Статья опубликована в рамках: Научного журнала «Студенческий» № 19(147)
Рубрика журнала: Технические науки
Секция: Архитектура, Строительство
Скачать книгу(-и): скачать журнал часть 1, скачать журнал часть 2, скачать журнал часть 3, скачать журнал часть 4, скачать журнал часть 5, скачать журнал часть 6
ПРИМЕНЕНИЕ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДРЕВЕСИНЫ В УСЛОВИЯХ ПОЖАРА
АННОТАЦИЯ
Древесина и на сегодняшний день является экологичным, доступным, обладающим простой технологией обработки и комфортностью конечных конструкций материалом. Основным и самым главным недостатком древесины является ее горючесть. В настоящей работе была предпринята попытка анализа методов повышения огнестойкости древесины с помощью применения различных огнезащитных покрытий. Были рассмотрены виды огнезащитных составов, целесообразность применения огнезащитных вспучивающихся покрытий. Представлены исследования поведения древесины и изменения ее огнезащитных свойств после нанесения на ее поверхность огнезащитных вспучивающихся покрытий различного состава.
Ключевые слова: огнезащита, древесина, антипирены, огнезащитные вспучивающиеся покрытия, коксовый слой.
Введение
Древесина является одним из наиболее часто применяемых и простых в использовании строительных материалов [2]. По ряду показателей использование древесины предпочтительно по сравнению с конструкциями из железобетона и металла [5]. Деревянные клееные конструкции (ДКК), например, очень эффективны при строительстве большепролетных сооружений на важных объектах для различных целей [5]. Несмотря на большое количество преимуществ [2], отличающих ее от других строительных материалов, древесина также имеет недостатки, основными из которых являются легковоспламеняемость и горючесть. Поэтому перевод древесины в группу трудногорючих материалов является актуальной задачей и на сегодня [2].
В настоящее время важное значение имеет широкое применение огнезащитных составов, которые должны включать в себя только экологически безопасные компоненты и обладать рентабельными и высокими эксплуатационными показателями. Составы, используемые для этой цели, после нанесения на поверхность горючих материалов повышают их огнестойкость [13]. Противопожарная защита деревянных конструкций, как правило, осуществляется с помощью специальных составов, которые могут быть нанесены на поверхность огнестойких покрытий различными способами или путем пропитки [2].
Такой подход позволяет решить две задачи: во-первых, повышается устойчивость деревянных конструкций в случае пожара за счет повышения предела огнестойкости; во-вторых, ликвидируется развитие и распространение огня [1,8].
Цель настоящей статьи - провести анализ методов повышения огнестойкости древесины с помощью применения различных огнезащитных покрытий для облегчения задачи будущим исследователям. Для этого необходимо: рассмотреть виды огнезащитных составов, механизм их действия, провести небольшой обзор вспучивающихся огнезащитных покрытий различного состава, проанализировать целесообразность применения таких покрытий.
Виды огнезащитных составов и принцип их действия
В зависимости от назначения и области применения огнезащитные составы для деревянных поверхностей можно разделить на две группы, представленные на рисунке 1.
Рисунок 1. Схематичная классификация огнезащитных составов [7]
Принцип работы покрытий заключается в создании на защищаемой поверхности теплоизоляционного слоя, который защищает древесину от термического разложения в течение определенного времени [7].
Принцип действия огнезащитных пропиток заключается в предотвращении горения продуктов разложения древесины с образованием пламени. В этом случае при удалении пламени не происходит возгорания древесины. Это достигается либо путем разбавления горючих газовых смесей инертными газами за счет снижения концентрации горючих веществ в зоне горения, либо за счет сокращения процесса газификации поверхности древесины путем нанесения на нее газонепроницаемой пленки [7]. Разница антипиренов и биопиренов заключается в том, что биопирены обладают еще и антисептическими свойствами, то есть предотвращают разрушение древесины вредителями (червяками, жуками, плесенью).
Пропитка деревянных конструкций может осуществляться различными способами нанесения – опрыскиванием, погружением в раствор, обработкой кистью. Благодаря капиллярному всасыванию раствор проникает на глубину 1–2 мм [7].
