CC BY
37
mgr inz. Monika NAGRODZKA
ml. bryg. mgr inz. Daniel MALOZI^C
Zespol Laboratoriow Procesow Spalania i Wybuchowosci
CNBOP-PIB
IMPREGNACJA DREWNA SRODKAMI OGNIOCHRONNYMI
Impregnation of the wood by flame retardants
Streszczenie
W niniejszym artykule opisano budow? chemiczn^. i zastosowanie srodkow ognioochronnych przeznaczonych do ochrony drewna przed ogniem. Na wst?pie przedstawione zostaly podstawowe informacje o budowie drewna i jego reakcji na ogien. Dalsza cz?sc artykulu dotyczy stosowania srodkow ognioochronnych w impregnacji wyrobow z drewna. W pracy zamieszczono opis poszczegolnych grup dodatkow uniepalniaj^cych pod wzgl?dem budowy chemicznej, ich mechanizm dzialania oraz przedstawione s^. przyklady roznych sposobow impregnacji. Dzi?ki znajomosci wplywu sposobu wykonywania impregnacji na palnosc oraz wiedzy o zjawiskach wyst^puj^cych w procesie spalania, mozna zaplanowac i dobrac wlasciwe rozwi^zanie do kazdego przypadku, w celu uzyskania okreslonej klasy reakcji na ogien wyrobow wykonanych z drewna.
Summary
This article describes the role, chemical composition and the use of fire resistant compounds designated for wood protection against fire. In the beginning, basic information about the wood structure and its reaction to fire are presented. This article concerns also the application of fire resistant treatments in wooden materials. Different fire retardant additives are described in terms of this chemical composition, their mechanism of action and there are given the examples of various types of application.
With the knowledge of the impact of type of application on the materials' flammability and the knowledge about the phenomena occurring in the fire process, we can plan and choose the best solution in any cases, where we have to increase fire resistant of wooden elements.
SJowa kluczowe: srodki ogniochronne dla drewna, impregnaty uniepalniaj^ce; Keywords: wood flame retardants, wood fire-retardant measures, wood retardants;
Wst^p
Drewno, jako material budowlany jest stosowany od wiekow i z czasem zacz?to rowniez stosowac materialy pochodzenia naturalnego do ograniczenia palenia. Juz w czasach starozytnych, np. w Chinach, drewno smarowano roztworem gliny lub nakladano na nie warstw? gliny, aby opoznic czas do zapalenia konstrukcji budynku. W starozytnym Egipcie stosowano do krycia dachow trzcin? i traw?, moczono w wodzie morskiej i suszono. Wykrystalizowane w ten sposob sole mineralne utrudnialy zapalenie materialu i spowalnialy proces rozprzestrzeniania si? plomieni po jego powierzchni [14]. W Egipcie rowniez jako srodek ogniochronny byl stosowany powszechnie roztwor alunu.
Drewno, chociaz posiada wiele zalet, m.in. wysok^. wytrzymalosc mechaniczn% dzi?ki ktorym moze byc wykorzystane do budowy wielu elementow elewacji budynkow i wyposazenia wn?trz, do budowy lekkiej konstrukcji budowlanej itp. Jest takze dobrym izolatorem termicznym, jest materialem dzwi?kochlonnym, latwym w obrobce i w technice l^czenia oraz jednoczesnie wyroznia si? wysok^. estetyk^. wygl^du. Jednak drewno nie modyfikowane ogniochronnie nie jest bezpiecznym materialem pod wzgl?dem pozarowym. Ze wzgl?du na duz^. ilosc atomow tlenu w swoim skladzie, material ten jest podatny na zapalenie. Podczas jego spalania tworzy si? coraz grubsza, krucha warstwa zw?glona, ktora powoduje, ze proces spalania drewna, w porownaniu ze spalaniem np. wielu tworzyw termoplastycznych, staje si? procesem stosunkowo wolno rozwijaj^cym si?. Jednak w dalszej cz?sci trwania tego procesu, nast?puje p?kniecie bariery w?glowej powoduj^c tym samym, ze proces spalania zaczyna przebiegac intensywniej. To sprawia, ze drewno ostatecznie traci swoje wlasciwosci wytrzymalosciowe. Proces tworzenia si? na powierzchni drewna warstwy zw?glonej powoduje, ze elementy drewniane w konstrukcji budowlanej wykazuj% w stosunku do elementow aluminiowych czy stalowych, zaskakuj^c^. wlasciwosc, polegaj^c^. na wi?kszej odpornosci ogniowej dla elementow o duzych przekrojach. Mozna to wytlumaczyc tym, ze warstwa zw?glona stanowi izolacj? ciepln% chroni^c^. tym samym przed szybkim post?pem procesu spalania w gl^b elementow lub konstrukcji budowlanej.
