CC BY
48
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ УДК 674.048.3: 674.048.4: 674.049.3
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ ВСПЕНЕННЫМИ РАСТВОРАМИ ОГНЕБИОЗАЩИТНЫХ ПРЕПАРАТОВ
Т.В. Ермолина S А.В. Ермолина 1
1 ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» 660049, Красноярск, пр. Мира 82; e-mail: [email protected]
Одним из наиболее распространенных способов огнезащитной обработки деревянных строений является обработка их поверхности водными растворами антипиренов. При обработке строений данным способом, для достижения требуемых параметров защищенности древесины, требуется выполнить многократную обработку, особенно вертикальных поверхностей строений. Одним из направлений совершенствования данного способа обработки является использование вспененных растворов защитных средств. Вспенивание позволяет получить устойчивую поризованную структуру раствора защитного препарата. Такая структура способствует увеличению продолжительности контакта препарата с древесиной и, соответственно, дает возможность существенно увеличить количество препарата, наносимого на единицу площади при однократной обработке поверхности древесины.
В настоящее время существует большое количество водорастворимых огнебиозащитных препаратов, которые имеют либо сильно кислую, либо сильно щелочную среду, что существенно усложняет задачу получения густой, стабильной пены.
В статье приведены результаты исследований о влиянии вида пенообразователя на свойства пен, получаемых на основе растворов огнебиозащитных препаратов с разной кислотностью (величина рН). Исследовано влияние температуры, концентрации защитного средства и содержания пенообразователя в растворе на свойства получаемых пен. Определены значения этих факторов, которые позволяют получать пены с максимально высокими параметрами.
Были проведены эксперименты по определению необходимой кратности обработки поверхности древесины огнезащитным препаратом с целью достижения у нее требуемого уровня защищенности. Установлено, что при использовании растворов антипиренов без пенообразователя, количество обработок горизонтальной поверхности древесины должно составлять от 4 до 5 (концентрация раствора - 15%). При использовании антипиренов с пенообразователем, необходимое количество обработок поверхности должно составлять 1.. .2.
На заключительном этапе исследований был проведен эксперимент, в котором изучили, влияет ли исследуемый способ обработки на уровень огнезащиты древесины. В ходе эксперимента определяли огнестойкость пропитанной древесины. Установлено, что при однократной обработке древесины вспененным препаратом достигается такой же уровень огнезащиты (II группа огнезащитной эффективности), как и при многократной обработке, препаратом без пенообразователя.
Ключевые слова: древесина, пропитка, антипирен, огнебиозащитный препарат, пена, свойства, вспененный раствор
Processing of a surface of wooden structures by water solutions fireproof compositions is one of the most common methods of fireproof processing. At processing of structures by this way, it is required to perform multiple processing, especially vertical surfaces of buildings for achievement of demanded parameters of security of wood. One of directions of perfection of this method of processing is use of the made foam solutions fireproof compositions. Foaming provides to receive steady porous structure of a solution of a protective composition. This structure promotes increase in duration of contact of a composition and accordingly gives the chance to increase essentially quantity of the composition put on unit of the area at unitary processing of a surface of wood.
Now there is a considerable quantity water-soluble fireproof compositions which have either strongly acidic, or strongly alkaline environment, that essentially complicates a problem of producing of dense, stable foam.
In the article results of researches about kind influence of the type of foaming agent on properties of the foams received on the basis of solutions fireproof compositions with different acidity (рН) are resulted. Influence of temperature, concentration of protective agent, the maintenance foaming agent in a solution has been investigated. Values of factors which allow to obtain foams with as much as possible high parameters have been defined.
Experiments to determine the necessary frequency rate of processing of a surface of wood by a fireproof composition for the purpose of achievement at it demanded level of security have been spent. It is established, at use of a solution of a fireproof composition without foaming agent, the quantity of processing's of a horizontal surface of wood should make from 4 to 5 (concentration of a solution of a fireproof composition - 15 %). At use fireproof composition with foaming agent, the necessary quantity of processing's of a surface should make 1 ... 2.