Механизм огнезащиты древесины после нанесения специальных покрытий на ее поверхность заключается в образовании твердого пористого слоя огнестойкой краски, который предотвращает термическое разложение и дальнейшее воспламенение древесины при воздействии на эту поверхность теплового «удара» пламени [2].
Антипирены – соединения, которые разлагаются под воздействием тепла и подавляют пламенное горение или тление. К ним относятся карбонаты, гидроксиды и т. д. [2]. При термическом воздействии вследствие разложения антипиренов происходит выделение негорючих газов, которые вытесняют кислород воздуха из зоны горения. Основываясь на многочисленных экспериментах, проведенных ранее, можно утверждать, что поверхностные методы пропитки древесины должны обеспечивать I группу огнезащитной эффективности [3], то есть отнесение древесины к трудносгораемым материалам возможно при условии, когда при термическом разложении антипиренов возникает эффект их вспенивания, т. е. эффект образования теплоизоляционного слоя, который в совокупности усиливает общее огнезащитное действие пропитывающего агента [11]. Отсюда можно сделать вывод, что для огнезащиты древесины наиболее рациональным будет применение огнезащитных вспучивающихся покрытий.
Эффективность использования огнезащитных вспучивающихся покрытий для защиты древесины от воздействия пламени
В настоящее время для защиты деревянных конструкций применяются вспучивающиеся покрытия, которые при воздействии высоких температур утолщаются за счет выделения негорючих газов и образования слоя изолирующего материала, состоящего из лакокрасочного композита с включениями газообразных продуктов горения (разложения) [4].
Рациональность применения огнезащитных вспучивающихся покрытий (ОВП) обусловлена в первую очередь тем, что они наносятся на поверхность тонким слоем и не выделяют токсичных веществ при нагревании, обладают высокой огнезащитной эффективностью и могут наноситься на защищаемую поверхность различными способами. В нормальных условиях эксплуатации ОВП выглядят как традиционные лакокрасочные покрытия и выполняют аналогичные защитные и декоративные функции. При воздействии высокой температуры толщина и объем вспучивающегося покрытия увеличиваются в десятки раз за счет образования негорючего и твердого слоя пены (кокса) с плотностью 3·10⁻³ – 3·10⁻² г/см³ и коэффициентом теплопередачи, близкому к коэффициенту теплопередачи воздуха. Слой действует как физический барьер для передачи тепла от пламени к нижележащим слоям покрытия и защищаемой поверхности, уменьшая передачу тепла примерно в 100 раз [10].
Важным вопросом является изучение механизма образования огнезащитного вспененного слоя (кокса), его теплофизических и физико-механических характеристик и их стабильности под воздействием пламени.
На рисунке 2 приведена упрощенная схема формирования пенококсового огнезащитного покрытия [12].
Этапы формирования огнезащитного пенококсового покрытия включают:
- эндотермические реакции полиола с полифосфатом аммония;
- вспенивание карбонизованного расплава;
- формирование жесткого пенококса с физико-механическими свойствами, достаточными для поддержания структуры пены при мощных аэродинамических потоках пламени.
Под воздействием теплового потока от пламени на поверхность тонкого слоя огнезащитной краски слой нагревается, и его толщина зависит от мощности теплового потока и может составлять доли миллиметра.
Рисунок 2. Стадии образования пенококсового покрытия: а – исходная пластина; б – процесс образования пенококса; в – конечное состояние после полной деструкции покрытия [12]
В прогретом «кипящем» слое происходит эндотермическая реакция полиола с полифосфатом [15]. Образуется углеродистая масса, которая вспенивается и затвердевает под действием теплового потока от пламени. В результате тепловой поток к поверхности непрореагировавшего слоя краски (покрытия) уменьшается, и реакция прекращается. Следующий этап включает в себя прогрев уже образовавшегося слоя пены до тех пор, пока не будут восстановлены условия, при которых вновь прогретый слой краски начнет реагировать на тепловой поток, и все повторяется до тех пор, пока не будет выработан весь слой краски. Количество «слоев» пенококса, образующихся под воздействием пламени, зависит от начальной толщины слоя краски и условий нагрева [12].
На рисунке 3 можно увидеть послойное вспучивание покрытия, нанесенного на деревянную поверхность.