Z uwagi na swoje korzystne wlasciwosci i na ogromne zapotrzebowanie rynku budowlanego, wyeliminowanie drewna lub zast^pienie tego materialu jest niemozliwe. Zast?powanie drewna jest takze niewskazane ze wzgl?du na jego niepodwazalne zalety, jakimi chociazby s^: ekonomicznosc produkcji w porownaniu z technologiami innych materialow budowlanych, ekologiczna estetyka powstalych pomieszczen i wyposazenia wn?trz oraz zwi^zany z walorem estetycznym, specyficznym dla tego materialu, przyjazny
dla czlowieka mikroklimat. To wszystko sprawia, ze drewno nadal jest materialem uzywanym i poz^danym w budownictwie i zeby sprostac wymaganiom uzytkownikow i przepisom ochrony przeciwpozarowej, stosowane s^. impregnacje drewna, rowniez w celu zabezpieczenia przed ogniem. St^d tez w osrodkach naukowych wytwarzane s^. coraz to nowsze preparaty chemiczne, czçsto okreslane w literaturze fachowej jako srodki ogniochronne, zawieraj^ce skladniki opozniaj^ce b^dz hamuj^ce proces spalenia drewna, tzw. uniepalniacze. Opracowanie takiego srodka ogniochronnego dla drewna wymaga znajomosci struktury budowy i skladu chemicznego drewna oraz znajomosci procesu jego rozkladu termicznego.
Struktura drewna i jego palnosc
Drewno jest materialem niehomogenicznym. W zaleznosci od tego, czy pochodzi z drzewa iglastego, czy lisciastego, odpowiednio, zbudowane jest glownie z wrzecioniowatych, wewn^trz pustych komorek z tzw. cewek, stanowi^cych 90% masy drzewa iglastego lub z wlokien, ktore stanowi^ ok. 55% masy drzewa lisciastego oraz z komorek cienkosciennych, stanowi^cych funkcjç przewodz^c^. skladnikow odzywczych tzw. miçkiszu. W przypadku drzew iglastych funkcjç przewodzenia wody pelni^. wlasnie cewki a u drzew lisciastych tkank^. przewodz^c^. wodç stanowi^. nieliczne cewki oraz tkanki zbudowane z cylindrycznych naczyn, znajduj^cych siç pomiçdzy zywymi komorkami miçkiszu i pomiçdzy martwymi komorkami wlokien. W zaleznosci od gatunku drewna lisciastego, komorki wlokien przybieraj^. rozne ksztalty: pierscieniowonaczyniowe (komorki maj^. ksztalt zamkniçtych pierscieni), ktore s^. charakterystyczne m.in. dla dçbu, wi^zu, jesionu, lub s^. rozpierzchlonaczyniowe, czyli komorki rozlozone s^. rownomiernie na calej powierzchni przekroju poprzecznego pnia drzewa, co jest charakterystyczne dla np. buku i brzozy [2].
Pod wzglçdem chemicznym drewno zbudowane jest z celulozy, hemicelulozy i ligniny. Ilosciowy udzial tych trzech zwi^zkow jest zroznicowany w zaleznosci od gatunku drewna. Najwazniejszym skladnikiem jest celuloza (CôHioOs)^ ktora w warunkach naturalnych rowniez wystçpuje w bawelnie, prawie w czystej postaci. Obok wystçpuj^cej celulozy obecne s^. inne polisacharydy - zlozone wçglowodany tzw. hemicelulozy, skladaj^ce siç z mniejszych wçglowodanow zwanych pentozanami i heksozanami, ktore s^. zbudowane z kolei z jeszcze mniejszych wçglowodanow tj. odpowiednio z ksylenu i arabanu oraz manganu, galaktanu i fruktanu. W porowatej strukturze drewna s^. obecne rowniez
substancje ciekle, czyli zywice i olejki eteryczne, ktore zaliczaj^. si? do substancji latwo zapalnych a co za tym idzie ich zawartosc rowniez wplywa na intensywnosc spalania si? danego gatunku drewna.
Niew^tpliwie budowa chemiczna i struktura budowy wplywa na wlasciwosci fizyczne danego gatunku drewna i jest scisle zwi^zana z ci?zarem wlasciwym. Pod tym wzgl?dem w stanie powietrzno-suchym (czyli o wilgotnosci 12%) rozroznia si? nast?puj^ce grupy drewna [5].
• bardzo ci?zkie (ponad 0,8 g/cm3): grab, cis, bukszpan, gwajak, heban, eukaliptus i inne gatunki egzotyczne;
• ci?zkie o ci?zarze wlasciwym w granicach 0,71 - 0,80 g/cm3: robinia, d^b, jesion, orzech, grusza;
• drewno umiarkowanie ci?zkie o ci?zarze wlasciwym w granicach 0,61 - 0,70 g/cm3: brzoza, klon, jawor, jablon, modrzew, wi^z;
• drewno umiarkowanie lekkie o ci?zarze wlasciwym w granicach 0,51 - 0,60 g/cm3: jalowiec, kasztanowiec, mahon;
• drewno lekkie o ci?zarze wlasciwym w granicach 0,41 - 0,50 g/cm3: sosna, swierk, jodla, olcha, lipa, cedr, cyprys;
• drewno bardzo lekkie, o ci?zarze wlasciwym ponizej 0,40 g/cm3: topola, balsa, wejmutka.
