vrstva rovněž obsahuje plniva, která v omezené míře uvolňují vodní páru. Hlavní funkcí této vrstvy je však ochrana proti vlhkosti a ochrana celého systému proti mechanickému poškození. Rovněž má funkci estetickou, lze ji probarvit vhodným pigmentem. Je obvyklé, že nátěr, který je určen pro ocelové konstrukce, lze aplikovat i na dřevo a beton. Nátěr je určen pro aplikaci štětcem, válečkem nebo nástřikem.

-2CZ 35748 UI

Novost nátěrového systému spočívá v modifikaci složení geopolymerní směsi pro jednotlivé vrstvy. Modifikace pro dobrou adhezi spočívá ve stechiometrickém přebytku alkalického činidla, kdy molámí poměr atomů sodíku a draslíku pocházejících z vodního skla a boraxu vůči atomům hliníku pocházejících z metakaolinu je výrazně větší než jedna. Důsledkem je, že první vrstva systému svojí alkalitou zajišťuje protikorozní ochranu. Modifikace pro intumescenci spočívá v obsahu a vhodném poměru přísad boraxu, boritanu zinečnatého a vermikulitu, které zajišťují souběh vzniku viskózní taveniny a dehydratační reakce. Modifikace směsi pro krycí vrstvu spočívá v obsahu přísady zásaditého uhličitanu hořečnatého, který dodává vrstvě odolnost vůči navlhání, urychluje vytvrzování a zvyšuje mechanickou pevnost.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1 - Nátěr na ocelové konstrukce

Povrch kovu je dokonale očištěn otryskáváním a odmaštěn. Dle Tabulky 1 se adhezní nátěr připraví tak, že do kapalné složky se vmíchají suché komponenty a směs se intenzivně míchá po dobu 10 minut. Následně se nanáší na povrch běžnou technikou. Tloušťka vrstvy je 361 g m'². Doba zpracovatelnosti je 45 minut. Je přípustné ředění vodou do 1 % hmotnosti směsi. Intumescentní vrstva se připravuje obdobně, je však nutné, aby tloušťka každého nánosu nepřesahovala 1500 g m’², jinak se zvyšuje riziko tvorby trhlin. Přestávka mezi jednotlivými nánosy je minimálně 6 hodin. Doba zpracovatelnosti intumescentního nátěru je 45 minut. Nakonec se aplikuje krycí nátěr. Postup přípravy směsi je obdobný, přičemž tloušťka vytvořené vrstvy je 722 g m’². V případě vyššího zatížení vlhkostí nebo oděrem se zvolí větší tloušťka krycí vrstvy.

Tabulka 1: Nátěr na kovové konstrukce

	Intumescentní a adhezní vrstva (g)	Krycí vrstva (g)
Vodní sklo K DV 1.7 (Vodní sklo a.s.)	38,77	44,07
Elkem microsilica Es 900-W (Elkem Materials lne.)	9,17	-
Thermal Silica v0802 V (Saint Gobain Zirpro)		6,75
Mefisto L05 (ČLUZ a.s.)	16,50	18,75
H₂O	-	2,50
AI (OH)₃ (LachNer)	3,67	8,34
Borax dekahydrát Na2B4O7.10H2O (Fichema)	18,33	8,34
FireBrake ZB 2ZnO-3B₂O₃-3,5H₂O (Kremer pigmente)	4,40	2,92
Neexpandovaný Vermikulit 0,25-0,71 mm, (Mg, Fe, A1)₃(A1, Sí)₄Oio(OH)2-4(H₂0), Vermeko)	9,17	-
Magnézium hydroxykarbonát Mg5(CO₃)4(OH)₂(H₂O)4 (Kremer pigmente)	-	8,34

Příklad 2 - Protipožární nátěr dřevěné konstrukce

Povrch dřeva se zbaví nečistot a napenetruje. Směs pro intumescentní nátěr se připraví dle postupu popsaného v Příkladu 1, přičemž množství jednotlivých složek je uvedeno v Tabulce 2. Pro dobrou funkci intumescentního nátěru se vytvoří vrstva s tloušťkou minimálně 3 mm. Toho se dosáhne nanesením 4 nátěrů intumescentní směsi. Poslední krycí vrstva není nezbytná, protože v případě expozice plamenem vznikající pěna zacelí případná poškození.