At the final stage of researches experiment in which have studied has been made, whether the investigated way of processing influences level of fireproof of wood. During experiment fireproof of the impregnated wood has been defined. It is established, that at unitary processing of wood the made foam preparation the same level of fireproof (second group of fireproof efficiency) is reached, as well as at repeated processing, by a preparation without foaming agent.
Keywords: wood, impregnation, fireproof composition, fireproof and bioprotective composition, foam, properties, foam solution
ВВЕДЕНИЕ
Параметрами, по которым оценивается качество защитной обработки древесины, является поглощение препарата и глубина его проникновения. Высокая надежность защитной обработки достигается только при достаточно высоких показателях качества. Особенно это относится к огнезащитной обработке древесины.
Известен целый ряд способов обработки древесины защитными препараторами. Одним из наиболее распространенных является поверхностная обработка древесины. Он может осуществляется путем нанесения препарата на древесину с помощью кисти или распылением. Одним из главных достоинств этого способа является его простота и доступность. При обработке деревянных строений находящихся в эксплуатации, в т.ч. памятников деревянного зодчества, данный способ является единственно возможным. Главным его недостатком является то, что сложно обеспечить требуемые показатели защищенности древесины, особенно на вертикальных поверхностях. Это обусловлено тем, что древесина медленно впитывает жидкость. При обильном ее нанесении на поверхность излишки просто стекают. Как показывают исследования и практический опыт (Рымина,1984; Ломакин, 1990), при огнезащитной обработке требуемую величину поглощения защитного средства можно достичь не менее чем при 5.. .7 кратном нанесении раствора с определенной выдержкой. Это существенно затруднят проведение работ.
Одним из перспективных направлений совершенствования данного способа обработки древесины является использование вспененных защитных препаратов. Вспенивание позволяет получить устойчивую, поризованную структуру раствора защитного средства. Такая структура способствует увеличению продолжительности контакта препарата с древесиной и соответственно повышает его диффузию в древесину. Последнее дает возможность существенно увеличить количество препарата, наносимого на единицу площади, при однократной обработке поверхности древесины. Данный способ показал высокую эффективность при обработке древесины антисептиками (Ломакин, 1990). Применительно к антипиренам данных нет. Такие исследования представляют интерес, т.к. концентрация растворов антипиренов значительно выше, чем у антисептиков. Кроме того эти препараты, как правило, являются более химически активными веществами, т.е. имеют либо сильно кислую, либо сильно щелочную среду, что существенно усложняет процесс получения стабильной пены.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В выполненных экспериментах были использованы следующие огнезащитные препараты: ХМББ-1128, «Огнебиостоп», «Сенеж Огнебио Проф», «Оберег». Вспенивание растворов антипиренов выполнялось с помощью пенообразователей ПО-6ТС и АБСК (алкилбензосульфокислота).
Оценка свойств пен, получаемых при введении пенообразователей в растворы антипиренов, выполнялось с помощью двух параметров: стойкость и кратность пены. Определение этих параметров предусмотрено методикой определения свойств пен (Ти-хомиров,1983).
Определение стойкости пены осуществлялось следующим образом. В химический стакан наливался определенный объем химического защитного средства. Затем в него вводился пенообразователь, количество которого варьировалось в зависимости от проводимых опытов. При помощи электрического миксера проводилось вспенивание раствора до образования устойчивой, густой пены. Время уменьшения объема пены на 50 %, относительно её начального уровня, принимается за параметр стойкость пены (в минутах). Отношение объема полученной пены V1 к объему жидкости оставшейся в емкости после её вспенивания V называется кратность пены К, которая определялась по формуле К^/Уд. Известно, что чем больше стойкость и кратность пены, тем лучшую пенообразующую способность обеспечивает пенообразователь.
В таблице 1 приведены параметры свойств пен, получаемых при введении использованных пенообразователей в растворы антипиренов.