Рисунок 3. Вид пенококса, образующегося под воздействием пламени на деревянной поверхности, защищенной слоем огнезащитной краски [12]
В различных системах образуется разное количество слоев пенококса с различными характеристиками, но идея слоеобразования огнезащитного вспененного покрытия сохраняется. Эта гипотеза является основной для разработки математической модели расчета эффективности огнезащитных красок и покрытий [12].
Эффективное вспенивание покрытий достигается только при обязательном наличии в их составе специальных компонентов, выполняющих определенные функции, а также наиболее благоприятном количественном соотношении между ними. Как правило, основные компоненты огнезащитных вспучивающихся покрытий подразделяются на следующие группы [9]:
- пленкообразователи (например, стирол акриловые и ПВА-дисперсии, эпоксидные и кремнийорганические смолы);
- карбонизирующиеся соединения – источники углерода (пентаэритрит, дипентаэритрит и др.);
- неорганические кислоты и их производные – фосфорная кислота, полифосфат аммония (ПФА) и др.;
- вспенивающие агенты – газообразователи, порофоры (меламин, мочевина и др.). Кроме того, в состав ОВП входят галогенсодержащие добавки (хлорпарафин и др.), некоторые пигменты и наполнители.
Образование пенококса с оптимальными защитными свойствами при воздействии высоких температур на покрытие во многом определяется составом огнезащитной пропитки, количественным соотношением компонентов и химическими процессами, происходящими при формировании вспучивающегося слоя. В таблице 1 можно увидеть свойства некоторых вспенивающих агентов.
Таблица 1.
Основные вспенивающие агенты [6, 9]
|
Название соединения |
Температура деструкции, °С |
Основные продукты разложения |
|
Мочевина |
130 |
NH3, H2O, CO2 |
|
Гуанидин |
160 |
NH3, H2O, CO2 |
|
Бутилмочевина |
96 |
NH3, H3PO4, H2O, CO2 |
|
Тиомочевина |
180 |
NH3, H3PO4, H2O, CO2 |
|
Хлорпарафин |
160-350 |
H2O, CO2, HCl |
|
Дициандиамид |
230 |
NH3, H2O, CO2 |
|
Меламин |
300 |
NH3, H2O, CO2 |
Конструкции из древесины намного дольше, чем стальные, сохраняют способность выдерживать нагрузку. Ведь при горении на дереве образуется уголь, который ингибирует процесс горения [9].
Для повышения огнестойкости деревянных несущих конструкций можно использовать специальные вспучивающиеся краски, в состав которых входит смола под названием «меламин-мочевина-формальдегид». Ее смешивают с натриевой солью, получаемой из карбоксиметилцеллюлозы. Эта краска на деревянной поверхности образует специальную защитную пленку. Срок защиты такой пленки составляет не более 10 лет. Затем требуется повторная обработка материала [9].
Влияние огнезащитных вспучивающихся покрытий на огнезащитные свойства древесины
На сегодняшний день для придания огнестойкости древесине проводят ряд исследований, направленных на получение экологически чистых огнезащитных составов. Наиболее предпочтительными для рассмотрения являются огнезащитные вспучивающиеся покрытия. Целью данных испытаний является получение вспучивающихся покрытий, способных после обработки поверхности древесины снизить ее горючесть и защитить обработанный материал от пламени. В таблице 2 приведены исследования ОВП различного состава.
Таблица 2.
