Огнестойкое экранирующее покрытие на основе шунгитсодержащей краски

ри проектировании и создании экранирующих электромагнитное излучение (ЭМИ) помещений должны использоваться строительные материалы, изделия и конструкции, обеспечивающие соблюдение требований безопасности, а именно: механической прочности и устойчивости, пожарной безопасности, гигиены, защиты здоровья человека, охраны окружающей среды и т. д. [1]. Для создания таких помещений могут использоваться отделочные материалы, представляющие собой связующее с электропроводящими наполнителями, в качестве которых чаще всего используют порошки металлов и углерода. Для связывания частиц порошков могут применяться краски, отделочные смеси и другие материалы. Связующие материалы предназначены для формирования однородной структуры, придания адгезии и задания механической прочности покрытия. Экранирующие характеристики композиционных материалов определяются концентрацией, размерностью и структурой используемого порошкового наполнителя, однако повышение содержания порошка сверх определенной пороговой величины приводит к резкому ухудшению механических характеристик и адгезии покрытия к основанию.

На сегодняшний день перспективным является создание экранирующих отделочных строительных материалов на основе нанопорош-кообразных наполнителей, обладающих за счет своей размерности особыми свойствами, что обеспечивает возможность управления характеристиками экранирования электромагнитного излучения и обеспечивает высокие механические характеристики получаемых покрытий. Предпочтительно использование электропроводных углеродсодержащих минералов в порошкообразном виде, которые, в отличие от металлических порошков, не подвержены коррозии и обладают электропроводностью [2].

В работе [3] показана высокая эффективность композитных поглотителей ЭМИ на основе порошкообразного углеродсиликатного минерала шунгита. Уникальные свойства шунгита определяются структурой и составом образующих его элементов. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены высокодисперст- ные силикаты со средним размером около 1 мкм [4]. Основу шунгитового углерода представляет многослойная фуллереноподобная глобула, диаметром 10–30 нм, поэтому порошкообразный шунгит можно отнести к нанопорошкам (рис. 1).

Рис. 1. Нанодифракционная картина шунгитового углерода (зонд 0,3–0,7 нм) [4]

Помещая внутри углеродных кластеров разные атомы и молекулы, можно создавать различные материалы и сорбенты с широким спектром физико-химических свойств, таких как: электропроводность, диэлектрические потери и механическая прочность.

Исследовались экранирующие характеристики покрытия на основе водоэмульсионной огнестойкой краски с добавлением порошка шунгита в соотношении 1:2. Такая концентрация обеспечивает вязкую консистенцию смеси, удобную для нанесения на любые поверхности. После помола размер частиц, отделенных с помощью сита, составлял менее 20 нм. В качестве огнестойкой краски был выбран огнезащитный состав марки «Аг-ниТерм М», который представляет собой суспензию пигментов, реактивных и инертных наполнителей в стабилизированной водной дисперсии синтетических полимеров с модифицирующими добавками. Огнезащитное покрытие «АгниТерм М» обеспечивает пассивную противопожарную защиту путем образования под воздействием высокой температуры трудногорючего пенообразного термоизолирующего слоя (кокса). При сильном нагревании краска вспенивается и образует изолирующий слой в несколько сантиметров. Огнезащитный состав имеет хорошую адгезию, легко наносится, не имеет запаха [5]. Полученная смесь наносилась

Е.С. БЕЛОУСОВА и др. Огнестойкое экранирующее покрытие на основе шунгитсодержащей краски равномерным слоем толщиной 1,5 мм на прессованное целлюлозное основание размером 220х170 мм и толщиной 3 мм.

Испытания огнестойкости полученного покрытия проводились в соответствии с Нормами пожарной безопасности Республики Беларусь [6] и санитарно-гигиеническими требованиями. Высоту пламени температурой +1700оС регулировали вентилем, и в вертикальном положении горелки оно составляло (40±2) мм. Время испытания составило 3 минуты 40 секунд, после чего эксперимент был прекращен. Образец не прогорел и сохранил свои механические свойства, в результате воздействия пламени наблюдалось возникновение пенообразного термоизолирующего слоя – кокса (рис. 2).

Рис. 2. Испытание образца покрытия из краски с добавлением нанопорошка шунгита открытым пламенем температурой 1700^оС

Было проведено рентгенодифракционное исследование коксоподобного порошка пенообразного термоизолирующего слоя, полученного в результате воздействия открытого пламени на покрытие из огнезащитной краски с добавлением шунгита, на установке ДРОН-3М с использованием СиК _а -излучения (длина волны X = 1,5417737 А ) и графитового фильтра в диапазоне углов от 15^о до 100^о (рис. 3).