Do grupy najbardziej narazonej na zniszczenie ogniem, czyli do grupy materialow stosunkowo latwo zapalnych, bez zabezpieczen ochronnych, nalezy drewno mi?kkie o g?stosci obj?tosciowej ponizej 650 kg/m3, np. swierk i sosna. Do grupy materialow stosunkowo trudno zapalnych w naturalnej postaci, zaliczane jest drewno twarde (z drzew lisciastych) o g?stosci powyzej 800 kg/m3.
Sklad chemiczny drewna, jego budowa strukturalna, decyduje o szybkosci procesu spalania i jego wydajnosci cieplnej. Oprocz wlasnosci drewna np. g?stosci lub ilosci zawartej w drewnie wilgoci, na przebieg i intensywnosc procesu spalania maj^. wplyw rowniez dodatkowe czynniki jak np. warunki spalania, grubosc i ksztalt wytworzonego elementu z tego materialu.
Eksponowane drewno na zewn?trzny strumien ciepla ulega rozkladowi termicznemu, daj^c palne i niepalne produkty lotne, paln^. pozostalosc zw?glon^. oraz niepalne mineraly (popiol). Jezeli szybkosc emisji produktow lotnych jest wystarczaj^ca do utworzenia
mieszaniny, w której skladniki palne sy w ich granicach zapalnosci, wtedy moze nastypic ich zaplon i jego rozprzestrzenienie siç warunkujyce ciyglosc spalania drewna. Mozna wyróznic cztery glówne etapy termicznej degradacji drewna:
• Etap I — ogrzewanie drewna do 2000C,
• Etap II - 200 - 2800C,
• Etap III - 280 - 5000C,
• Etap IV - powyzej 5000C.
W etapie I (temperatura < 2000C) zachodzi odparowanie wody, niepalnych produktów lotnych oraz powolny ubytek masy drewna. Egzotermiczne reakcje utleniania produktów rozkladu termicznego powodujy powolne nagrzewanie siç fazy lotnej. Do 2800C sklad gazów po rozkladzie termicznym jest prawie niezmieniony - dominuje dwutlenek wçgla, para wodna, pochodne aromatyczne w postaci lotnych zwiyzków zawierajyce grupy: aldehydowe, alkoholowe.
Podczas rozkladu termicznego, drewno zwçgla siç w wyniku zachodzycej reakcji rozkladu. W temperaturze okolo 200 - 2600C nastçpuje rozklad termiczny hemicelulozy. W temperaturze okolo 2400C rozpoczyna siç rozklad celulozy, a jego maksimum to temperatura okolo 280°C. Wartosc ta odpowiada dokladnie temperaturze pirolizy а -celulozy. Calkowity rozklad а - celulozy ma miejsce w temperaturze 360°C przy szybkosci ogrzewania 3°C/min. W temperaturze okolo 2800C rozpoczyna siç rozklad ligniny, który osiyga maksymalny wartosc przy 4500C. W przedziale temperatury 280-5000C powstala mieszanina produktów rozkladu termicznego jest mieszaniny palny i zapala siç od pilotowego zewnçtrznego zródla ciepla. Tworzenie siç warstwy wçgla zmniejsza szybkosc emisji gazów lotnych produktów rozkladu termicznego, az do prawie zaniku ich emisji w temperaturze powyzej 5000C. Proces spalania plomieniowego drewna przechodzi do procesu bezplomieniowego warstwy wçglowej (spalanie heterogeniczne). Ubytek masy zwiyzany jest juz tylko z rozkladem wçgla drzewnego. O ile gazowe produkty rozkladu spalajy siç plomieniem dyfuzyjnym to o tyle powstaly wçgiel spala siç bezplomieniowo, czyli tli siç. Ilosc gazów po rozkladzie termicznym smoly i wçgla zmienia siç bardzo w zaleznosci od temperatury, cisnienia i szybkosci grzania podczas rozkladu termicznego lub pirolizy drewna zachodzycej w temperaturze ponad 350°C. Szybkosc ogrzewania termicznego lub pirolizy drewna ma wplyw na ilosc i typ wszystkich produktów rozkladu. Szybkie ogrzewanie drewna powoduje, ze w wyniku rozkladu termicznego tworzy siç stosunkowo malo warstwy
zw?glonej, duzo smoly, a produkty lotne s^. wysoce latwo zapalne. I odwrotnie: mala szybkosc ogrzewania powoduje tworzenie si? wi?kszej ilosci warstwy w?glowej, malej ilosci smoly, a produkty lotne charakteryzuj^. si? umiarkowan^. podatnosci^. do inicjacji reakcji spalania.
Srodki ogniochronne w drewnie i zawarte w nich retardanty
Obecnie stosuje si? bardzo wiele srodkow zabezpieczaj^cych drewno przed ogniem. Znalazly one szerokie zastosowanie w budownictwie, meblarstwie, w przemysle okr?towym. W przypadku zastosowania zabezpieczenia drewnianych budynkow zabytkowych, odpowiednio dobrane preparaty, praktycznie okazuj^. si? byc niezast^pione. Z jednej strony pelni^. funkcj? ochronn^. przed ogniem, a z drugiej zachowuj^. autentyczny wygl^d zabytkowej, chronionej powierzchni. Dodatkowym walorem uzycia impregnatu ogniochronnego w pracach wykonczeniowych elewacji budynkow, jest mozliwosc zabezpieczenia przed korozj^. biologiczn^. Sprawcami takiej korozji s^. insekty i niektore grzyby, dla ktorych drewno bez impregnacji jest srodowiskiem sprzyjaj^cym do ich rozrostu i rozmnazania si?.
