ВПЛИВ ОКСИДІВ ТА НАНООКСИДІВ ТИТАНУ І ЦИНКУ НА ТЕРМОСТІЙКІСТЬ ІНТУМЕСЦЕНТНИХ СИСТЕМ
DOI:
https://doi.org/10.30857/2786-5371.2026.4.1Ключові слова:
інтумесцентні покриття, оксид титану, оксид цинку, нанооксиди, термогравіметричний аналіз, ІЧ-спектроскопія, карбонізація, коксовий шар, вогнезахистАнотація
Мета. Дослідження впливу оксидів титану (TiO2) та цинку (ZnO) у мікро- та нанорозмірному стані на процеси спучення, термодеструкції та формування коксового шару інтумесцентних систем складу поліфосфат амонію, меламін, пентаеритрит, співполімер етилену з вінілацетатом. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю підвищення термостійкості та ефективності вогнезахисних покриттів шляхом модифікації їх складу функціональними добавками, зокрема нанооксидними матеріалами
Методика. Методами термогравіметричного аналізу, ІЧ-спектроскопії та скануючої електронної мікроскопії встановлено закономірності впливу природи оксидів і їх дисперсності на перебіг термохімічних процесів в інтумесцентній системі.
Результати. Показано, що TiO2 забезпечує максимальний коефіцієнт спучення та інтенсивне формування структури коксу, тоді як ZnO підвищує стабільність коксового шару. Використання досліджуваних нанорозмірних оксидів призводить до суттєвого підвищення термостійкості систем, що проявляється у зниженні швидкості втрати маси, зміщенні температур деструкції у високотемпературну область та збільшенні виходу коксового залишку. ІЧ-спектроскопічний аналіз підтверджує формування фосфор- та азотовмісного каркасу з розвитком структур типу P–N–C і ароматизованих фрагментів, відповідальних за стабільність коксу.
Наукова новизна. Вперше встановлено, що нанооксиди металів беруть участь у каталітичних процесах дегідратації та карбонізації, а також сприяють міжфазному зшиванню полімерної матриці та формуванню щільної тривимірної структури коксового шару. Показано, що найбільш ефективною є система з нанооксидом цинку, яка забезпечує максимальний вихід коксу та підвищену термостійкість інтумесцентного шару.
Практична значущість. Експериментально доведено та науково обґрунтовано доцільність застосування модифікованих нанооксидами металів інтумесцентних систем як високоефективних вогнезахисних покриттів. Отримані результати відкривають нові технологічні підходи до спрямованого регулювання властивостей вогнезахисних композицій і можуть бути використані при розробці нових рецептур інтумесцентних матеріалів із покращеною вогнезахисною ефективністю для будівельної галузі.
Посилання
Nazrun T., Hassan M. K., Hasnat M. R., Hossain M. D., Ahmed B., Saha, S. A. Comprehensive review on intumescent coatings: formulation, manufacturing methods, research development, and issues. Fire. 2025. No. 8 (4). Аrticle 155. DOI: https://doi.org/10.3390/fire8040155.
Li Y., Cao C.-F., Chen Z.-Y., Liu S.-C., Bae J., Tang L.-C. Waterborne intumescent fire-retardant polymer composite coatings: a review. Polymers. 2024. No. 16 (16). Аrticle 2353. DOI: https://doi.org/10.3390/polym16162353.
Yi L., Feng S., Wang Z., Ding Y., Chu T., Zhuang Y. A comprehensive model to predict the fire performance of intumescent fire-retardant coating on steel substrate. Journal of Building Engineering. 2024. No. 95. Аrticle 110127. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.110127.
Fu A., Ulusoy B., Ahmadi H., Wu H., Dam-Johansen K. Intumescent coatings: Comprehensive advances with a focus on inorganic-dominant systems. Progress in Organic Coatings. 2025. No. 199. Аrticle 108939. DOI: https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2024.108939.
Yasir M., Ahmad F., Yusoff P. S. M. M., Ullah S., Jimenez M. Latest trends for structural steel protection by using intumescent fire protective coatings: a review. Surface Engineering. 2019. No. 36 (2). Р. 1–30. DOI: https://doi.org/10.1080/02670844.2019.1636536.
Hafiz T., Covello J., Wnek G. E., Melaiye A., Wei Y., Ji J. Intumescent coatings and their applications in the oil and gas industry: formulations and use of numerical models. Polymers. 2025. No. 17. Аrticle 1923. DOI: https://doi.org/10.3390/polym 17141923.
Ding Y., Stoliarov S., Kraemer R. Pyrolysis model development for a polymeric material containing multiple flame retardants: Relationship between heat release rate and material composition. Combustion and Flame. 2019. No. 202. Р. 43–57. DOI: https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2019.01.003.