Определение химического состава полученного вещества производилось в программе для идентификации рентгенодифракционных максимумов веществ – «MATCH!». Данная программа позволяет определять фазы в образце путем сравнения его порошковой дифракции

15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Угол 26,град

Рис. 3. Дифрактограмма коксоподобного порошка пенообразного термоизолирующего слоя огнезащитной краски с добавлением шунгита после воздействия открытого пламени с эталонными дифрактограммами веществ, которые находятся в базе данных «Crystallography Open Database» (COD). Также «MATCH!» позволяет провести качественный анализ содержания исходного и полученного вещества в образце (табл.).

В результате рентгенодифракционного анализа образцов было установлено, что в химический состав порошка шунгита входит шунгитовый углерод, который представлен некристаллической формой углерода (неграфитируемая, стойкая против кристаллизации, фуллереноподобная), содержащей фуллерен в форме С60 [7], и процентный состав углерода (С) составляет 11,3%, фуллерена (С60) – 18,8%. В полученном коксоподобном порошке углерода не обнаружено, что говорит о переходе его в аморфную форму (состояние с неупорядоченной структурой, в основе которого лежит структура мелкокристаллического графита). При обычных условиях углерод химически инертен, при высоких температурах он соединяется со многими элементами, проявляя сильные восстановительные свойства. Химическая активность убывает при температурах выше 300–500оС с образованием двуокиси углерода (CO2) и окиси углерода (CO) [8].

Температура плавления α -кварца (SiO₂) составляет 1610^оС, при которой он распадается на Si и SiO₂, при взаимодействии с различными

Таблица

Анализ шунгитсодержащей огнестойкой краски с помощью программы «MATCH!»

Название фазы Химическая формула Номер записи в базе данных COD Содержание, % масс. Содержание в шунгите, % масс. Ортоклаз K2O•Al2O3•6SiO2 96–900–0312 62,8 Барит BaSO4 96–900–0651 12,8 Оксид циркония ZrO2 96–900–7449 5,9 1,1 Оксид цинка ZnO 96–230–0114 2,5 Рутил TiO2 (пигмент краски) 96–900–7433 7,4 1,2 Диоксид кремния (α-кварц) SiO2 96–101–1173 1,9 50,1 Шпинель Al2MgO4 96–900–2740 2,8 Кремний Si 96–900–8567 4,0 Углерод (графит) C 96–901–2231 11,3 Фуллерен C60 96–901–1581 18,8 Мусковит (слюда) KAl3Si3O11•H2O 96–101–1050 7,7 Пеллиит CaMg0,22Ba2Al0,2Fe1,48Mn0,18Zn0,12 Si5.8O17 96–900–0483 3,0 Карбонат железа FeCO3 96–500–0037 0,5 Магнетит Ca0,01Mg0,06Al0,05Fe2,1Mn0,02V0,01 Ti0,74Si0,01O4 96–900–4157 4,4 Кальсилит KAlSiO4 96–900–9435 0,2 Анатаз TiO2 96–900–8214 1,7 оксидами образуются силикаты. Как видно из таблицы, порошкообразный шунгит содержит 50,1% α-кварца (SiO2), в результате воздействия открытого пламени температурой 1700оС он распался на кремний (Si) – 4% и α-кварца (SiO2) – 1,9%, а также, взаимодействуя с различными оксидами, участвовал в образовании ортоклаза (62,8%), который также образуется в результате удаления воды в мусковите (KAl3Si3O11•H2O) при температуре выше 850оС.

В состав огнестойкой краски марки «АгниТерм М» входит: оксид цинка (ZnO), барит (BaSO4) и диоксид титана (TiO2), которые являют- ся основными пигментами краски. Оксид циркония (ZrO2) и шпинель (Al2MgO4) добавляются в краску для огнестойкости. Остальные вещества, присутствующие в шунгите, в ходе рентгенодифракционного исследования коксоподобного порошка, образованного в результате термического воздействия, обнаружены не были, что говорит об их реакции с другими веществами.

Исследования экранов ЭМИ связаны с измерением их эффективности экранирования, которая обычно характеризуется величиной коэффициентов передачи и отражения мощности энергии ЭМИ от образца в некотором диапазоне частот. Допущения, связанные с пренебрежением незначительным затуханием ЭМИ в свободном пространстве по сравнению с ослаблением излучения, обеспечиваемым исследуемым мате- риалом, позволяют использовать упрощенную методику измерения эффективности экранирования.

Для исследования экранирующих характеристик созданных образцов элементов конструкций экранов ЭМИ в диапазоне 8…12 ГГц использовался панорамный измеритель ослабления и КСВН Я2Р-67 с ГКЧ-61 и волноводным трактом, который обеспечивает выделение и детектирование уровней падающей и отраженной (или прошедшей) волн электромагнитного излучения. Калибровка оборудования перед началом измерений экранирующих характеристик производилась по стандартной методике [9].