Z definicji preparat ognioochronny dla drewna powinien opozniac moment zapalenia si? materialu drewnianego, zmniejszac szybkosc powierzchniowego rozprzestrzeniania si? plomieni i zmniejszac intensywnosc spalania si? materialow palnych. Dla lepszej uzytecznosci dobry preparat powinien byc stabilny chemicznie, posiadac wlasciwosci grzybobojcze, a w przypadku zabezpieczenia elementow zewn?trznych, narazonych na czynniki atmosferyczne, powinien byc odporny na dzialanie czynnikow atmosferycznych. Ponadto, w swietle przepisow, dotycz^cych ochrony srodowiska i ekologii oraz dla zachowania wlasciwosci uzytkowych drewna, srodek ognioochronny nie powinien byc:
• toksyczny dla ludzi i zwierz^t w warunkach normalnej eksploatacji zabezpieczonego materialu oraz nie powinien emitowac toksycznych produktow podczas rozkladu termicznego w wysokiej temperaturze;
• zmieniac wlasciwosci fizykochemiczne zabezpieczonego drewna, jak: barwa, wlasciwosci mechaniczne.
Mechanizm dzialania srodkow ogniochronnych (FR) stosowanych do drewna polega na zakloceniu procesu spalania, na okreslonym stadium jego przebiegu. Moze wplywac na proces spalania podczas reakcji chemicznej FR i/lub procesow fizycznych, w fazie stalej lub gazowej. W zaleznosci od metody ingerencji FR w procesie spalania drewna,
charakterystycznego dla poszczególnych rodzajów srodków ogniochronnych, rozróznia siç oddzialywanie na etapie ogrzewania, rozkladu, zaplonu lub rozprzestrzeniania siç ognia. Jest to uzaleznione od rodzaju wchodzycych w sklad srodków ogniochronnych, poszczególnych zwiyzków uniepalniajycych. Najskuteczniejsze sy srodki ogniochronne, które dzialajy we wszystkich lub przynajmniej w kilku fazach spalania i dlatego na ogól w srodkach ogniochronnych wystçpuje mieszanina wielu uniepalniaczy, w odpowiednio dobranych proporcjach. Posiadajyc podstawowy wiedzç o rodzajach srodków gasniczych stosowanych w pozarnictwie, mozna latwo wskazac niektóre rodzaje stosowanych retardantów. Takimi sy zwiyzki halogenowe ze szczególnym uwzglçdnieniem nieorganicznych chlorków i bromków oraz niektóre zwiyzki organiczne z wbudowanym atomem chloru, np. chloroparafina. Mechanizm dzialania takich uniepalniaczy równiez jest do przewidzenia. Z racji obecnosci halogenków w strukturze ich budowy, mechanizm opiera siç na inhibicji lancuchowej reakcji spalania w fazie gazowej. Inne srodki uniepalniajyce, nalezyce do grupy zwiyzków nieorganicznych, zaklócajy proces spalania równiez na etapie rozprzestrzeniania siç ognia a takze wchodzy w ingerencjç procesów fizykochemicznych podczas spalania na etapie: ogrzewania, rozkladu w fazie stalej i/lub gazowej. Jako zwiyzki uniepalniajyce drewno, nalezyce do grupy zwiyzków nieorganicznych mogy byc stosowane sole fosforanowe, siarczanowe, zwiyzki z obecnosciy grupy amonowej, zwiyzki borowe, niektóre wodorotlenki. Przykladami skutecznych uniepalniaczy sy nastçpujyce zwiyzki: fosforan amonu, kwas borowy lub mieszanina tych dwóch zwiyzków oraz borany i chlorki: wapnia, magnezu, cynku, cyny (II), amonu, siarczan amonu, zwiyzki fosforanowe amonu, krzemian sodu, wodorotlenek sodu, siarczan wapnia, siarczan miedzi. W polowie XX wieku jako szczególnie przydatne wskazano zwiyzki uniepalniajyce takie jak: dwuwodorofosforan amonu (NH4H2PO4), boran sodu (Na2B4Oy), kwas borowy (H3BO3), chlorek cynku (ZnCb), wspomniany wczesniej siarczan amonu [(NH4)2SO4], wodorofosforan amonu [(NH4)2HPO4] oraz mieszanina siarczanu amonu i fosforanu amonu [(NH4)3PO4] (80:20) [7].
Do najczçsciej stosowanych uniepalniaczy w srodkach ogniochronnych dla drewna, nalezycych do grupy zwiyzków organicznych, zaliczane sy zwiyzki zawierajyce atomy azotu np. melamina, mocznik, guanidyna oraz zwiyzki fosforoorganiczne np. fosforan melaminy, zwiyzki fosforowo-azotowe i fosforowo-halogenowe.
