CC BY
42
ФИЗИКО-ХИМИЧСЕКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ
УДК 614.841.411
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛИКАТА НАТРИЯ НА ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ГРАВИМЕТРИИ
А.В. Петров, А.Л. Никифоров, Н.М. Панев, С.Н. Ульева, И.Ю. Шарабанова, О.Г. Циркина
В данной статье приведены результаты термогравиметрического исследования древесины, обработанной водным раствором силиката натрия с различной концентрацией, в диапазоне температур 70-1000 С. Установлено, что силикат натрия, представленный в продаже на территории Российской Федерации в виде жидкого стекла, значительно снижает деструктивное влияние высоких температур на древесные материалы и их производные. Выявлено, что концентрация силиката натрия в водном растворе 10 % (100 г/л) является оптимальной с точки зрения антипирирующего эффекта. Показана принципиальная возможность использования термогравиметрии при оценке эффективности огнезащитных пропиток для древесины.
Ключевые слова: древесина, термогравиметрия, огнезащита, деревянная строительная конструкция, огнезащитная обработка, антипирен, неорганические соли, силикат натрия.
Древесина служит человеку несколько миллионов лет. Широкое применение данного материала в строительстве и других отраслях народного хозяйства объясняется сочетанием в нем ценных свойств: прочность и легкость, хорошие теплоизоляционные свойства. Она легко обрабатывается режущими инструментами, склеивается, удерживает металлические и другие крепления. [1]
Высокая горючесть - одна из главных проблем, с которыми потребитель сталкивается при работе с древесными материалами. Анализ пожаров в зданиях с применением конструкций из древесных материалов свидетельствует о том, что пожарная опасность таких объектов обусловлена значительным тепловыделением при термической деструкции компонентов древесины и быстрым наступлением критических значений опасных факторов пожара (ОФП). В связи с этим проблема создания современных эффективных средств огнезащиты древесины до сих пор сохраняет свою актуальность [2,5].
В настоящее время существует множество огнезащитных составов, позволяющих снизить пожарную опасность зданий из деревянных конструкций и увеличить степень их огнестойкости. [3,4,5] Одним из компонентов таких
составов является силикат натрия - неорганическая соль, представленная в продаже на территории Российской Федерации в виде жидкого стекла. [6]
Целью данной работы является исследование влияния силиката натрия на поведение древесины в условиях повышенных температур и определение оптимальной концентрации данного соединения в огнезащитных составах.
Термические испытания проводились на термическом анализаторе SETSYS Evolution, в режиме дифференциальной сканирующей калориметрии. Использовался трехтермопарный датчик Pt/PtRh6%/PtRh30% c диапазоном измерений до 1600 °С. Весы имеют диапазон измерений +/- 200 мг, с разрешением 0,023 мкг. В ходе проведения испытаний использовались тигли из оксида алюминия.
До и после испытаний проводилось контрольное взвешивание навески исследуемого вещества на аналитических весах AND GR-200.
Для приготовления образцов
использовались :
1. Древесина сосновая (образцы 70*8*3 мм, заранее маркированные);
2. Вещества для приготовления пропиточного раствора:
а) вода;
б) жидкое стекло натриевое «Текс»
3. Посуда для приготовления раствора;
4. Магнитная мешалка с мешальником;
5. Электронные весы (точность 0,01 г);
6. Секундомер;
7. Пинцет (зажим).
Концентрация жидкого стекла в приготавливаемом растворе:
1. 10 г/л (1%);
2. 30 г/л (3%);
3. 50 г/л (5%);
4. 100 г/л (10%);
5. 150 г/л (15%);
6. 200 г/л (20%);
Подготовка образцов к испытаниям осуществлялась в следующей последовательности:
1. Образец закрепляется в пинцет (зажим) и опускается раствор;
2. Включается секундомер;
3. Отсчитывается время пропитки (в нашем случае 60 сек);
4. Образец извлекается и сушится при комнатной температуре в течение 24 часов.
5. После сушки образцы можно подвергать необходимым испытаниям.