Коэффициент передачи ЭМИ S21 определяется отношением напряженностей падающей волны и волны, прошедшей через образец, и представляет собой величину, обратную ослаблению А:

S21 = 20 log

прош

= -А,дБ .

под )

Коэффициент отражения определяется через коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) измерительного тракта с образцом в режимах согласованной нагрузки и короткого замыкания (с установленным металлическим отражателем):

5n=201og

omp

V ^ под

= 20 log

'KCBH-V

VKCBH + 1V

дБ ,

где E_отр, E_пад, E_прош – напряженности отраженной, падающей волн и волны, прошедшей через образец, соответственно.

Проведенные измерения экранирующих характеристик покрытия из шунгитосодержащей краски до и после воздействия открытого пламени анализировались вместе с результатами рентгенодифракционного исследования полученного порошка.

Установлено, что после воздействия открытого пламени температурой 1700оС коэффициент передачи ЭМИ увеличивается на 2,5 дБ (рис. 4в), уменьшается коэффициент отражения на 4 дБ (рис. 4а) и на 2…6 дБ с использованием металлического отражателя (рис. 4б). Рентгенодифракционные исследования химического состава покрытия после сжигания показали образование в полученном материале ортоклаза (K2O•Al2O3•6SiO2), содержащего до 64% диоксида кремния (SiO2), который является диэлектриком, и уменьшение процентного содержания шунгитового углерода, что привело к снижению общей проводимости материала покрытия и изменению его диэлектрических характеристик. Это обусловило уменьшение эффективности экранирования ЭМИ за счет уменьшения доли электромагнитной энергии, отражаемой

б)

Частота, ГГц

Рис. 4. Графики частотной зависимости:

а – коэффициента передачи; б – коэффициента отражения без металла; в – коэффициента отражения с металлом в диапазоне частот 8–12 ГГц

Е.С. БЕЛОУСОВА и др. Огнестойкое экранирующее покрытие на основе шунгитсодержащей краски от покрытия (рис. 4б). Нанесение покрытия на металлическую подложку приводит к увеличению ослабления ЭМИ (свыше 40 дБ) металлическим слоем с высокой проводимостью и позволяет снизить уровень отражаемой энергии вследствие приближения волновых характеристик композиционного покрытия к импедансу свободного пространства. Измерения характеристики отражения с металлическим отражателем, установленным за образцом покрытия, показывают, что изменение диэлектрических свойств покрытия привело к улучшению согласования волновых характеристик покрытия и свободного пространства, что позволяет получить коэффициент отражения порядка –8…–10 дБ при величине коэффициента передачи менее –40 дБ.

Предложенное огнестойкое покрытие на основе краски с добавлением нанопорошка шунгита может быть использовано для обработки стен, пола, потолка и других поверхностей в экранируемых помещениях для снижения уровня ЭМИ. Огнестойкость покрытия из шунгитсо-держащей краски обусловлена сохранением механических свойств при воздействии открытого пламени при температуре 1700оС не менее трех минут с образованием пенообразного термоизолирующего слоя (кокса). Исследования рентгенофазового анализа коксоподобного порошка, образовавшегося в результате воздействия открытого пламени, и экранирующих характеристик покрытия из шунгитсодержащей краски в диапазоне частот 8…12 ГГц показали, что в результате горения образуется ортоклаз (62,8%) и снижается содержание углерода в силикатной матрице, что выражается в снижении доли ослабляемой энергии ЭМИ и уменьшении коэффициента отражения ЭМИ от покрытий.

Разработанная шунгитсодержащая краска предлагается для отделки экранированных помещений, в которых эксплуатируются технические средства обработки информации ограниченного доступа, или серверных помещений, защищенных от утечки данных через побочные электромагнитные излучения и наводки и от возможных внешних электромагнитных воздействий. В случае повреждения покрытия вследствие воздействия открытого пламени, участки можно механически очистить и снова покрыть шунгитсодержащей краской.

Контакты

Уважаемые коллеги!

При использовании материала данной статьи просим делать библиографическую ссылку на неё:

Белоусова Е.С, Насонова Н.В., Лыньков Л.М. и др. Огнестойкое экранирующее покрытие на основе шунгитсодержащей краски // Нанотехнологии в строительстве: научный Интернет-журнал. М.: ЦНТ «НаноСтроительство». 2013, Том 5, № 4. C. 97–109. URL: (дата обращения: ______________).

Dear colleagues!

The reference to this paper has the following citation format:

Belousova E.S., Nasonova N.V., Lynkov L.M. Fire-resistant shieldingcoatingbasedonshungite-containingpaint.Nanotechnologies in Construction: A Scientific Internet-Journal, Moscow, CNT «NanoStroitelstvo». 2013, Vol. 5, no. 4, pp. 97–109. Available at: (Accessed _______________). (In Russian).