EVALUATION OF THE THERMAL STABILITY OF STYRENE-ACRYLIC INTUMESCENT COATINGS
DOI:
https://doi.org/10.33042/2522-1809-2025-3-191-516-524Keywords:
fire protection agents, intumescent coatings, thermal stability, styrene-acrylic dispersionAbstract
This study investigates the thermal stability and intumescent performance of fire-protective polymeric coatings based on a styrene-acrylic dispersion matrix, incorporating ammonium polyphosphate (APP), pentaerythritol (PE), and aluminum hydroxide (Al(OH)₃). These coatings are designed to enhance fire resistance of steel structures by forming an insulating char layer when exposed to high temperatures. The research applies thermogravimetric analysis (TGA) and differential thermogravimetric analysis (DTG) to assess thermal degradation behavior, identify decomposition stages, and quantify residual char formation. Experimental findings reveal that individual components exhibit different degradation profiles: APP decomposes with the release of phosphoric acids acting as acid catalysts; PE serves as a carbon source undergoing esterification and subsequent carbonization; Al(OH)₃ decomposes endothermically, releasing water vapor and forming aluminum oxide, which contributes to thermal insulation and structural integrity of the char. The combination of these ingredients in a single system demonstrates a synergistic effect, providing improved thermal stability, reduced mass loss, and higher residual mass at temperatures up to 800 °C. The intumescent mechanism proceeds through several stages, including dehydration, esterification, carbonization, gas release, and foam formation. The thermal barrier created by the expanded char layer significantly delays heat transfer to the substrate, thereby increasing the fire resistance time of steel components. The DTG curves clearly indicate enhanced performance of the composite system compared to coatings containing individual additives. The study concludes that optimized formulations with APP, PE, and Al(OH)₃ can deliver effective fire protection by ensuring controlled thermal decomposition, robust char formation, and improved thermal insulation. These results support further development of high-performance, eco-friendly intumescent coatings for fireproofing applications in civil and industrial engineering.
References
Lucherini, A., Maluk, C. (2019). Intumescent coatings used for the fire-safe design of steel structures: A review. Journal of Constructional Steel Research, 162, 105712.
Kodur, V., Dwaikat, M., Fike, R. (2010). High-temperature properties of steel for fire resistance modeling of structures. Journal of Materials in Civil Engineering, 22(5), 423–434.
Buchanan, A. H., Abu, A. K. (2017). Structural design for fire safety. University of Cantrerbury, New Zealand, 414.
Григоренко, О. М., Саєнко, Н. В., Золкіна, Є. С., Липовий, В. О (2024). Оптимізація методу оцінки ефективності реактивних вогнезахисних покриттів. Problems of Emergency Situations, № 1(39), 124–134.
Вахітова, Л. М., Таран, Н. А., Калафат, К. В., Бессарабов, В. І. (2021). Полімерні матеріали для систем реактивного вогнезахисту (огляд літератури). Фізико-органічна хімія, фармакологія та фармацевтична технологія біологічно активних речовин, 110–136.
Yasir, M., Ahmad F., Yusoff P.S.M.M,. Ullah S., Jimenez M. (2019). Latest trends for structural steel protection by using intumescent fire protective coatings: a review. Surface Engineering, 36(4), 334–363.
Puri, R. G., Khanna A.S (2016). Intumescent coatings: A review on recent progress. J. Coat. Technol. Res., 14(1), 1–20.
Вахітов, Р. А., Калафат, К. В., Таран, Н. А., Бессарабов, В. І., Вахітова, Л. М. (2024). Вибір полімерів для застосування в промислових вогнезахисних реактивних покриттях. Хімічні та біофармацевтичні технологі, 106–116.
Hryhorenko, O., Zolkina, Y., Saienko, N. V., Popov, Y. V. (2021). Investigation of the Effect of Fillers on the Properties of the Expanded Coke Layer of Epoxyamine Compositions. In Materials Science Forum, 1038, 539–546.
Демідов, Д. В., Саєнко, Н. В., Попов, Ю. В., Биков, Р. О., Уманська, Т. І. (2018). Реологічні та енергетичні характеристики високонаповнених акрил-стирольних водних дисперсій. Науковий вісник будівництва, 94(4), 171–177.
Saienko, N., Demidov, D., Popov, Y., Bikov, R., Butskyi, V. (2018). Rheological properties of aquaeous dispersion of styrene acrylate copolymer incorporating hollow microspheres and AEROSIL®. In MATEC Web of Conferences, 230, 03017.
Berezovskyi, A., Saienko, N., Kopyl, B., Sidnei, S., Tetiana, K. (2025). Study of the Influence of Fillers on Swelling and Water Absorption of Reactive Fire-Retardant Coatings of Metal Structures. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Vol. 1499, No. 1, p. 012031.
Павленко, В. Я. М., Кужель, В. П., Семенченко, С. В., Корнєв, О. В., Черненко, П. В. (2024). Новітні технології в екологічно безпечних полімерних покриттях: дослідження, технології, перспективи. Вісник машинобудування та транспорту, 19(1), 85–94.
