ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПРОПИТОК ДРЕВЕСИНЫ

Древесина, ценимая за свои эксплуатационные свойства, в первую очередь, как экологически чистый материал, сильнее других строительных материалов подвержена возгоранию. Защита деревянных изделий и сооружений от губительного воздействия огня является одной из важнейших проблем строительной индустрии.

Как строительный материал древесина обладает рядом положительных свойств: экологически чистый материал; высокая прочность и упругость; низкая плотность и теплопроводность; пластичность; способность поглощать звуки, возникающие при ударе и вибрации; легкость в обработке (окрашивание, лакировка, полировка); долговечность и внешняя красота. Слайд «Фактура древесины» (береза, сосна и др.)

Древесина – природный полимерный композит, состоящий из органических соединений целлюлозы, лигнина и полиоз.

Целлюлоза – главный компонент древесины (~ 50%), линейный полимер, построенный из остатков b-D-глюкозы., выполняющий функцию основного компонента клеточных стенок растений ((С₆Н₁₀О₅)_n, М.В. = 30 000 – 5 000 000, n = 175-30 000).

Полиозы (гемицеллюлозы) – полисахариды с разветвленными макромолекулами, построенными из пентоз или гексоз. Их молекулярные цепи намного короче цепей целлюлозы (n = 50-300). Тесно связаны с целлюлозой в клеточной стенке. Содержание в древесине 17-43 %.

Лигнин – полимер, макромолекулы которого построены из производных фенилпропана (содержание в древесине 20-35 %). Вместе с гемицеллюлозами заполняет пустоты между фибриллами целлюлозы.

В связи с легкой воспламеняемостью и сильным горением  актуальной задачей остается защита древесины и материалов на ее основе от действия огня. Современным средством защиты являются антипирены. К ним относятся вещества, предохраняющие древесину от горения: проникая в структуру дерева, они снижают возможность возгорания и снижают скорость распространения пламени.

Механизмы защитного действия антипиренов различны. Некоторые вещества разлагаются при нагревании, выделяя газы, не поддерживающие горения (аммиак, сернистый газ); негорючие вещества оттесняют кислород с поверхности древесины; газообразные соединения при испарении охлаждают деревянную поверхность. (слайд 8) Другой вариант - плавление легкоплавких веществ, например, солей фосфорной, борной или кремниевой кислот: образующаяся оплавленная пленка ограничивает доступ кислорода к поверхности горения, повышает температуру воспламенения древесины.

Огнеупорные составы делят на три группы:

1. Пропиточные составы (фосфорная кислота, борат, сульфат или фосфат аммония, бура и борная кислота – все не перечислять). При нагреве выделяют газ, понижающий температуру, тем самым нивелируя реакцию между горючими веществами и задерживая их воспламенение.

В первую очередь происходит обезвоживание древесного материала от воздействия высоких температур, далее одни огнезащитные средства используют свойства некоторых веществ разлагаться при нагревании и выделять газы, не поддерживающие горения (аммиак, сернистый газ). Негорючие вещества оттесняют кислород с поверхности древесины и, тем самым, препятствуют горению, газообразные вещества, в свою очередь, испаряясь, охлаждают деревянную поверхность.

В других огнезащитных средствах происходит плавление легкоплавких веществ, таких как соли фосфорной, борной, кремниевой кислот. При нагревании этих солей образуется оплавленная пленка, которая ограничивает доступ кислорода к поверхности. В результате, часть тепла расходуется на плавление антипирена. Это приводит к повышению температуры воспламенения древесины, а, значит — к ее защите.

2. Огнеупорные краски (соли-антипирены). При нагревании слой огнеупорной краски покрывается пузырями, которые в итоге образуют прослойку, выполняющую роль изоляции от высокой температуры. Бывает, что пузыри лопаются, и газы, которые выделяются из древесины, все же возгораются, но пламя по дереву не распространяется.

3. Огнеупорные лаки (мочевинно-формальдегидные и аналогичные смолы). При нагреве слой прозрачного огнеупорного лака покрывается сетью мелких пузырьков, после смола плавится и обугливается. В итоге образуется слой толщиной около 7 мм, он пористый, благодаря чему предохраняет древесину от возгорания - ответы.

Огнезащитные покрытия (краски и лаки), могут скрывать текстуру древесины, ухудшая её внешний вид, поэтому их, в основном, используют для огнезащиты непросматриваемых деревянных конструкций. Пропитки сохраняют текстуру древесины, поэтому находят более широкое применение, особенно на водной основе.

Огнезащитные пропитки делят на водорастворимые и органорастворимые. Органорастворимые препараты требуют применения опасных и горючих растворителей, что не всегда приемлемо. Поэтому большей популярностью пользуются огнезащитные пропитки на водной основе.

Эффективность огнезащитной пропитки зависит от особенности горения разных типов древесины. Так, доска из дуба загорается медленнее, а еловый или сосновый брус уничтожается огнем за считанные минуты (табл. 1).

Таблица 1.

Огнестойкость древесины

* Индекс огнестойкости, равный 10, характеризует абсолютно негорючий материал

Цели исследования.

Целью данной работы является исследование эффективности использования водных растворов неорганических соединений для защиты деревянных поверхностей от возгорания при длительном воздействии высоких температур.