Получение термогравиметрических кривых производилось в следующей последовательности:
1. Нагрев от 20 до 70 °С при скорости нагрева 5 °С/мин.
2. Выдерживание образца при температуре 70 °С в течение 30 минут.
3. Нагрев от 70 до 1000 °С при скорости нагрева 5 °С/мин.
Эксперимент проводился в инертной атмосфере (гелий, скорость потока газа через реакционную камеру 50 мл/мин).
Типичный вид полученных
термогравиметрических кривых представлен на рис. 1.
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Sample Temperatur« ( С)
Рис. 1. Кривые термического исследования для образца древесины, обработанной раствором жидкого стекла с концентрацией 150 г/л. Зеленая кривая - TG (мг), фиолетовая - DTG (мг/мин), синяя - тепловой поток (мВ)
При обработке полученных результатов были определены температуры потери 1, 30, 50, 65 и 70% массы образцов древесины (табл. 1, рис.2). Из представленных данных видно, что на начальном этапе потери массы (0-30 %) увеличение концентрации силиката натрия практически не влияет на температуру, при которой достигается
данная потеря массы. Однако температура потери 65 % массы возрастает с 393 С для необработанной древесины до 505,5 С для древесины, обработанной раствором силиката натрия с концентрацией 200 г/л. Для 70 % потери массы диапазон температур составляет 471 - 986,6 С.
Таблица 1
Температуры потери 1, 30, 50, 65 и70% массы образца
Образец Температура (°С) потери массы образца
1% 30% 50% 65% 70%
Древесина 237.0301 337.2809 358.1665 392.9505 471.0199
Древесина + 10 г/л жидкого стекла 242.766 333.5988 356.3606 430.0447 508.5462
Древесина + 30 г/л жидкого стекла 237.2321 329.697 356.1072 436.9252 526.3283
Древесина + 50 г/л жидкого стекла 210.3578 318.5856 348.2316 451.9806 637.1512
Древесина + 100 г/л жидкого стекла 212.7428 317.7717 353.9771 469.6136 775.2233
Древесина + 150 г/л жидкого стекла 225.516 335.2066 362.306 488.2514 916.7976
Древесина + 200 г/л жидкого стекла 214.6113 324.5541 359.923 505.5638 986.5882
1200
1000
800
600
400
200
1%
30%
50%
65%
70%
Древесина Древесина Древесина Древесина Древесина Древесина Древесина + 10 г/л + 30 г/л + 50 г/л + 100 г/л + 150 г/л + 200 г/л
0
Рис.2. Зависимость температуры потери 1, 30, 50, 65 и 70% массы образцами древесины в зависимости от
концентрации силиката натрия
В табл. 2 и на рис. 3 представлены данные, термогравиметрии. Приведена температура
полученные из кривых дифференциальной достижения максимальной скорости разложения.
Таблица 2
Температура максимальной скорости разложения
Образец Температура максимальной скорости разложения
Древесина 358.642
Древесина + 10 г/л жидкого стекла 354.977
Древесина + 30 г/л жидкого стекла 354.389
Древесина + 50 г/л жидкого стекла 327.259
Древесина + 100 г/л жидкого стекла 321.091
Древесина + 150 г/л жидкого стекла 321.521
Древесина + 200 г/л жидкого стекла 322.289
DTG, Peak max 1
^ ^ ^ ^ ^ ^ / ^ ** / £
S4J /V А /х X X X
v ✓ ✓ ✓ ^ ^ ^
£ ^ £
-«S9 Jf> Й9 Jp
ф ф
Рис. 3. Зависимость температуры максимальной
Как видно из представленных результатов, происходит уменьшение температуры до концентрации силиката натрия 100 г/л, после чего температура практически не изменяется.
т разложения от концентрации силиката натрия
В табл. 3 и на рис. 4 приведены измерения потери массы на первом (основном) этапе разложения древесины (200-550 С) и полностью за эксперимент.