-3CZ 35748 UI

Tabulka 2: Nátěr na dřevo

	Intumescentní a adhezní vrstva (g)	Krycí vrstva (g)
Vodní sklo K DV 1.7 (Vodní sklo a.s.)	38,77	44,07
Elkem microsilica Es 900-W (Elkem Materials lne.)	-	-
Thermal Silica v0802 V (Saint Gobain Zirpro)	9,17	6,75
Metakaolin Nmeta4 (Sedlecký kaolin a.s.)	16,50	18,75
H₂O	-	2,50
AI (OH)₃ (LachNer)	3,67	8,34
Borax dekahydrát Na2B4O7.10H2O (Fichema)	18,33	8,34
FireBrake ZB 2ΖηΟ·3Β2θ₃·3,5Η2θ (Kremer pigmente)	4,40	2,92
Neexpandovaný Vermikulit 0,25-0,71 mm, Vermeko) (Mg, Fe, A1)₃(A1, SÍ)₄Oio(OH)₂-4(H₂0)	9,17	-
Magnézium hydroxykarbonát Mgs(CO₃)4(OH)2.4 (H2O) (Kremer pigmente)	-	8,34

Příklad 3 -protipožární nátěr na betonové konstrukce

Povrch betonu se zbaví nečistot a napenetruje. Směs pro intumescentní nátěr se připraví dle postupu popsaného v Příkladu 1, přičemž množství jednotlivých složek je uvedeno v Tabulce 3. Pro dobrou funkci intumescentního nátěru se vytvoří vrstva s tloušťkou minimálně 3 mm. Toho se dosáhne nanesením 4 nátěrů intumescentní směsi. Poslední krycí vrstva není nezbytná, protože v případě ίο expozice plamenem vznikající pěna zacelí případná poškození.

Tabulka 3: Nátěr na beton

	Intumescentní a adhezní vrstva (g)	Krycí vrstva (g)
Vodní sklo K DV 1.7 (Vodní sklo a.s.)	38,77	44,07
Elkem microsilica Es 900-W (Elkem Materials lne.)	-	-
Thermal Silica v0802 V (Saint Gobain Zirpro)	9,17	6,75
Metakaolin Nmeta4 (Sedlecký kaolin a.s.)	16,50	18,75
H₂O	-	2,50
AI (OH)₃ (LachNer)	3,67	8,34
Borax dekahydrát Na₂B4O7.10H₂O (Fichema)	18,33	8,34
FireBrake ZB 2ΖηΟ·3Β₂Ο₃·3,5Η₂Ο (Kremer pigmente)	4,40	2,92
Neexpandovaný Vermikulit 0,25-0,71 mm, Vermeko) (Mg, Fe, A1)₃(A1, SÍ)₄Oio(OH)2-4(H₂0)	9,17	-
Magnézium hydroxykarbonát Mg5(CO₃)4(OH)2.4 (H2O) (Kremer pigmente)	-	8,34

Průmyslová využitelnost

Geopolymerní protipožární a antikorozní nátěr na ocel, dřevo a beton je průmyslově využitelný při ošetření stavebních konstrukcí z těchto materiálů.

Claims

1. Geopolymemí protipožární a antikorozní nátěr na ocel, dřevo a beton, vyznačující se tím, že 5 obsahuje pouze anorganické komponenty, a to vodní sklo, pyrogenní oxid křemičitý, metakaolin, vodu, hydroxid hlinitý, borax, boritan zinečnatý, vermikulit a hydroxykarbonát hořečnatý.

2. Geopolymemí protipožární a antikorozní nátěr na ocel, dřevo a beton podle nároku 1, vyznačující se tím, že další anorganickou komponentou je mikrosilika.

3. Geopolymemí protipožární a antikorozní nátěr na ocel, dřevo a beton podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že molámí poměr atomů sodíku a draslíku pocházejících z vodního skla a boraxu vůči atomům hliníku pocházejících z metakaolinu je větší než jedna.