Mechanizmy dzialania srodków ogniochronnych oparte sy na czterech podstawowych teoriach dokladniej wyjasniajycych roznicç w sposobie dzialania srodków ognioochronnych:
1. teoria powlokowa,
2. teoria termiczna,
Sformatowano: Wciçcie: Z lewej: 1,27 cm, Pierwszy wiersz: 0 cm, Numerowanie + Poziom: 1 + Styl numeracji: 1, 2, 3, ... + Rozpocznij od: 1 + Wyrównanie: Na lewo + Wyrównanie: 0 cm + Tabulator po: 0,63 cm + Wciçcie: 0,63 cm, Tabulatory: 1,27 cm, Tabulator listy + Nie w 0,63 cm
3. teoria gazowa,
4. teoria chemiczna. [2]
Pierwsza z nich - teoria powlokowa - wyjasnia powstrzymywanie transportu ciepla do drewna przez utworzon^. warstw? (powlok?) srodka ogniochronnego zanim jeszcze material osi^ga temperatur? rozkladu termicznego lub pirolizy, ktora rowniez przyczynia si? do spowalniania emisji gazowych produktow spalania.
Teoria cieplna odnosi si? do przenikania ciepla przez tworz^c^. si? warstw? w?gla drzewnego. Poprzez powstal^. w czasie procesu spalania coraz grubsz^. warstw? zw?glenia materialu, nast?puje spowolnienie przenikania ciepla do samego drewna. Taki mechanizm dzialania jest charakterystyczny dla zabezpieczen drewna np. srodkami solnymi. Teoria termiczna rowniez odnosi si? do zjawiska absorpcji cieplnej, ktora tlumaczy zjawisko nie zmieniaj^cej si? temperatury drewna podczas procesu pirolizy b^dz rozkladu termicznego.
Teoria gazowa wyjasnia mechanizm dzialania ognioochronnego, ktory polega na uwalnianiu gazow z impregnatow przeciwogniowych w warunkach podwyzszonej temperatury podczas procesu spalania. Emitowane gazy s^. gazami niepalnymi, b^dz gazami inhibitjcymi reakcj? spalania, dzialaj^cymi poprzez spowolnienie lub przerywanie lancuchowych reakcji rodnikowych zachodz^cych w plomieniu. Gazy niepalne powstaj^ w wyniku rozkladu takich zwi^zkow uniepalniaj^cych jak: uwodnione sole, w?glany, halogenki, fosforany, siarczan amonowy, chlorek cynku, wapnia i magnezu a powstaj^ce emitowane gazy niepalne to najcz?sciej: para wodna, dwutlenek w?gla, amoniak, bezwodnik kwasu siarkowego, bezwodnik kwasu fosforowego, chlorowodor. Gazami inhibitjcymi zas rodnikow^. reakcj? lancuchow^. s^. halogenki, czyli: chlor, brom, ktore powstaj^. w wyniku rozkladu w wyzszej temperaturze zwi^zkow halogenowych, stosowanych jako uniepalniaczy.
Mechanizm dzialania FR zgodnie z teori^ chemiczn^, prowadzi do obnizenia pocz^tkowej temperatury procesu pirolizy lub rozkladu termicznego drewna oraz zmienia przebieg tego procesu poprzez tworzenie si? wi?kszych ilosci w?gla, wody i niepalnych gazow oraz zmniejszenie si? ilosci tworz^cej si? palnej smoly i fazy gazowej (zwi^zki fosforowe).
Ze wzgl?du na sposob stosowania, srodki ogniochronne do drewna dzielone s^. na dwie grupy:
• wnikaj^ce w drewno, najcz?sciej s^. to srodki solne tzw. impregnaty ogniochronne stosowane do wgl?bnego nasycenia materialu chronionego w postaci st?zonych roztworow wodnych,
• dzialajyce powierzchniowo w postaci farb (emulsji wodnych), lakierów, folii materialów przekladowych i cienkich plyt zaporowych. Srodki te tworzy na powierzchni drewna warstwç ochronny, czçsto pçczniejycy na powierzchni pod wplywem wysokiej temperatury.
Do grupy zwiyzków wnikajycych w drewno, nalezy srodki posiadajyce najczçsciej w swoim skladzie nieorganiczne zwiyzki: fosforu, boru, magnezu, amonu, cynku [14]. Do organicznych nalezy zwiyzki zawierajyce atomy azotu jak np. melamina, mocznik. Generalnie, impregnaty przeznaczone sy do drewna surowego, nie pokrytego farby, lakierem czy srodkiem oleistym. Jednak z racji, ze nie wiyzy siç chemicznie ze struktury drewna, muszy byc stosowane z dodatkowy powloky wodoodporny w celu zabezpieczenia elementów zewnçtrznych. Nakladanie impregnatu wglçbnie, przeprowadza siç metody: prózniowy lub prózniowo-cisnieniowy, metody kypieli zimnej i metody kypieli goryco-zimnej.
