vestichИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series1561-83312524-2342The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8331-2025-61-4-271-285vestich-979Research ArticleФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯPHYSICAL CHEMISTRYЗависимость огне-термозащитных свойств стирол-акрилового термовспениваемого композиционного материала от соотношения основных компонентовDependence of fire-heat protective properties of styrene-acrylic intumescent composite material on the ratio of main componentshttps://orcid.org/0000-0002-8557-9925БогдановаВ. В.BogdanovaV. V.

Богданова Валентина Владимировна – доктор химических наук, профессор, заведующий лабораторией

ул. Ленинградская, 14, 220006, Минск

Bogdanova Valentina V. – Dr. Sc. (Chemistry), Professor, Head of the Laboratory

14, Leningradskaya Str., 220006, Minsk

bogdanova@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0002-6702-7430КобецО. И.KobetsO. I.

Кобец Ольга Игоревна – кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник

ул. Ленинградская, 14, 220006, Минск

Kobets Olga I. – Ph. D. (Chemistry), Leading Researcher

14, Leningradskaya Str., 220006, Minsk

kobetsoi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5463-6029ПлатоновА. С.PlatonovA. S.

Платонов Александр Сергеевич – кандидат физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник

ул. Машиностроителей, 25, 220118, Минск

Platonov Aleksandr S. – Ph. D. (Physics and Mathe- matics), Associate Professor, Leading Researcher

25, Mashinostroiteley Str., 220118, Minsk

alexpltn@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0002-6553-4399ПеревозниковаА. Б.PerevoznikovaA. B.

Перевозникова Анна Борисовна – аспирант

ул. Ленинградская, 14, 220006, Минск

Perevoznikova Anna B. – Postgraduate Student

14, Leningradskaya Str., 220006, Minsk

a.b.perevoznikova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6241-1281БураяО. Н.BurayaO. N.

Бурая Оксана Николаевна – научный сотрудник

ул. Ленинградская, 14, 220006, Минск

Buraya Oksana N. – Researcher

14, Leningradskaya Str., 220006, Minsk

727989erucamide@mail.ruНаучно-исследовательский институт физико-химических проблем Белорусского государственного университетаResearch Institute for Physical Chemical Problems of BSUУниверситет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики БеларусьUniversity of Civil Protection of the Ministry for Emergency Situations of BelarusБелорусский государственный университетBelarusian State University202503122025614271285Copyright © Богданова В.В., Кобец О.И., Платонов А.С., Перевозникова А.Б., Бурая О.Н., 20252025Богданова В.В., Кобец О.И., Платонов А.С., Перевозникова А.Б., Бурая О.Н.Bogdanova V.V., Kobets O.I., Platonov A.S., Perevoznikova A.B., Buraya O.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestichem.belnauka.by/jour/article/view/979

Для оптимизации огнестойких и термоизолирующих свойств базового огнезащитного термовспениваемого композита (ОТВК) использован метод математического планирования эксперимента, где варьируемыми факторами выбраны основные компоненты рецептурного состава композита: содержание (мас.%) стирол-акрилового связующего, газококсообразующей системы и термовспенивающего агента. С помощью адекватной регрессионной модели полного факторного эксперимента определены оптимальные соотношения компонентов в рецептуре ОТВК, построены поверхности функций отклика (потери массы, максимального приращения температуры при огневых испытаниях, коэффициента объемного вспенивания и относительной деформации сжатия пенококсового остатка), влияющих на огнестойкость композита. Показано, что лучшая по сравнению с исходным ОТВК огнестойкость оптимизированного композита, физико-механические характеристики продуктов термолиза наряду с более высокой термостойкостью вносят существенный вклад в увеличение его термоизолирующей эффективности. 