Таблица 1 - Влияние вида пенообразователя на свойства пены
Вид антипирена Вид пенообразователя Количество, % Стойкость пены, мин Кратность пены
Сенеж-Огнебио Проф (рН=11) АБСК 0,34 167 3,4
Оберег (рН=12) АБСК 0,34 150 3,1
Огнебиостоп (рН=7) ПО-6ТС 2,0 6 3,2
ХМББ-1128 АБСК 0,34 170 3,2
(РН=7) ПО-6ТС 2,0 5 3,1
Из представленных данных следует, что применение использованных пенообразователей позволило получить вспененные растворы антипиренов. Устойчивые пены были получены даже у таких антипи-ренов, которые имеют высокие значения рН: Сенеж Огнебио Проф (рН=11), Оберег (рН=12).
Лучшие параметры пены были получены при использовании пенообразователя АБСК. По сравнению с ПО-6ТС пенообразователь АБСК дает более высокую стойкость пены при практически одинаковой ее кратности.
Из литературных источников (Тихомиров,1983, Шароварников, 2005) известно, что свойства пен зависят от: вида использованного раствора, количества вводимого в него пенообразователя, концентрации и температуры раствора.
В нашей работе такие исследования были проведены с использованием антипирена ХМББ-1128.
Из результатов, приведенных в таблице 2 видно, что вость пены при достижении максимальной величи-с увеличением количества пенообразователя крат- ны уменьшается и остается практически на одном ность пены не изменяется. В то же время устойчи- уровне.
Таблица 2 - Зависимость стойкости, мин, и кратности пены от количества пенообразователя АБСК
Вид, массовая доля, температура Количество пенообразователя, %
антипирена 0,085 0,17 0,25 0,35 0,40 0,50 0,60 0,70 0,75 0,85
ХМББ-1128, 15 % t = 20 0С 134 138 166 170 120 96 106 100 103 98
3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2
Примечание: в числителе приведена стойкость, в знаменателе - кратность пены.
Это объясняется следующим (Тихомиров, 1983), с увеличением содержания пенообразователя в растворе происходит мицеллообразование пены. При достижении критической концентрации мицеллоо-бразования (ККМ) наблюдается максимальный объем пены. В области ККМ происходит завершение формирования адсорбционного слоя с максимальной механической прочностью. При дальнейшем увеличении концентрации ПАВ в растворе (выше ККМ) скорость диффузии молекул в поверхностный слой уменьшается, что и вызывает снижение пенообразу-ющей способности.
Таблица 3 - Зависимость стойкости, мин, и кратности пены от массовой доли антипирена в растворе (пенообразователь АБСК)
пены снижается. Очевидно, это следует объяснить тем, что при повышении температуры процесс ми-целлообразования ухудшается.
Таблица 4 - Зависимость стойкости, мин, и кратности пены от температуры антипирена (пенообразователь -АБСК)
на
ен д ре
ии
m s
| о
а
з
^р Количество пенообразователя, %
0,17 0,26 0,34
а
о^ Л £
К Л О
& 0,085
д он
10
Вид антипирена Массовая доля Количество пенообразова-защитного теля, %
средства, % 0,085 0,17 0,25 0,35 60
10 81 87 92 97
3,2 3,2 2,6 2,8 20
ХМББ-1128 15 126 ЗД 136 "3,2" 156 2,8 170 3,2 8 12 - ББ 15 40
20 173 217 223 237 ХМБ
1,4 2,2" 2,0 2,0 60
20 — — — —
40 тт тт — —
Примечание: в числителе приведена стойкость, в знаменателе - кратность пены.
Из данных, приведенных в таблице 3 видно, что с увеличением массовой доли антипирена в растворе стойкость пены существенно увеличивается. Так при одинаковом количестве пенообразователя (0,35 %), при увеличении массовой доли антипирена с 10 % до 15 % стойкость пены увеличилась в 1,7 раза (с 97 до 170 мин), а при массовой доле в 20 % - в 2,4 раза (до 237 мин). Однако, при таком содержании антипи-рена существенно уменьшилась кратность пены.
На основании выполненных экспериментов были определены количество пенообразователя и массовая доля антипирена, которые позволяют получить максимально высокие параметры пены у его раствора.