W metodzie prózniowej - jak sama nazwa wskazuje - drewno, które jest poddane impregnacji, umieszczane jest w komorze, w której zaciyga siç prozniç w celu wyssania powietrza z komórek, a nastçpnie jest napelniane preparatem impregnacyjnym przy podcisnieniu. Podobnie jest w metodzie prózniowo-cisnieniowej, gdzie wysysanie powietrza z porów drewna zachodzi pod wplywem wytwarzanego podcisnienia w komorze napelniajycej.
Metoda kypieli "zimnej" jest najprostszy, ale i najdluzej trwajycy metody impregnacji drewna. Polega na zanurzeniu zabezpieczanych elementów w roztworze impregnatu. Czas nasycania uzalezniony jest od rodzaju materialu i preparatu, np.: deska do grubosci 2 cm jest zanurzona w kypieli przez 1,5 h; bale do grubosci 5 cm - 6,0 h; krawçdziaki do 10 cm - 18,0 h; drewno okrygle 10^12 cm - 36,0 h [2]. W metodzie kypieli "goryco-zimnej" zanurzenie drewna trwa dwuetapowo. Najpierw w roztworze impregnatu o temperaturze 60^65°C przez okreslony czas np. 2 h a nastçpnie w temperaturze blizszej temperaturze otoczenia tj. 15-20°C przez dluzszy czas np. 5h. Wazne jest, ze dla zagwarantowania skutecznosci impregnacji w obydwu metodach kypielowych nalezy dobierac drewno do wilgotnosci nie przekraczajycej 28%. [2]
Przy stosowaniu srodków powlokowych decydujycy rolç odgrywa grubosc i jakosc powloki ochronnej. Z natury rzeczy srodki powlokowe zmieniajy wyglyd drewna, sy stosowane tam, gdzie nie jest wymagane zachowanie naturalnego koloru i widocznych linii sloi drewna. Na powierzchniç suchego drewna srodki powlokowe sy nakladane przy uzyciu pçdzla, walka bydz tez metody natrysku - pneumatycznego lub hydrodynamicznego.
Ogolnie pokrycia powlokowe ze wzgl?du na mechanizm, jakim realizuj^. swoj^. funkcj? ochronn% mozna podzielic na dwie grupy:
• pokrycia absorbuj^ce energi?;
• pokrycia p?czniej^ce.
Do pierwszej grupy preparatow powlokowych, najcz?sciej stosowanych komponentow nalez^: szklo wodne, polioctan winylu, zywice aminowe, akrylowe, melaminowo-formaldehydowe, fenolowo-formaldehydowe, chloroparafina, zwi^zki fosforoorganiczne oraz wypelniacze jak: ziemia okrzemkowa, gips, cementy, magnetyty, kreda, talk, perlit, wermikulit.
Istniej^. rowniez p?czniej^ce srodki powlokowe, ktore jak sama nazwa sugeruje, pod wplywem wysokiej temperatury lub bezposredniego dzialania plomieni, tworz^ sp?cznial^. warstw? w?gla lub w przypadku zastosowania powszechnie stosowanych nanowarstw, tworz^. warstw? krzemianow. Powstala zw?glona warstwa piany, stanowi izolacyjn^. barier? dla materialu z drewna, chronic przed zjawiskiem absorpcji ciepla i dost?pem tlenu. Najbardziej poz^dane w tej grupie srodkow powlokowych s^ zywice termoplastyczne, ktore mi?kn^. przy ogrzewaniu tworz^c poszerzon^. warstw? zw?glon% a wraz z coraz to wi?kszymi wymaganiami w poszukiwaniu skuteczniejszych srodkow p?czniej^cych, nowym trendem stalo si? tworzenie p?czniej^cych ukladow powlokowych, opartych na budowie modyfikatorow o nanocz^steczkowej strukturze. S^ to srodki, ktore w stosunku do tradycyjnych srodkow powlokowych maj^. lepsze wlasciwosci izolacyjne podloza drewna przed nadmiernym wzrostem temperatury i dost?pem tlenu. Dzi?ki wysokiej dyspersji cz^stek w strukturze naniesionej powloki, zmienia si? znacz^co przebieg procesu spalania i rozklad kompozycji p?czniej^cej a w konsekwencji, wplywa to na szybkosc i struktur? tworz^cej si? warstwy zw?glonej. W wielu przypadkach nanowarstwy mog^ w koncowym efekcie procesu wytwarzania przybierac postac powloki transparentnej, co jest ogromn^. zalet^ dla potrzeby zastosowania zabezpieczenia powierzchniowego z zachowaniem naturalnego koloru drewna. Do takich srodkow powlokowych nalez^. spoiwa do farb wodorozcienczalnych i rozpuszczalnikowych, ktorych struktura budowy jest oparta na bazie zawieraj^cej krzem, s^. to: silikony, siloksany, silany [11]. Rowniez jako skladniki ogniochronne stosuje si? preparaty na bazie zywic krzemoorganicznych lub na bazie mieszanej krzemoorgano-nieorganicznej, ktore wchodz^. w sklad specjalnych wyrobow lakierowych a takze zmodyfikowana nanotechnologicznie zywica na bazie zywic epoksydowych i silikonowych.
