Автореферат диссертации (Модифицированные эпоксидные композиционные материалы пониженной пожарной опасности)

На правах рукописиКопытин Андрей ВикторовичМОДИФИЦИРОВАННЫЕ ЭПОКСИДНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕМАТЕРИАЛЫ ПОНИЖЕННОЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИСпециальность 05.23.05 – «Строительные материалы и изделия»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 20182Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет»(НИУ МГСУ).Научный руководитель:кандидат технических наук,Ушков Валентин АнатольевичОфициальные оппоненты:Хозин Вадим Григорьевичдоктор технических наук, профессор, ФГБОУВО«Казанскийгосударственныйархитектурно-строительныйуниверситет»,кафедра«Технологиястроительныхматериалов,изделийиконструкций»,заведующийЛомакин Сергей Модестовичкандидат химических наук, ФБГУН «Институтбиохимической физики им. Н.М.

ЭмануэляРоссийской академии наук», лаборатория«Химическойстойкостиполимеров»,заведующийВедущая организация:Федеральное государственное бюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразования«АкадемияГосударственнойпротивопожарной службы МЧС России»Защита состоится «02» апреля 2018 г. В 11 часов 00 минут на заседаниидиссертационного совета Д 212.138.02, созданного на базе ФГБОУ ВО«Национальный исследовательский Московский государственный строительныйуниверситет» по адресу: 129337, г. Москва, ул.

Ярославское шоссе, д.26, ауд. №9,открытая сеть.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО«Национальный исследовательский Московский государственный строительныйуниверситет» www.mgsu.ruАвтореферат разослан «__» ________ 2018 г.Ученый секретарьДиссертационногосоветаАлимов Лев Алексеевич3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальностьтемыисследования.Полимерныекомпозиционныематериалы (ПКМ) на основе эпоксидных связующих широко применяют встроительной отрасли в качестве системы внешнего армирования при усилениинесущих строительных конструкций зданий и сооружений. Достоинствомэпоксидных композитов является их технологичность, низкая масса, относительновысокая прочность, стойкость к воздействию агрессивных внешних факторов.Однако повышенная пожарная опасность эпоксидных композитов сдерживает ихболее широкое применение в строительстве.

При этом использование аддитивныхброморганических антипиренов для снижения горючести эпоксидных полимеровприводит к уменьшению физико-механических характеристик композиционныхматериалов. Поэтому разработка эффективных методов снижения пожарнойопасностиэпоксидныхобладающихвысокимисвязующихисозданиеэксплуатационнымипожаробезопасныххарактеристикамиПКМ,являетсяактуальной проблемой.Диссертация выполнена на базе кафедры ТВВиБ НИУ МГСУ в соответствиис подпрограммой №14 «Развитие производства композиционных материалов(композитов) и изделий из них», государственной программы РоссийскойФедерации «Развитие промышленности и повышения её конкурентоспособности»,№328 от 15.04.2014 и планом научно-исследовательских работ НИУ МГСУ.Степень разработанности темы.