Были проведены опыты по определению влияния температуры раствора на свойства пены. Эксперимент, результаты которого приведены в таблице 4, показал, что при всех использованных концентрациях антипирена, с повышением температуры стойкость
20
20 —
40 —
81 87 92 97
3,2 3,2 2,6 2,8
65 70 81 90
2,4 2,5 У 3
69 65 60 57
2,8 2,6 2,6 2,6
134 138 166 170
3,2 32 3,2 12
107 111 115 120
2,7 2,8 2,8 2,8
65 67 78 106
2,4 2,0 2,0 2,0
173 217 223 237
1,4 2,2 2,0
142 156 160 203
2,3 2,4 2,6 "2,8
102 166 172 192
2,8 2,8 2,8 2,8
60 — —
Примечание: в числителе приведена стойкость, в знаменателе - кратность пены
На следующем этапе работы были проведены эксперименты по определению необходимой кратности обработки древесины для достижения у неё требуемого уровня защищенности. Эксперимент проводился с использованием огнебиозащитных препаратов ХМББ -1128 и «Сенеж Огнебио Проф».
В соответствие с ГОСТ 200.22.0-93, при использовании препарата ХМББ-1128, для древесины, работающей в условиях III класса условий службы, нор-
мируемое поглощение защитного средства должно составлять от 2 до 3 кг/м3 , для VIII класса условий службы - от 4 до 5 кг/м3. При использовании антипи-рена «Сенеж Огнебио Проф», удержание и (расход) препарата для обеспечения огнезащитных свойств древесины по I группе (трудногорючая древесина) должен составлять не менее 600 г/м2; для обеспечения огнезащитных свойств по II группе (трудново-спламеняемая древесина) - не менее 300 г/м2.
Испытания по определению требуемой кратности обработки древесины проводились на образцах из древесины сосны сечением 20 х 60 мм и длиной 120 мм (последний размер - вдоль волокон). Количество образцов п = 12 штук. Половину образцов использовали для обработки готовым раствором антипирена, вторую половину - вспененным.
После нанесения каждого слоя защитного средства образцы взвешивались. Вычислялся параметр -удержание (и), который определяется по привесу массы поглощенного раствора на 1 м2 площади образца.
Одновременно после обработки и последующего высушивания определяли параметр - глубина пропитки q, мм. С этой целью образец распиливался пополам, обрабатывался индикатором. По контрастной окраске, которую дает индикатор, определялась фактическая глубина пропитки древесины антипиреном.
Результаты по определению необходимой кратности обработки древесины, которая обеспечивает требуемый уровень огнебиозащиты, при использовании готовых и вспененных растворов препаратов ХМББ-1128 и «Сенеж Огнебио Проф» представлены в таблицах 5, 6, 7.
Таблица 5 - Требуемая кратность обработки древесины препаратом ХМББ-1128
Класс условий Нормируе-службы древе- мое погло-сины (по ГОСТ щение, 200.22.0-93) кг/м3 Массовая доля химического защитного средства, % 10 15 20
III от 2 до 3 VIII от 4 до 5 5; 6 9; 10 2; 3 4; 5 2 3; 4
Таблица 6 - Требуемая кратность обработки древесины препаратом Сенеж Огнебио Проф
Группа огнезащитной Нормируемое эффективности пропиточ- удержание, ного состава г/м2 Кратность нанесения препарата
I (трудносгораемая древесина) 300 2
II (трудновоспламеняемая древесина) 600 5
ного средства регулировалась толщиной слоя пены на ее поверхности. В нашем случае она составляла от 20 до 40 мм.
Таблица 7 - Требуемая кратность обработки древесины вспененным защитным средством
& § 5 Е
К о С
5 Я В
и о
8 * и р
^ I Л
Л о
к
о
о
О -!
л К I
д ю и
¡5 о
Кратность нанесения
00 <ч
X
отеК
д 3 п р
ю
§ ~
к с 8 Й $ § я!
О *о
от 2 до 3 от 4 до 5
300 600
Из представленных данных видно, что при использовании готовых растворов препаратов, для достижения требуемого содержания защитного средства в древесине требуется многократная обработка поверхности. В то же время, при использовании вспененных растворов (таблица 7) достаточно одно или двукратной обработки поверхности древесины. Величина поглощения / удержания древесиной защит-
Для того, чтобы установить, влияет ли исследуемый способ обработки на огнестойкость древесины был проведен следующий эксперимент.