Исследования воздействия ОВП на древесину
|
Наименование исследования |
Наименование огнезащитного состава |
Краткое описание исследования |
Экспериментальные результаты |
|
Синергетический эффект вспучивающегося покрытия, содержащего диоксид титана и триоксид сурьмы, на древесные породы ели и ольхи [18]. |
Огнезащитная краска из триоксида сурьмы и диоксида титана. |
Триоксид сурьмы и диоксид титана отдельно добавляли к огнезащитной краске в количестве 1% и 2%, а затем наносили кистью на деревянные поверхности [18]. |
Поверхность древесины ольхи при 2% -ной загрузке триоксида сурьмы обеспечила 10% улучшение показателя предельного кислородного индекса, древесина ели с таким же покрытием – 8%-ное увеличение. Деревянные поверхности, покрытые разным процентным содержанием триоксида аммония и диоксида титана, добавленных в огнезащитную краску, имели хорошие огнезащитные свойства [18]. |
|
Казеинмагнивый композит как вспучивающееся огнезащитное покрытие для дерева [17]. |
Простой огнестойкий композит с использованием гидроксида магния (Mg(OH)2) с казеиновым белком. |
Данный состав наносился в качестве пасты для самоклеящихся покрытий. Был проведен термогравиметрический анализ. В качестве материала была использована сосна [17]. |
Казеинмагнивые композиты способны производить термически стабильный изолирующий оксид магния (MgO), который подавляет распространение огня в результате вспучивающегося действия казеина, образования полукокса и термического воздействия. Наиболее эффективные характеристики были получены с образцом (масса покрытия 1080 г/м²), для которого время воспламенения сосновой основы было увеличено на 147%, в то время как скорость дымообразования и максимальная скорость тепловыделения были уменьшены на 53% и 30% соответственно [17]. |
|
Синтез и применение новых антипиренов на основе эфира фосфорной кислоты магния для создания прозрачных вспучивающихся огнезащитных покрытий, наносимых на деревянные основы [16]. |
Антипирен на основе сложного эфира фосфорной кислоты. |
Антипирен на основе сложного эфира фосфорной кислоты был синтезирован путем солеобразования сложного эфира циклической фосфорной кислоты с различным содержанием гидроксида магния. Полученный раствор был тщательно смешан с аминосмолой для получения прозрачных вспучивающихся огнезащитных покрытий, наносимых на деревянные основы [16]. |
Результаты показывают, что степень распространения пламени, общее тепловыделение и общее выделение дыма для покрытия, обработанного антипиреном, на 34,4%, 29,0% и 55,0% соответственно ниже, чем у необработанного покрытия. Покрытие, содержащее данный антипирен имеет максимальную остаточную массу 34,4% при 800 ° C [16]. |
|
Огнестойкость водного, вспучивающегося и полупрозрачного лака для древесины на основе гуанилмочевины и меламино-мочевиноформальдегидной смолы [19]. |
Вспучивающееся покрытие на основе гуанилмочевины и меламино-мочевино-фор- мальдегидной смолы. |
Различные концентрации гуанилмочевины фосфата были включены в водную меламино-мочевино-формаль-дегидную смолу для синтеза антипирена. Характеристики горения фанеры, покрытой лаком, определяли с помощью вискозиметрии, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, ультрафиолетовой и видимой спектроскопии, термогравиметрии и конусной калориметрии [19]. |
Присутствие данного покрытия привело к увеличению толщины вспучивающегося лака и существенно подавило, и задержало потерю массы, образование дыма и тепловыделение фанеры с покрытием. При концентрации 12% полученная пленка лака демонстрирует оптимальное сочетание полупрозрачности и огнестойкости [19]. |
|
Изучение огнестойкости тонких вспучивающихся покрытий, используемых на древесине [14]. |
Тонкие вспучивающиеся покрытия. |
Образцы древесины, без покрытия или с покрытием трех различных толщин коммерчески доступного тонкого вспучивающегося покрытия, были испытаны с использованием высокоэффективных излучающих панелей в соответствии с методом испытания на огнестойкость. Образцы для испытаний нагревали в течение 60 мин при постоянном падающем лучистом тепловом потоке 50 кВт/м² [14]. |
Присутствие вспучивающегося покрытия на открытой поверхности образцов древесины задерживает начало ее обугливания, а также снижает среднюю скорость обугливания после начала обугливания. Задержка процесса обугливания составила 40 мин от начала нагрева для образца толщиной 2,1 мм (на основе изотермы 300 ° C) [14]. |
Из данной таблицы можно сделать вывод, что огнезащитные вспучивающиеся покрытия различного состава благоприятно воздействуют на древесину, при этом улучшая ее огнезащитные свойства.
Заключение
Таким образом, мы проанализировали ряд огнезащитных покрытий, применение которых может привести к повышению огнестойкости древесины, и, по нашему мнению, необходимо акцентировать внимание именно на огнезащитные вспучивающиеся покрытия. Необходимо проводить комплексное исследование свойств самих ОВП с учетом изменения свойств древесины в процессе термических превращений данных веществ. Соответствующие исследования могут привести к увеличению объема применения деревянных конструкций при строительстве важных объектов и обеспечению требуемого уровня их пожарной безопасности.