Основными элементами системы внешнегоармирования железобетонных конструкций являются ткани и холсты различныхмарок и переплетения на основе арамидных, стеклянных или углеродных волокон,утапливаемые на поверхности строительных конструкций в полимерную матрицу,котораяобеспечиваетплотноесцеплениеармирующегонаполнителясусиливаемой конструкцией. Наиболее распространенным методом снижениягорючести эпоксидных полимеров является применений аддитивных бром- ифосфорсодержащих антипиренов, которые существенно снижают прочностныехарактеристики композиционных материалов.4При выполнении диссертационной работы принята научная концепция,согласно которой, повышение пожарной безопасности и прочности эпоксидныхПКМ может быть достигнуто за счет химической модификации эпоксидныхсвязующих реакционноспособными бромсодержащими соединениями в сочетанииспроизводнымитонкодисперснымферроцена,повышениянаполнителемввзаимодействиярезультатесвязующихплазменнойиобработкинеорганических наполнителей и применения в качестве минеральной фибрыотходов производства наноструктурированного ферромагнитного микропровода.Целью диссертационной работы является разработка модифицированныхэпоксидных композиционных материалов пониженной пожарной опасности,обладающих высокими прочностными характеристиками, для повышения несущейспособности железобетонных конструкций.Достижение поставленной цели диссертационной работы предполагаетрешение следующих научных и практических задач: разработать теоретическиеэпоксидныхПКМ,положения создания пожаробезопасныхобладающихвысокимифизико-механическимихарактеристиками, для усиления железобетонных конструкций; установить зависимости содержания и химической природы наиболеераспространенных минеральных наполнителей, используемых для производстваполимеррастворов, а также продуктов бромирования эпоксидной диановой смолы,модифицированного анилином диглицидилового эфира тетрабромдиана ипроизводных ферроцена на термостойкость, горючесть и дымообразующуюспособность эпоксидных композитов; установитьнизкотемпературнойвлияниеобработкинеравновеснойтонкодисперснойплазмой(НТНП)кварцевойнамукипрочностныехарактеристики эпоксидных композитов; изучить влияние диаметра, длины и содержания минеральной фибры(наноструктурированного ферромагнитного микропровода) на прочностныехарактеристики эпоксидных композитов;5 оптимизировать состав модифицированных эпоксидных композиционныхматериалов пониженной пожарной опасности; провестиэксплуатационныхкомплексноеисследованиехарактеристик,показателейтехнологическихпожарнойиопасностиразработанных модифицированных эпоксидных композиционных материалов; исследоватьэффективностьпримененияразработанныхмодифицированных эпоксидных ПКМ для повышения несущей способностивосстановленных железобетонных плит перекрытия, выполнить расчет ихпрочности; разработать технологию применения разработанных модифицированныхэпоксидных композиционных материалов пониженной пожарной опасности дляусиления железобетонных конструкций; провести промышленную апробацию разработанных модифицированныхэпоксидных ПКМ пониженной пожарной опасности, дать технико-экономическоеобоснование целесообразности их применения.Научная новизна работы: разработаны основные принципы повышения пожарной безопасности ипрочностиэпоксидныхПКМзасчетсовместногоиспользованияреакционноспособных бромсодержащих эпоксидных соединений, производныхферроцена и модифицированного низкотемпературной неравновесной плазмойтонкодисперсного наполнителя, а также применения в качестве минеральнойфибрыотходовпроизводствананоструктурированногоферромагнитногомикропровода; установлены зависимости термостойкости, горючести и дымообразующейспособностиэпоксидныхнеразлагающихсякомпозитовминеральныхотсодержаниянаполнителей,разлагающихсяпродуктовибромированияэпоксидной смолы ЭД-22, модифицированного анилином диглицидилового эфиратетрабромдиана и производных ферроцена; на основе выявленной корреляции между маломасштабными методамиоценки горючести эпоксидным композитов, доказано, что при кислородном6индексе (КИ) более 31% эпоксидные ПКМ могут быть отнесены к слабогорючимматериалам, а при КИ˃27% - к умеренногорючим материалам; методами лазерной дифракции, спектроскопии и рентгеновского анализаустановлено влияние плазменной модификации тонкодисперсной кварцевой мукина ее поверхности и прочностные характеристики эпоксидных композитов; установлено влияние диаметра, длинны и содержания минеральной фибры(отходов производства наноструктурированного ферромагнитного микропровода)на прочностные характеристики эпоксидных композитов.Теоретическая и практическая значимость исследования.