В соответствие с ГОСТ 30028.3 -93 была определена потеря массы образцов древесины, пропитанных антипиреном, при сжигании.
Эксперимент проводился следующим образом. Была изготовлена партия образцов сечением 15х15 мм и высотой 6 мм вдоль волокон. Общее количество образцов - 30 штук. Образцы разделили на 3 группы и промаркировали.
Образцы первой группы служили контрольными, т.е. их не использовали для пропитки химическим защитным средством. Остальные образцы пропитывали антипиреном «Сенеж Огнебио Проф». Одну часть -готовым раствором, вторую - вспененным.
Образцы второй группы пропитали готовым раствором антипирена методом вымачивания. Пропитку выполняли до достижения величины удержания не менее 600 г/м2. Образцы третьей группы обрабатывали вспененным раствором. Сначала одну сторону образцов, затем, после просушивания - вторую. При выполнении обработки также контролировали величину удержания антипирена. Варьируя толщиной слоя пены на поверхности образцов достигали величины удержания от 550 до 580 г/м2. После пропитки все образцы укладывали в открытые чашки Петри и выдерживали в течение 14 дней при температуре (20 ± 2) 0С и относительной влажности воздуха (65 ±
2) %, затем высушивали в сушильном шкафу до постоянной массы.
Испытания образцов проводили на лабораторной установке методом огневой трубы, по методике регламентированной ГОСТ 30028.3-93. В соответствие с данным стандартом критерием эффективности огнезащитной обработки служит параметр - потеря массы образцов при сжигании ПМ, %. После проведения испытаний для каждой из 3 групп образцов было вычислено среднее значения параметра ПМ. Результаты опытов представлены на рисунке 1.
По величине потери массы при сжигании, которая составила меньше 25 %, древесину всех образцов, обработанных антипиреном Сенеж Огнебио Проф,
следует отнести к трудновоспламеняемой. У натуральной, т.е. необработанной древесины потеря массы древесины при сжигании составила 35 %.
В то же время, по результатам проведенного эксперимента установлено, что при обработке древесины вспененным огнезащитным препаратом был достигнут практически такой же уровень защищенности древесины (ПМ = 17 %), как при обработке готовым раствором антипирена, для которого потеря массы при сжигании составила 16 %.
Рисунок 1 - Огнестойкость древесины ВЫВОДЫ
Результаты выполненных экспериментов показали перспективность использования способа обработки древесины вспененными растворами огнебиоза-щитных препаратов.
Применение данного способа позволяет достичь высокого уровня защищенности древесины при выполнении одно или двукратной обработки поверхности.
На основании выполненных исследований установлено, что свойства получаемых пен в значительной степени зависят от таких параметров как кислотность (рН) и концентрация раствора огнебиозащитно-го препарата, вид и количество вводимого в раствор пенообразователя. Поэтому, в каждом конкретном случае для получения устойчивой и стабильной пены огнебиозащитного препарата, требуется проведение специальных экспериментов по определению оптимальных значений перечисленных параметров.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ГОСТ 30028.3 - 93. Средства защитные для древесины. Экспресс метод испытания огнезащищающей способности. - Взамен ГОСТ 30028.3 - 86; введ. 04.05.95. - М.: Изд-во стандартов, 1995. - 10 с. Ломакин, А.Д. Защита древесины и древесных материалов /
А.Д. Ломакин. - М.: Лесн. пром-сть, 1990. - 256 с. Рымина, Л.В. Исследование технологии и возможностей химической защиты древесины способом нанесения защитных средств на поверхность. /Л.В. Рымина // Сб.: Защита древесины от биоразрушения и возгорания. Труды Сенежской лаборатории консервирования древесины. - М.: ВНИИДрев,1984.-с. 73-88. Тихомиров, В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983. - 264 с. Шароварников, А.Ф. Пенообразователи и пены для тушения пожаров. Состав, свойства, применение /А.Ф. Шароварников, С.А. Шароварников. - М.: Пожнаука, 2005. - 335 с.
Поступила в редакцию 25.04.16 Принята к печати 29.12.16