The method of mathematical planning of the experiment was employed to optimize the fire-resistant and thermal insulating properties of the basic fire-retardant thermal foamable composite (FRTC). The variable factors included the main components of the composite formulation: the content (wt.%) of styrene-acrylic binder, gas-coke-forming system and thermal foaming agent. Using an adequate regression model of a full factorial experiment, the optimal ratios of components in the FRTC formulation were determined. The response function surfaces (weight loss, maximum temperature increase during the fire test, volume-foaming coefficient and relative compression deformation of the intumescent residue) affecting the fire resistance of the composite were constructed. It was shown that the optimized composite exhibited enhanced fire resistance and improved physical-mechanical characteristics of the thermolysis products compared to the basic FRTC, along with higher thermal stability, which collectively significantly improve its thermal insulating efficiency.

термовспениваемые композитыматематическое планирование экспериментаогнестойкостьтермоизолирующая эффективностьintumescent compositesfire-resistant propertiesthermal insulation efficiencymathematical plan ning of the experimentReferencesМельдер, Е. В. Эффективность комбинации интумесцентных покрытий для огнезащиты стальных конструкций / Е. В Мельдер, А. Б. Сивенков // Технологии техносферной безопасности. – 2022. – № 1 (95). – С. 49–65. https://doi.org/10.25257/TTS.2022.1.95.49-65Mel’der E. V., Sivenkov A. B. Efficiency of a combination of intumescent coatings for fire protection of steel structures. Technology of Technosphere Safety, 2022, no. 1 (95), pp. 49–65 (in Russian). https://doi.org/10.25257/TTS.2022.1.95.49-65Improving the fire-retardant performance of industrial reactive coatings for steel building structures / L. Vakhitova, K. Kalafat, R. Vakhitov, V. Drizhd // Heliyon. – 2024. – Vol. 10, № 4. – Art. e34729. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e34729Vakhitova L., Kalafat K., Vakhitov R., Drizhd V. Improving the fire-retardant performance of industrial reactive coatings for steel building structures. Heliyon, 2024, vol. 10, iss. 4, art. e34729. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e34729.Current Advances in Flame-Retardant Performance of Tunnel Intumescent Fireproof Coatings: A Review / G. Tang, C. Shang, Y. Qin, J. Lai // Coatings. – 2025. – Vol. 15, № 1. – P. 1–33. https://doi.org/10.3390/coatings15010099Tang G., Shang C., Qin Y., Lai J. Current Advances in Flame-Retardant Performance of Tunnel Intumescent Fireproof Coatings: A Review. Coatings, 2025, vol. 15, no. 1, pp. 1–33. https://doi.org/10.3390/coatings15010099.Гаращенко, А. Н. Способы и средства обеспечения требуемых показателей пожаробезопасности конструкций из полимерных композитов (обзор) / А. Н. Гаращенко, А. А. Берлин, А. А. Кульков // Пожаровзрывобезопасность. – 2019. – Т. 28, № 2. – С. 9–30. https://doi.org/10.18322/pvb/2019.28.02.9-30Garashchenko A. N., Berlin A. A., Kul’kov A. A. Methods and means for providing required fire-safety indices of polymer composite structures. Pozharovzryvobezopasnost = Fire and Explosion Safety, 2019, vol. 28, no. 2, pp. 9–30 (in Russian). https://doi.org/10.18322/pvb/2019.28.02.9-30Intumescent compounds for fireproofing of polymer pipelines / V. V. Bogdanova, O. I. Kobets, O. N. Buraya [et al.] // Magazine of Civil Engineering. – 2022. – № 8. – Art. 11607. https://doi.org/10.34910/MCE.116.7Bogdanova V. V., Kobets O. I., Buraya O. N., Ustinov A. A., Zybina O. A. Intumescent compounds for fireproofing of polymer pipelines. Magazine of Civil Engineering, 2022, no. 8, pp. 1–11. art. 11607. https://doi.org/10.34910/MCE.116.7Novak, S. Thermal state of steel structures with a combined fire protection system under conditions of fire exposure / S. Novak, V. Drizhd, O. Dobrostan // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2020. – Vol. 3, № 10. – P. 17–25. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.206373Novak S., Drizhd V., Dobrostan O. Thermal state of steel structures with a combined fire protection system under conditions of fire exposure. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2020, vol. 3, no. 10, pp. 17–25. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.206373Waterborne Intumescent Fire Retardant Polymer Composite Coatings: A Review / Y. Li, C. F. Cao, Z. Y. Chen [et al.] // Polymers. – 2024. – Vol. 16, № 16. – Art. 2353. https://doi.org/10.3390/polym16162353Li Y., Cao C.-F., Chen Z.-Y., Liu S.-C., Bae J., Tang L.-C. Water-borne Intumescent Fire Retardant Polymer Composite Coatings: A Review. Polymers, 2024, vol. 16, iss. 16, art. 2353. https://doi.org/10.3390/polym16162353Zubielewicz, M. Trends in the development of intumescent paints for the protection of steel structures and new related with them expectations / M. Zubielewicz, E. Langer, A. Królikowska // Ochrona przed Korozją. – 2021. – № 7. – P. 212–220. https://doi.org/10.15199/40.2021.7.1Zubielewicz M., Langer E., Królikowska A. Trends in the development of intumescent paints for the protection of steel structures and new related with them expectations. Ochrona przed Korozją [Corrosion Protection], 2021, no. 7, pp. 212–220. https://doi.org/10.15199/40.2021.7.1Effect of binder on performance of intumescent coatings / J. T. Pimenta, C. Goncalves, L. Hiliou [et al.] // Journal of Coatings Technology and Research. – 2015. – Vol. 13. – P. 227–238. https://doi.org/10.1007/s11998-015-9737-5Pimenta J. T., Goncalves C., Hiliou L., Coelho J. F. J., Magalhaes F. D. Effect of binder on performance of intumescent coatings. Journal of Coatings Technology and Research, 2015, vol. 13, pp. 227–238. https://doi.org/10.1007/s11998-015-9737-5Definition of the thermal and fire-protective properties of ethylene-vinyl acetate copolymer nanocomposites / V. Bessarabov, N. Taran, G. Zagoriy, L. Vakhitova // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2019. – Vol. 1, № 6. – P. 13–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154676Bessarabov V., Taran N., Zagoriy G., Vakhitova L. Definition of the thermal and fire-protective properties of ethy- lene-vinyl acetate copolymer nanocomposites. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2019, vol. 1, no. 6, pp. 13–20. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.154676Flame Retardant Coatings: Additives, Binders, and Fillers / M. M. S. М. Sabee, Z. Itam, S. Beddu [et al.] // Polymers. – 2022. – Vol. 14, № 14. – P. 2911–2944. https://doi.org/10.3390/polym14142911Sabee M. M. S. M., Itam Z., Beddu S., Zahari N. M., Kamal N. L. M., Mohamad D., Zulkepli N. A., Shafiq M. D., Hamid Z. A. A. Flame Retardant Coatings: Additives, Binders, and Fillers. Polymers, 2022, vol. 14, no. 14, pp. 2911–2944. https://doi.org/10.3390/polym14142911Dong, F. Smoke Suppression Properties of Fe2O3 on Intumescent Fire-Retardant Coatings of Styrene–Acrylic Emulsion / F. Dong, Q. Song, L. Ma // Coatings. – 2024. – Vol. 14, № 7. – P. 850–863. https://doi.org/10.3390/coatings14070850Dong F., Song Q., Ma L. Smoke Suppression Properties of Fe2O3 on Intumescent Fire-Retardant Coatings of Styrene– Acrylic Emulsion. Coatings, 2024, vol. 14, no. 7, pp. 850–863. https://doi.org/10.3390/coatings14070850Влияние природы пленкообразующих агентов на термозащитные свойства вспениваемых композиций / В. В. Богданова, О. И. Кобец, О. Н. Бурая, А. Б. Перевозникова // Горение и взрыв. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 37–46. https://doi.org/10.30826/CE22150105Bogdanova V. V., Kobets O. I., Buraya O. N., Perevoznikova A. B. The influence of the nature of film-forming agents on the thermal protection properties of foamed compositions. Goreniye i vzryv = Combustion and explosion, 2022, vol. 15, no. 1, pp. 37–46 (in Russian). https://doi.org/10.30826/CE22150105Diaconu, B. Fire Retardance Methods and Materials for Phase Change Materials: Performance, Integration Methods and Applications – A Literature Review / B. Diaconu, M. Cruceru, L. Anghelescu // Fire. – 2023. – Vol. 6, № 5. – Art. 175. https://doi.org/10.3390/fire6050175Diaconu B., Cruceru M., Anghelescu L. Fire Retardance Methods and Materials for Phase Change Materials: Performance, Integration Methods and Applications – A Literature Review. Fire, 2023, vol. 6, no. 5, art. 175. https://doi.org/10.3390/fire6050175Богданова, В. В. Влияние каркасообразующих добавок на горючесть, термические свойства и механическую прочность продуктов прогрева термовспениваемых композитов / В. В. Богданова, О. И. Кобец, А. Б. Перевозникова // Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология: Композит-2022 : сб. матер. – Энгельс, 2022. – С. 161–165.Bogdanova V. V., Kobets O. I., Perevoznikova A. B. The influence of frame-forming additives on the flammability, thermal properties and mechanical strength of the heating products of thermally foamed composites. Perspektivnyye polimernyye kompozitsionnyye materialy. Al’ternativnyye tekhnologii. Pererabotka. Primeneniye. Ekologiya: Kompozit-2022 : sb. mater. [Promising polymer composite materials. Alternative technologies. Processing. Application. Ecology: Composite-2022 : collection of materials]. Engels, 2022, pp. 161–165 (in Russian).Mastalska-Popławska, J. Effect of Modified Halloysite/Expandable Graphite Addition on Thermal and Intumescent Properties of the Fire-Resistant Paints for Steel / J. Mastalska-Popławska // Arabian Journal for Science and Engineering. – 2023. – Vol. 48. – P. 16087–16095. https://doi.org/10.1007/s13369-023-07998-0Mastalska-Popławska J. Effect of Modified Halloysite/Expandable Graphite Addition on Thermal and Intumescent Properties of the Fire-Resistant Paints for Steel. Arabian Journal for Science and Engineering, 2023, vol. 48, pp. 16087– 16095. https://doi.org/10.1007/s13369-023-07998-0Effect of Dolomite Clay on Thermal Performance and Char Morphology of Expandable Graphite Based Intumescent Fire Retardant Coatings / Q. F. Gillani, F. Ahmad, M. I. A. Mutalib [et al.] // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 148. – P. 146–150. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.505Gillani Q. F., Ahmad F., Mutalib M. I. A., Melor P. S., Ullah S., Arogundade A. Effect of Dolomite Clay on Thermal Performance and Char Morphology of Expandable Graphite Based Intumescent FireRetardant Coatings. Procedia Engineering, 2016, vol. 148, pp. 146–150. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.505Improved pyrolysis behavior of ammonium polyphosphate-melamine-expandable (APP-MEL-EG) intumescent fire retardant coating system using ceria and dolomite as additives for I-beam steel application / J. B. Zoleta, G. B. Itao, V. J. T. Resabal [et al.] // Heliyon. – 2019. – Vol. 6, № 1. – Art. e03119. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e03119Zoleta J. B., Itao G. B., Resabal V. J. T., Lubguban A. A., Corpuz R. D., Ito M., Hiroyoshi N., Tabelin C. B. Improved pyrolysis behavior of ammonium polyphosphate-melamine-expandable (APP-MEL-EG) intumescent fire retardant coating system using ceria and dolomite as additives for I-beam steel application. Heliyon, 2019, vol. 6, iss. 1, art. e03119. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e03119Research progress of carbon-based materials in intumescent fire-retardant coatings: A review. / W. Zhan, Z. Xu, L. Chen [et al.] // European Polymer Journal. – 2024. – Vol. 220. – Art. 113486. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2024.113486Zhan W., Xu Z., Chen L., Li L., Kong Q., Chen M., Zhang Q., Jiang J. Research progress of carbon-based materials in intumescent fire-retardant coatings: A review. European Polymer Journal, 2024, vol. 220, art. 113486. https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2024.113486Effect of the B : Zn : H2O Molar Ratio on the Properties of Poly(Vinyl Acetate) and Zinc Borate-Based Intumescent Coating Materials Exposed to a Quasi-Real Cellulosic Fire / J. Łopinski, B. Schmidt, Y. Bai [et al.] // Polymers. – 2020. – Vol. 12, № 11. – P. 2542–2556. https://doi.org/10.3390/polym12112542Łopinski J., Schmidt B., Bai Y., Kowalczyk K. Effect of the B : Zn : H2O Molar Ratio on the Properties of Poly(Vinyl Acetate) and Zinc Borate-Based Intumescent Coating Materials Exposed to a Quasi-Real Cellulosic Fire. Polymers, 2020, vol. 12, iss. 11, pp. 2542–2556. https://doi.org/10.3390/polym12112542Lucherini, A. Modelling intumescent coatings for the fire protection of structural systems: a review / A. Lucherini, D. de Silva // Journal of Structural Fire Engineering. – 2024. – Vol. 15, № 4. – P. 483–507. https://doi.org/10.1108/JSFE-102023-0038Lucherini A., de Silva D. Modelling intumescent coatings for the fire protection of structural systems: a review. Journal of Structural Fire Engineering, 2024, vol. 15, no. 4, pp. 483–507. https://doi.org/10.1108/JSFE-10-2023-0038Кузнецова, Д. А. Многофакторная количественная оптимизация огнезащитной эффективности интумесцентных огнезащитных материалов / Д. А. Кузнецова, Н. В. Яшин, В. В. Авдеев // Пожаровзрывобезопасность. – 2024. – Т. 33, № 3. – С. 11–21. https://doi.org/10.22227/0869-7493.2024.33.03.11-21Kuznetsova D. A., Yashin N. V., Avdeyev V. V. Multifactorial quantitative optimization of fire protection efficiency of intumescent fire protection materials. Pozharovzryvobezopasnost’ = Fire and Explosion Safety, 2024, vol. 33, no. 3, pp. 11–21 (in Russian). https://doi.org/10.22227/0869-7493.2024.33.03.11-21Оптимизация огнестойких и термоизолирующих свойств вспениваемых композитов с привлечением математического планирования эксперимента / В. В. Богданова, О. И. Кобец, А. С. Платонов, А. Б. Перевозникова // Горение и взрыв. – 2023. – Т. 16, № 3. – С. 62–72. https://doi.org/10.30826/CE23160306Bogdanova V. V., Kobets O. I., Platonov A. S., Perevoznikova A. B. Optimization of fire-resistant and thermal insulation properties of foamed composites using mathematical planning of experiments. Goreniye i vzryv = Combustion and explosion, 2023, vol. 16, no. 3, pp. 62–72 (in Russian). https://doi.org/10.30826/CE23160306Зверев, В. Г. Исследование свойств и огнезащитной эффективности вспучивающихся покрытий / В. Г. Зверев, А. В. Теплоухов, А. Ф. Цимбалюк // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2014. – Т. 57, № 8-2. – С. 148–153.Zverev V. G., Teploukhov A. V., Tsimbalyuk A. F. Study of the properties and fire protection efficiency of intumescent coatings. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Fizika [News of Higher Education Institutions. Physics], 2014, vol. 57, no. 8-2, pp. 148–153 (in Russian).Володарский, Е. Т. Планирование и организация измерительного эксперимента / Е. Т. Володарский, Б. Н. Малиновский, Ю. М. Туз. – Киев : Вища школа, 1987. – 280 с.Volodarskiy E. T., Malinovskiy B. N., Tuz Yu. M. Planning and organizing a measurement experiment. Kiev, Vishha shkola Publ., 1987. 280 p. (in Russian).Кононюк, А. Е. Основы научных исследований (Общая теория эксперимента) : в 4 кн. / А. Е. Кононюк. – Киев, 2011. – Кн. 2. – 452 с.Kononyuk A. E. Fundamentals of Scientific Research (General Theory of Experiment). Book. 2. Kyiv, 2011. 452 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.