Таблица 3
Уменьшение массы образцов древесины в зависимости от концентрации силиката натрия
Образец Потеря массы на 1 этапе, % Общая потеря массы, %
Древесина 75.569 80.691
Древесина + 10 г/л жидкого стекла 74.191 80.022
Древесина + 30 г/л жидкого стекла 70.813 77.483
Древесина + 50 г/л жидкого стекла 66.715 73.155
Древесина + 100 г/л жидкого стекла 64.462 69.655
Древесина + 150 г/л жидкого стекла 67.72 74.11
Древесина + 200 г/л жидкого стекла 64.816 70.056
85 80 75 70 65 60
л
^^VVVVV / //VVVV
•Потеря массы на 1 этапе
Общая потеря массы
Рис. 4. Влияние концентрации силиката н
Из рисунка 4 видно, что концентрация силиката натрия оказывает значительное влияние на изменение потери массы образцов древесины до концентрации 100 г/л.
На рисунке 5 приведена зависимость убыли массы образцов древесины в зависимости от
на изменение массы древесины при нагреве
концентрации силиката натрия. Из рисунка также следует, что после увеличения концентрации силиката натрия более 100 г/л не приводит к изменениям в термическом поведении древесины при разложении.
120 100 80 60 40 20 0
Пропитка 0 Пропитка 50 Пропитка 100 Пропитка 200
гч m . _ со i/i оо ю 1Л m
Рис. 5. Убыль массы в % образцов древесины 1-без пропитки, 2-пропитка 50 г/л,
Таким образом, по итогам исследования поведения древесины с пропиткой водным раствором силиката натрия методом термического анализа можно сделать следующие выводы:
1) показана принципиальная
возможность использования термогравиметрии при оценке эффективности огнезащитных пропиток для древесины;
в зависимости от концетрации жидкого стекла. 3-пропитка 100 г/л, 4-пропитка 200 г/л
2) установлено, что увеличение концентрации жидкого стекла в приготавливаемом растворе до 100 г/л для пропитки древесины значительно влияет на термическое поведение образцов древесины при нагреве до 1000 С. Дальнейшее увеличение концентрации силиката натрия в растворе не приводит к улучшению показателей термической устойчивости древесины.
Библиография
1. Асеева Р.М. Горение древесины и ее пожароопасные свойства / Р.М. Асеева, Б.Б. Серков, А.Б. Сивенков. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2010.
- 262 с.
2. Сивенков А.Б. Влияние физико-химических характеристик древесины на ее пожарную опасность и эффективность огнезащиты. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
- 2015, М, 289 с.
3. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: федер. закон [принят Гос. Думой 4 июля 2008 г.: одобр. Советом Федерации 11 июля 2008 г.]
4. ГОСТ Р 53292-2009. Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний. Введ. с 18.02.2009. - Москва: Изд-во стандартов, 2009. - 20 с.
5. Собурь С.В. Огнезащита материалов и конструкций. Учебно-справочное пособие. — 5-е изд., перераб. — М.: ПожКнига, 2014. — 256 с.
6. Александров А.А. Новый подход к разработке антипиренов для древесины / А.А. Александров, Н.М. Панев, А.А. Воронцова, А.Л. Никифоров, С.Н Животягина: Материалы двадцать пятой международной научно-технической конференции «Системы безопасности - 2016». М.: Академия ГПС МЧС России, 2016. - С. 314-317.
References
1. Aseeva R.M. Gorenie drevesiny i ee pozharoopasnye svojstva / R.M. Aseeva, B.B. Serkov, A.B. Sivenkov. - M.: Akademiya GPS MCHS Rossii, 2010. - 262 s.
2. Sivenkov A.B. Vliyanie fiziko-himicheskih harakteristik drevesiny na ee pozharnuyu opasnost' i ehffektivnost' ognezashchity. Dissertaciya na soiskanie uchenoj stepeni doktora tekhnicheskih nauk. - 2015, M, 289 s.
3. Tekhnicheskij reglament o trebovaniyah pozharnoj bezopasnosti: feder. zakon [prinyat Gos. Dumoj 4 iyulya 2008 g.: odobr. Sovetom Federacii 11 iyulya 2008 g.]