Настоящий обзор может быть полезен инженерам-строителям для расширения теоретической базы по защите деревянных конструкций от воздействия высоких температур, а также для лиц, имеющих желание индивидуального жилищного строительства или других объектов из древесины.
Список литературы:
- Баратов А.Н., Андрианов Р.А., Корольченко А.Я. и др. Пожарная опасность строительных материалов. – М.: Стройиздат, 1998. – 380 с.
- Валиева З.З., Абдуллин И.А., Валеев Н.Х. Огнезащитные краски // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №7.
- ГОСТ 16363-98. Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств. Взамен ГОСТ 16363-76; Введ. 01.08.99. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1999.
- Казанская Л.И., Абдуллин И.А., Валеев Н.Х. Разработка огнезащитного покрытия для деревянных конструкций // Вестник Казанского технологического университета. 2010. №11.
- Корольченко А.Я., Гаращенко Н.А. Особенности огнезащиты конструкций из древесины вспучивающимися покрытиями // Пожаровзрывобезопасность. 2005. №1.
- Машляковский Л.Н., Лыков А.Д., Репкин В.Ю. Органические покрытия пониженной горючести. – Л. : Химия, 1989.
- Петрова Е.А. Снижение горючести древесины // Construction materials. 2011. №11.
- Романенков И.Г., Левитес Ф.А. Огнезащита строительных конструкций. – 1991.
- Сабирзянова Р.Н., Красина И.В. Применение вспучивающего антипирена для придания материалам огнестойкости // Вестник Казанского технологического университета. 2014. №19.
- Способ придания временной огнестойкости тканям с использованием растворов алкиламиновых солей метиленфосфорных кислот. Заявка 2707308 Франция РЖ «Химия».- 1996.- № 19.
- Тычино Н.А. Огнезащита материалов, изделий и конструкций из древесины: испытания и экономика // Проблемы Науки. 2016. №20 (62).
- Халтуринский Н. А., Крупкин В.Г. О механизме образования огнезащитных вспучивающихся покрытий // Пожаровзрывобезопасность. 2011. №10.
- Шарипханов С.Д., Хасанова Г.Ш., Сивенков А.Б. Эффективные механизмы огнезащиты для снижения пожарной опасности древесины // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. №8 (145).
- Andrea Lucherini, Qazi Samia Razzaque, Cristian Maluk, Exploring the fire behaviour of thin intumescent coatings used on timber, Fire Safety Journal, Volume 109, 2019, 102887, ISSN 0379-7112.
- Khalturinskij N., Berlin Al. High Temperature Pyrolisis Polymers, degradation and Stabilization of Polymers // H. Jellinek (ed.). – New York : Elsevier, 1983.
- Long Yan, Zhisheng Xu, Dingli Liu, Synthesis and application of novel magnesium phosphate ester flame retardants for transparent intumescent fire-retardant coatings applied on wood substrates, Progress in Organic Coatings, Volume 129, 2019, Pages 327-337, ISSN 0300-9440.
- Mezbah Uddin, Kalle Kiviranta, Sari Suvanto, Leila Alvila, Jari Leskinen, Reijo Lappalainen, Antti Haapala, Casein-magnesium composite as an intumescent fire retardant coating for wood, Fire Safety Journal, Volume 112, 2020, 102943, ISSN 0379-7112.
- Sevda Boran Torun, Ayfer Donmez Cavdar, Turgay Ozdemir, The synergistic effect of intumescent coating containing titanium dioxide and antimony trioxide onto spruce and alder wood species, Journal of Building Engineering,Volume 31, 2020, 101407, ISSN 2352-7102.
- Zefang Xiao, Shilian Liu, Zhijun Zhang, Carsten Mai, Yanjun Xie, Qingwen Wang, Fire retardancy of an aqueous, intumescent, and translucent wood varnish based on guanylurea phosphate and melamine-urea-formaldehyde resin, Progress in Organic Coatings, Volume 121, 2018, Pages 64-72, ISSN 0300-9440.
Оставить комментарий