Калафат, К. В., Таран, Н. А., Плаван, В. П., Редько, А. М., Сфімова, І. В., Вахітова, Л. М. (2020). Вплив співвідношення поліфосфат амонію: меламін: пентаеритрит на вогнезахисну ефективність покриттів реактивного типу. Питання хімії та хімічної технології, (6), 59–68.
Rao, T. N., Hussain, I., Khan, S. N., Koo, B. H. (2019). Effect of Alumina Trihydrate on Intumescent Flame Retardant Polymer Composite Coatings. Polymer Korea, 43(6), 831–837.
Sholohon, V., Vakhitov, R., Kalafat, K., Taran, N., Bessarabov, V., Vakhitova, L. (2023). Модифікація та армування епоксидних покриттів інтумесцентного типу. Technologies and Engineering, (3), 77–88.
Цапко, Ю., Бондаренко, О., Цапко, О., Горбачова, О., Мазурчук, С. (2023). Механізм структуроутворення спученого шару пінококсу при впливі мінеральних речовин. Технічні науки та технології, 2 (32), 379–388.
Андрющенко, Л., Борисенко, В., Горонескуль, М., Кудін, О. (2019). Інтумесцентні вогнезахисні покриття у сучасному будівництві (огляд). Проблеми надзвичайних ситуацій, 1(29), 121–138
Bondarenko, O., Tsapko, Y., Tsapko, O., Kaverin, K., Lialina, N., Semigran, D. (2024). Ефективністіь спучуючого покриття для вогнезахисту дерев’яних споруд. Ways to Improve Construction Efficiency, 1(53), 5–67.
Березовський, А., Копил, Б., Іщенко, І., Саєнко, Н. (2023). Вплив співвідношення вогнезахисних компонентів на вогнезахисну ефективність покриттів металевих конструкцій на водній основі. Надзвичайні ситуації: попередження та ліквідація, 7(2), 19–28
Guo, S., Xu, J., Ni, X. (2021). Synthesis, structures, and properties of a new pentaerythritol-derived flame retardant used in polyamide 66. ACS omega, 6(19), 12887–12897.
Tang, B., Feng, W., Guo, J., Sun, J., Zhang, S., Gu, X., Yang, W. (2020). Hydrophobic modification of pentaerythritol and its application in fire-retardant coatings for steel structures. Progress in Organic Coatings, 138, 105391.
Yan, L., Xu, Z., Wang, X., Deng, N., Chu, Z. (2018). Synergistic effects of aluminum hydroxide on improving the flame retardancy and smoke suppression properties of transparent intumescent fire-retardant coatings. Journal of Coatings Technology and Research, 15, 1357–1369.
Khalili, P., Tshai, K. Y., Hui, D., Kong, I. J. C. P. B. E. (2017). Synergistic of ammonium polyphosphate and alumina trihydrate as fire retardants for natural fiber reinforced epoxy composite. Composites Part B: Engineering, 114, 101–110.
Nie, S. (2009). Synergistic effect between a char forming agent (CFA) and microencapsulated ammonium polyphosphate on the thermal and flame retardant properties of polypropylene. Polymers for Advanced Technologies 19, 1077–1083.
Zheng, P., Zhao, H., Li, J., Liu, Q., Ai, H., Yang, R., Xing, W. (2024). Recent advances in constructing new type of epoxy resin flame retardant system using ammonium polyphosphate. Journal of Safety Science and Resilience, 5(2), 179–193.
Yan, L., Xu, Z., Wang, X., Deng, N., Chu, Z. (2018). Synergistic effects of aluminum hydroxide on improving the flame retardancy and smoke suppression properties of transparent intumescent fire-retardant coatings. Journal of Coatings Technology and Research, 15, 1357–1369.
Khalili, P., Tshai, K. Y., Hui, D., Kong, I. J. C. P. B. E. (2017). Synergistic of ammonium polyphosphate and alumina trihydrate as fire retardants for natural fiber reinforced epoxy composite. Composites Part B: Engineering, 114, 101–110.
Downloads
Published
Issue
Section
License
The authors who publish in this collection agree with the following terms:
• The authors reserve the right to authorship of their work and give the magazine the right to first publish this work under the terms of license CC BY-NC-ND 4.0 (with the Designation of Authorship - Non-Commercial - Without Derivatives 4.0 International), which allows others to freely distribute the published work with a mandatory reference to the authors of the original work and the first publication of the work in this magazine.
• Authors have the right to make independent extra-exclusive work agreements in the form in which they were published by this magazine (for example, posting work in an electronic repository of an institution or publishing as part of a monograph), provided that the link to the first publication of the work in this journal is maintained. .
• Journal policy allows and encourages the publication of manuscripts on the Internet (for example, in institutions' repositories or on personal websites), both before the publication of this manuscript and during its editorial work, as it contributes to the emergence of productive scientific discussion and positively affects the efficiency and dynamics of the citation of the published work (see The Effect of Open Access).