W przypadku, gdy nie jest konieczne zachowanie faktury i wyglydu drewna, powierzchniç tç mozna pokryc warstwy materialu niepalnego typu zaporowego. Stosuje siç jy w przegrodach budowlanych o konstrukcji drewnianej np. lekkie sciany dzialowe, oslonowe oraz sciany nosne budynkow niskich, stropy miçdzykondygnacyjne, ktore dodatkowo spelniajy dodatkowy funkcjç pod wzglçdem wytrzymalosci mechanicznej kondygnacji (budynku), ograniczajy izolacjç termiczny i akustyczny zawarty miçdzy okladzinami oraz stanowiy czçsto ostateczne wykonczenie dekoracyjne elementow budowlanych. Materialem, ktory dobrze spelnia wymagania stawiane plytowym okladzinom ogniochronnym, dla drewnianych elementow budowlanych, jest plyta gipsowo-kartonowa. Jest to material wykonany z gipsu krystalizujycego z wody o wzorze chemicznym (CaSO4 ■ 2 H2O), obustronnie oklejony kartonem. Gips pelni funkcjç izolacji ogniowej a karton przyklejony po obydwu stronach rdzenia, zapewnia lepszy wytrzymalosc mechaniczny danego elementu budowlanego. Dla wzmocnienia struktury plyt gipsowo-kartonowych i poprawy ich zachowania w pozarze, dodaje siç zbrojenie rdzenia ciçtego wlokna szklanego (do okolo 0,2 % w stosunku do masy gipsu) [2].
Oprocz wszystkich wymienionych preparatow z opisanym mechanizmem dzialania, nalezy rowniez wspomniec o mozliwosci zastosowania techniki systemu ogniochronnego. W tym celu dopuszcza siç przeprowadzenie dwoch lub wiçcej zabiegow zabezpieczajycych a wszystko po to, by jeszcze bardziej wzmoc dzialanie ochrony drewna przed pozarem oraz zapewnic wysoky jakosc pod innymi wzglçdami, stawianymi przez konkurencyjny rynek jako warunek konieczny do spelnienia. Dobrze zaimpregnowane drewno ogniochronnie powinno np. jednoczesnie byc skutecznie zabezpieczone przed niszczycym dzialaniem owadow i grzybow oraz wilgociy, a takze miec zachowany estetykç naturalnego wyglydu. Dlatego obecnie, na rynku jest wiele preparatow oraz mozliwosci modyfikacji impregnacji. Poczywszy od zwyklej powierzchniowej a skonczywszy na kilkuetapowej, ktorej technika sklada siç z roznych metod.
Podsumowanie
Drewno jest materialem budowlanym, ktory w warunkach pozarowych stosunkowo latwo ulega zapaleniu, rozkladowi termicznemu i szybko rozprzestrzeniajy siç po nim plomienie. Material ten i wyroby drewnopochodne zaliczajy siç do materialow palnych. Pod wzglçdem reakcji na ogien jest klasyfikowane w klasie D, s1-s3, d0-d2, a po zabezpieczeniu srodkami przeciwogniowymi, moze byc zaliczane do klasy B lub C, co oznacza, ze moze
znalezc si? w grupie materialow okreslanych jako niezapalne, trudno lub latwo zapalne. Charakterystyk? pozarowi tych materialow mozna istotnie zmienic przez naniesienie na powierzchni? drewna lub wprowadzenie do ich struktur srodkow ognioochronnych. W zaleznosci od wlasciwego doboru oraz prawidlowego zastosowania srodkow przeciwogniowych w odpowiednich st?zeniach i przy odpowiedniej metodzie impregnacji, uzyskuje si? w wi?kszym lub mniejszym stopniu skuteczne zabezpieczanie przed pozarem wyrobu wykonanego z drewna. W ten sposob zapobiega si? naglemu rozprzestrzenianiu ognia i zdecydowanie obniza si? zapalnosc materialow, co z kolei, ulatwia ugaszenie pozaru w jego fazie poczitkowej. Wazne jest, zatem przestrzeganie zasady, do jakiej metody impregnacji jest przeznaczony preparat oraz wazne jest uwzgl?dnienie dodatkowych parametrow korelujicych np. uwzgl?dnienie wspolczynnika okreslajicego faktyczne zuzycie srodka ogniochronnego.