Разработанымодифицированные эпоксидные ПКМ пониженной пожарной опасности, сумереннойдымообразующейспособностью(Д2),обладающиевысокимиэксплуатационными характеристиками, за счет совместного использованиягидроксидов металлов, модифицированного анилином диглицидилового эфиратетрабромдиана и производных ферроцена, для применения в различных отрасляхстроительства.Предложена2-хкратнаяобработкатонкодисперсногоминеральногонаполнителя НТНП и применения в качестве минеральной фибры 0,5-1 мас.%отходов производства наноструктурированного ферромагнитного микропроводадиаметром 5-35 мкм и длиной 10-25 мм, приводящих к повышению прочностипожаробезопасных эпоксидных ПКМ за счет улучшения взаимодействиякомпонентов ПКМ.Разработана технология приготовления модифицированных эпоксидныхсвязующих пониженной пожарной опасности и применения пожаробезопасныхэпоксидныхкомпозиционныхматериаловдляусиленияжелезобетонныхконструкций.Показано,железобетонныхчтоплитвнешнееармированиеперекрытиявосстановленныхразработаннымитестовыхмодифицированнымиэпоксидными композитами, армированными углеродными сеткой FibArmGrid380/1000 или лентой FibArmTape 230/150, повышает их несущую способность7более чем в 1,7 раза.

Получен патент №2623767 от 29.06.2017 на эпоксиднуюкомпозицию.Внедрение результатов исследования. Разработанные модифицированныепожаробезопасные эпоксидные ПКМ использованы для усиления монолитныхжелезобетонных плит перекрытий административно-торгового комплекса сподземной автостоянкой «Mirax-Plaza» на площади 102 м2 и монолитныхжелезобетонных колонн и фасадной балки жилищно-административного центра сподземной автостоянкой в г. Москва на площади 315 м2, монолитнойжелезобетонной плиты перекрытия индивидуального жилого дома Московскойобластинаплощадим2286,2ивжелезобетонныхконструкцийкоммуникационного коллектора «Лужники» (г.

Москва) на площади 1200 м2.Экономический эффект от применения разработанных эпоксидных композитовпревысил 599 тыс. рублей.Методология и методы исследования. При разработке модифицированныхпожаробезопасныхэпоксидныхисследованийприменениемсмикроанализаторразмераПКМиспользовалисовременногочастицFritschстандартныеоборудования«Analysette22»,методы(лазерныйрентгеновскийдифрактометр Thermo Scientific «ARL X’TRA», растровый электронный микроскопFEI Company «Quanta 200», термовесы «TGA-951» и дифференциальносканирующий калориметр «DSC-910» фирмы «DuPont», разрывные машины«Instron 1000 HDX» и «Instron-1195»). Методологической основой исследованийявляетсятеоретико-эмпирическиеэксперименте,сравнении,методы,методахбазирующиесяматематическогонаобобщении,компьютерногопланирования.Положения, выносимые на защиту: основные принципы повышения пожарной безопасности и прочностиэпоксидных ПКМ за счет совместного использования реакционноспособныхбромсодержащихмодифицированногоэпоксидныхсоединений,низкотемпературнойпроизводныхферроценанеравновеснойиплазмойтонкодисперсного наполнителя, а также применения в качестве минеральной8фибрыотходовпроизводствананоструктурированногоферромагнитногомикропровода; зависимоститермостойкостиипоказателейпожарнойопасностиэпоксидных композитов от химической природы и содержания тонкодисперсныхнаполнителей,аддитивныхиреакционноспособныхбромсодержащихантипиренов, производных ферроцена; влияниеусловийобработкикварцевоймукинизкотемпературнойнеравновесной плазмой на микроструктуру наполнителя и физико-механическиесвойства эпоксидных композитов; зависимости прочностных показателей эпоксидных композитов отсодержания, длины и диаметра наноструктурированного ферромагнитногомикропровода; результатыжелезобетонныхиспытанияплитирасчётаперекрытия,восстановленныхусиленныхтестовыхразработаннымимодифицированными пожаробезопасными эпоксидными композитами; результаты промышленной апробации разработанных модифицированныхпожаробезопасныхэпоксидныхкомпозитовиихтехнико-экономическиепоказатели.Степень достоверности и апробация результатов.