4. GOST R 53292-2009. Ognezashchitnye sostavy i veshchestva dlya drevesiny i materialov na ee osnove. Obshchie trebovaniya. Metody ispytanij. Vved. s 18.02.2009. - Moskva: Izd-vo standartov, 2009. - 20 s.
5. Sobur' S. V. Ognezashchita materialov i konstrukcij. Uchebno-spravochnoe posobie. — 5-e izd., pererab. — M.: PozhKniga, 2014. — 256 s.
6. Aleksandrov A.A. Novyj podhod k razrabotke antipirenov dlya drevesiny / A.A. Aleksandrov, N.M. Panev, A.A. Voroncova, A.L. Nikiforov, S.N ZHivotyagina: Materialy dvadcat' pyatoj mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Sistemy bezopasnosti - 2016». M.: Akademiya GPS MCHS Rossii, 2016. - S. 314-317.
THERMOGRAVIMETRICAL STUDYING THE INFLUENCE OF SODIUM SILICATE ON THERMAL PYROLISIS OF WOOD
This article presents the results of thermogravimetric study of wood treated with an aqueous solution of sodium silicate with different concentrations in the temperature range of 70-1000 °C. It is found that sodium silicate, presented on sale in the territory of the Russian Federation in the form of liquid glass, significantly affects the destructive effect of high temperatures on wood materials and their derivatives. It is revealed that the concentration of sodium silicate in an aqueous solution of 10 % (100 g/l) is optimal from the point of view fire retardant effect. We show the possibility of usage of thermogravimetry in the evaluation of the effectiveness of the flame retardant impregnations for wood.
Keywords: wood, thermogravimetry, fire protection, wooden building structures, fire-retardant impregnation, fire-retardant, inorganic salts, sodium silicate.
Петров Андрей Вячеславович,
кандидат химических наук, доцент,
начальник научно-исследовательского отделения УНК «Государственный надзор»
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново,
avp 75@inbox. ru, 8-963-216-46- 72,
Petrov A. V.,
candidate of chemical sciences, associate professor,
Head of the Research Department of the UNOC "State Supervision "
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia,
Russia, Ivanovo.
Никифоров Александр Леонидович,
доктор технических наук, старший научный сотрудник,
профессор кафедры пожарной безопасности объектов защиты (в составе УНК
«Государственный надзор»),
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Россия, г. Иваново, anikiforoff@list. ru, 8-920-345-08-10, Nikiforov A.L.,
doctor of technical sciences, senior researcher
Professor of the Department of Fire Safety of Protection Facilities (as part of the "State Supervision ")
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
Панев Никита Михайлович,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 8-961-243-16-3 7, rockmetalguy@mail. ru, Россия, г. Иваново, Panyov N.M.,
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM ofRussia, Russia, Ivanovo.
Ульева Светлана Николаевна,
кандидат химических наук,
доцент кафедры пожарной безопасности объектов защиты (в составе УНК «Государственный надзор»),
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 8-910-668-00-38, jivotyagina@mail.ru; Ulyeva S.N., PhD in Chemistry,
Associate Professor of the Fire Safety Department of Defense Facilities (as part of the "State Supervision "),
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
Шарабанова Ирина Юрьевна,
кандидат медицинских наук, доцент,
заместитель начальника академии по научной работе,
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Россия, г. Иваново,
8-962-157-49-99, sharabanova@bk.ru;
Sharabanova I. Y.,
Candidate of Medical Sciences, Associate Professor Deputy Chief of the Academy for Scientific Work,
Ivanovo fire and rescue academy of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Ivanovo.
Циркина Ольга Германовна,
доктор технических наук, доцент,
профессор кафедры химии, экологии и микробиологии
ФГБОУ ВО Ивановский государственный политехнический университет,
Россия, г. Иваново,
8-980-680-87-27, ogtsirkina@mail.ru,
Tsirkina O. G.,
doctor of technical sciences, associate professor,
Professor of the Department of Chemistry, Ecology and Microbiology
FGBOU VO Ivanovo State Polytechnic University,
Russia, Ivanovo.
© Петров А.В., Никифоров А.Л., Панев Н.М., Ульева С.Н., Шарабанова И.Ю., Циркина О.Г., 2018