Mozna stwierdzic, ze kazdy srodek ogniochronny przeznaczony jest do zabezpieczania pewnego rodzaju wyrobow drewnianych o odpowiedniej grubosci minimalnej. Porownujic impregnacj? drewna metody powierzchniowi z impregnacji wgl?bni przy zastosowaniu tego samego srodka ogniochronnego, zazwyczaj uzyskuje si? lepszy efekt ochronny dla impregnacji wgl?bnej. Przykladem tego mogi byc preparaty solne w roztworach wodnych 2030%, ktore nanoszone na powierzchni? materialu nawet pi?ciokrotnie, w wi?kszosci przypadkow, przyczyniaji si? do zakwalifikowania badanego materialu jedynie do grupy materialow trudno zapalnych. W stosunku do zabezpieczenia metodi impregnacji wgl?bnej nie jest to wysoki efekt ogniochronny, gdyz w przypadku tej drugiej metody, przy zuzyciu minimalnej optymalnej dawki (srednio 40 kg soli na 1 m3 nasycanego drewna) drewno moze osiignic klasyfikacj? materialu niezapalnego. Bywa tez tak, ze zle dobrany srodek przyczynia si? w efekcie do zwi?kszenia szybkosci zw?glania zabezpieczonego elementu, a tym samym powoduje efekt odwrotny do zamierzonego. Dlatego tez, zastosowanie preparatu ogniochronnego na szeroki skal? przy odpowiedniej metodzie impregnacji, powinno byc poprzedzone badaniem stopnia palnosci (klasy reakcji na ogien) zabezpieczonego materialu.
Literatura
1. Carter R. J., Flame Retardation of Cellulose by Thiocyanates, Preliminary Study, J. Fire Retardant Chemicals, 1981;
2. Chodorowski J., Badanie szybkosci zwçglania drewna sosny i dçbu impregnowanych przeciwogniowo w warunkach cieplnych symulujqcych I fazie pozaru, Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej, 2000;
3. Drysdale D., An Introduction to fire dynamics, John Wiley and Sons, London, 1992;
4. Garba B., [et.al.], Effect of flame retardant treatment on energy of pyrolysis, Combustion of wood cellulose, Fire and Materials, 1994;
5. Hawryluk Z., Badanie szybkosci zwçglania drewna o zroznicowanej gçstosci, Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej, 2000;
6. Jaskolowski W., Szybkosc zwçglania i generacji ciepla podczas spalania drewna zabezpieczonego przeciwogniowo, praca doktorska, Akademia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego, Poznan, 2001;
7. Lyons J.W., The chemistry and uses of fire retardants, Willey, Interscience, 1970;
8. Schaffer E., Effect on fire retardant treatment on energy of pyrolysis, Combustion of wood cellulose, Fire Retardant Chem. Suppl., 1974;
9. Surminski J., Cwiczenia zpodstaw nauk lesno—drzewnych, Wydawnictwo Uczelniane, Poznan 1970;
10. Wiley John and Sons, Encyclopedia of Chemical Technology, London, 1992;
11. Brenden J. i inni, Effect of inorganic salts on pyrolysis product of panderosa pine, Forest Product Journal, 1965;
12. Brzezinski J.M., Pokrycia ogniochronne zmniejszajqce palnosc na stal i drewno, Bezpieczenstwo i Technika Pozarowa, CNBOP 2005 ;
13. Konecki M., Kosiarek M., Kolbrecki A., Fangrat J., Badanie wlasciwosci ogniowych drewna, Inzynieria i Budownictwo nr 6/1991;
14. Kosiarek M., Budynki o drewnianej konstrukcji szkieletowej a bezpieczenstwo pozarowe, Lekkie Budownictwo Szkieletowe nr 4-5/1997;
15. Wesolek D., Wojcik R., Palnosc i zabezpieczanie ogniochronne drewna -Uszlachetnianie powierzchni drewna. Czçsc II, Lakiernictwo Przemyslowe, Wydawnictwo Goldman Press, 2010;
16. Koniuch A., Maloziçc D., Proces spalania apozar, Szkolenie Strazakow Ratownikow OSP, Czçsc 1", CNBOP 2007;
Sformatowano:
Numerowanie + Poziom: 1 + Styl numeracji: 1, 2, 3, ... + Rozpocznij od: 1 + Wyrownanie: Na lewo + Wyrownanie: 0,63 cm + Tabulator po: 1,27 cm + Wciçcie: 1,27 cm, Tabulatory: 0,63 cm, Do lewej
Sformatowano:
Numerowanie + Poziom: 1 + Styl numeracji: 1, 2, 3, ... + Rozpocznij od: 1 + Wyrownanie: Na lewo + Wyrownanie: 0,63 cm + Tabulator po: 1,27 cm + Wciçcie: 1,27 cm, Tabulatory:
0,63 cm, Do lewej
17. Koniuch A., Malozi?c D., Rozwoj pozaru, Szkolenie Strazakow Ratownikow OSP, Cz?sc 2, CNBOP 2007;
18. Malozi?c D., Koniuch A., Okreslanie wlasciwosci pozarowych materialow budowlanych i elementow wyposazenia wnqtrz, Ogolnopolskie Seminarium CNBOP, Jozefow, 2008;
19. Malozi?c D., Metody impregnacji ochronnej drewna, Ogolnopolskie Seminarium CNBOP Jozefow, 2008;
20. Pofit - Szczepanska M., Malozi?c D., Analiza przydatnosci badan opornosci elektrycznej wqgla drzewnego i wielkosci zwqglenia elementow drewnianych do okreslenia miejsca powstania pozaru, I Mi?dzynarodowa Konferencja „Badanie przyczyn powstawania pozarow", Poznan 2003.
Recenzenci
dr hab. Marzena Polka, profesor SGSP dr inz. Marcin Zbiec