Patel R., Chaudhary M. L., Patel Y. N., Chaudhari K., Gupta, R. K. Fire-resistant coatings: advances in flame-retardant technologies, sustainable approaches, and industrial implementation. Polymers. 2025. No. 17. Аrticle 1814. DOI: https://doi.org/10.3390/polym17131814.
Kalafat K. et al. Comparison of fire resistance of polymers in intumescent coatings. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2020. No. 10. P. 45–54. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.209841.
Puri R. G., Khanna A. S. Intumescent coatings: A review on recent progress. Journal of Coatings Technology and Research. 2016. No. 14 (1). Р. 1–20. DOI: https://doi.org/10.1007/s11998-016-9815-3.
Bourbigot S., Sarazin J., Samyn F., Jimenez M. Intumescent ethylene-vinyl acetate copolymer: Reaction to fire and mechanistic aspects. Polymer Degradation and Stability. 2019. No. 161. Р. 235–244. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2019.01.029.
Vakhitova L., Kalafat K., Vakhitov R., Drizhd V. Improving the fire-retardant performance of industrial reactive coatings for steel building structures. Heliyon. 2024. No. 10 (14). Аrticle e34729. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e34729.
Singh N. B., Usman U. L., Abdala A. Nanomaterials in fire protection: Innovations for enhanced safety and durability. Nano-Structures & Nano-Objects. 2025. No. 42. Аrticle 101497. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2025.101497.
Rabajczyk A., Zielecka M., Popielarczyk T., Sowa, T. Nanotechnology in fire protection – application and requirements. Materials. 2021. No. 14. Article 7849. DOI: https://doi.org/10.3390/ma14247849.
Salaün F., Lemort G., Butstraen C., Devaux E., Capon G. Influence of silica nanoparticles combined with zinc phosphinate on flame retardant properties of PET. Polymers for Advanced Technologies. 2017. No. 28. Р. 1919–1928. DOI: https://doi.org/10.1002/pat.4081.
Hou Y., Xu Z., Chu F., Gui Z., Song L., Hu Y., Hu W. A review on metal-organic hybrids as flame retardants for enhancing fire safety of polymer composites. Composites Part B: Engineering. 2021. No. 221. Аrticle 109014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109014.
Feng Y., He C., Wen Y., Zhou X., Xie X., Ye Y., Mai Y.-W. Multi-functional interface tailoring for enhancing thermal conductivity, flame retardancy and dynamic mechanical property of epoxy/Al2O3 composites. Composites Science and Technology. 2018. No. 160. Р. 42–49. DOI: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2018.03.009.
Nageswara Rao T., Naidu T. M., Kim M. S., Parvatamma B., Prashanthi Y., Heun Koo B. Influence of zinc oxide nanoparticles and char forming agent polymer on flame retardancy of intumescent flame retardant coatings. Nanomaterials. 2020. No. 10 (1). Аrticle 42. DOI: https://doi.org/10.3390/nano10010042.
Si M., Feng J., Hao J., Xu L., Du J. Synergistic flame retardant effects and mechanisms of nano-Sb2O3 in combination with aluminum phosphinate in poly(ethylene terephthalate). Polymer Degradation and Stability. 2014. No. 100. Р. 70–78. DOI: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2013.12.023.
Azi A., Ahmad F. Effects from nano-titanium oxide on thermal resistance of intumescent fire retardant coating for structural applications. Progress in Organic Coatings. 2016. No. 101. Р. 431–439. DOI: https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2016.09.017.
Zeng Y., Weinell E. C., Dam-Johansen K., Ring L., Kiil S. Effects of coating ingredients on the therml properties and morphological structures of hydrocarbon intumescent coating chars. Progress in Organic Coating. 2020. No. 143. Аrticle 105626. DOI: https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2020.105626.
Chaisaenrith P., Taksakulvith P., Pavasupree S. Effect of nano titanium dioxide in intumescent fireproof coating on thermal performance and char morphology. Materials Today: Proceedings. 2021. No. 47. Аrticle 4207. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.461.
Rodrigues O., Shimpi N. G. Nanostructured flame retardants: An overview. Nano-Structures & Nano-Objects. 2024. No. 39. Аrticle 01253. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2024.101253.
Rao T. N., Naidu T. M., Kim M. S. et al. Influence of zinc oxide nanoparticles and char forming agent polymer on flame retardancy of intumescent flame retardant coatings. Nanomaterials. 2019. No. 10 (1). Аrticle 42. DOI: https://doi.org/10.3390/nano10010042.