Для исследований были взяты бруски трех пород древесины (березы, сосны, лиственницы) наш выбор обоснован разным индексом огнестойкости древесины. В качестве огнезащитных пропиток использовались насыщенные при 20 °С растворы борной кислоты и сульфата аммония, а также антипирен промышленного производства «Пиротекс».  На упаковке изготовителя не давалась информация о составе антипирена, также мы не смогли найти ее и на сайтах производителя. Исследования «Пиротекса» методом газовой хроматографии позволил установить, что основным составом антипирена является фторид натрия. (Газовый хромато-масс-спектрометре shimazu GCMS 2010)

Рисунок 1. Анионы

1 - хлорид

2 - нитрат

3 - фторид (21,4 мг/л)

4 - фосфат (3 мг/л)

Рисунок 2. Катионы

1 - натрий (43 мг/л)

К водорастворимым антисептикам относят фторид натрия, кремнефторид натрия, кремнефторид аммония, хлорид цинка, антисептический препарат ХМХЦ.

Фторид натрия — NaF — белый порошок высокой токсичности. Применяют в виде водного раствора 1,5-3%-ной концентрации для конструкций, не смачиваемых водой. Растворимость 4,13 г/100 мл.

В результате многолетних исследований вопросы токсичности буры и борной кислоты хорошо изучены, в том числе и степень их воздействия в течении продолжительного времени на человеческий организм. Бура и борная кислота имеют лишь незначительно выраженную токсичность. Поэтому санитарными нормами и правилами не установлены предельные значения максимально допустимого содержания борсодержащих веществ в рабочих помещениях (жилых и производственных). Растворимость в воде на I л раствора и 49 1 г на 20 С.

Сульфат аммония признаётся безопасным для человека и используется в качестве пищевой добавки в России, на Украине и в странах ЕС. Сульфат аммония используется в качестве заменителя соли и носит название пищевой добавки Е517. Растворимость в воде на 100мл - 75,4 (20°C)

Образцы древесины были погружены в подготовленные растворы на 24 ч, после чего высушены (сначала при комнатной температуре в течение 20 ч, затем 5 ч в сушильном шкафу при температуре (55±5) °С в лаборатории СГУПС). Для доказательства фиксации веществ из растворов на поверхности образцов проведены ИК-исследования на Фурье-спектрофотометре «IRAffinity 1 SHIMADZU (Laserproduct)».

Методом ИК-спектроскопии на поверхности обработанных материалов зафиксированы вещества из пропиточных растворов. С помощью микроскопа («Альтами СМ1065») в лаборатории Сибирского НИИ геологии, геофизики и минерального сырья была установлена глубина пропитки образцов. В сосновых брусках высотой 2,5 см кристаллы веществ были распределены по всему объему, а в березовых и лиственных – на глубине около 1 см.

Устойчивость образцов к воздействию температуры определялась с помощью термофена, входящего в состав паяльной станции Lukey 702, позволяющего нагревать поверхность до 500 °С. Опыт проводился в лаборатории СНИИГГиМС. Характер поведения древесных материалов наблюдался при температурах 200, 300, 400 и 480°С в течение 150 с. Оценка глубины пропитки образцов и анализ их поверхности после термического воздействия проводился под стереоскопическим микроскопом.

Результаты термических испытаний, исходных и пропитанных растворами образцов представлены в таблице 2. Анализ полученных результатов показал, что во всех случаях пропитки сокращается продолжительность тления древесины после прекращения термического воздействия. Пропитка раствором H₃BO₃ и «Пиротексом» березовых и сосновых образцов повышает температуру начала обугливания их поверхности по сравнению с необработанными образцами. Наименьшая площадь и глубина обугливания наблюдается для сосновых и лиственных образцов, пропитанных раствором H₃BO₃.

Таблица 2.

Результаты испытаний.

Примечание: З – запах; Д – дым; О – обугливание; Т – треск; В – воспламенение; ­ – усиление признака.

* – продолжительность тления после прекращения термического воздействия.

На основе полученных результатов установлено более высокое повышение термоустойчивости пород при использовании борной кислоты по сравнению с сульфатом аммония и «Пиротексом». Следует добавить, что, хотя антипирен промышленного производства и обладает хорошими огнезащитными свойствами, но является достаточно токсичным веществом, в отличие от борной кислоты, у которой незначительно выраженная токсичность, а также сульфата аммония, который признается безопасным для человека. С экономической точки зрения «Пиротекс» выгоднее рассмотренных водорастворимых огнезащитных пропиток древесины. При выборе пропиточного состава нужно руководствоваться целью использования антипирена и подбирать оптимальные условия.

Список литературы:

1. Антипирены. Защитные средства от огня [электронный ресурс] — Режим доступа. —  URL: http://www.vashzem.ru/info-antipireny (дата обращения 7.11.2016)
2. Корольченко А. Я., Петроват Е. А.. Российский Химический Журнал. Том XLVII - (2003) - №4. Раздел: пожарная безопасность. [электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://bent.ru/modules/Articles/article.php?storyid=35 (дата обращения 9.11.2016)
3. Экология справочник. Механизм огнезащитного действия антипиренов [электронный ресурс] — Режим доступа. —  URL: http://ru-ecology.info/post/100816705100002/ (дата обращения 7.11.2016)