CC BY
15УДК 699.81
ОГНЕЗАЩИТА ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЭПОКСИДНЫМИ ЛАКАМИ
Никитин Алексей Алексеевич, кандидат технических наук, доцент, Горбунова Виктория Владимировна, студент, Губина Екатерина Александровна, студент; Мытищинский филиал Московского государственного технического университета
им. Н.Э. Баумана, Мытищи, РФ
Определена возможность использования составов на основе эпоксидной смолы ЭД-20, содержащих полифосфат аммония в качестве огнестойких лаковых покрытий по древесине. Проведена оценка динамики отверждения композиций на основе эпоксидной смолы. Выбраны оптимальные по составу композиции. Для сформированных с использованием комбинированных составов покрытий проведена оценка защитных свойств. Установлена возможность получения огнестойких покрытий по показателю воспламеняемости образцов с защитным покрытием на основе модифицированной эпоксидной смолы ЭД-20. Ключевые слова: огнезащита древесины; эпоксидные смолы; антипирены.
FIRE PROTECTION OF WOOD MATERIALS WITH EPOXY VARNISHES
Nikitin Aleksej Alekseevich, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor, Gorbunova Viktoriya Vladimirovna, student, Gubina Ekaterina Aleksandrovna, student, BMSTU, Mytishchi, Russia
The possibility of using compositions BASED on ed-20 epoxy resin containing ammonium polyphosphate as fire-resistant lacquer coatings on wood was determined. The dynamics of curing of epoxy resin-based compositions was evaluated. The optimal composition of the composition was chosen. Protective properties were evaluated for coatings formed with the use of combined compositions. The possibility of obtaining fire-resistant coatings in terms ofFlammability of samples with a protective coating based on modified epoxy resin ED-20 was established. Keywords: fire protection of wood; epoxy resins; flame retardants.
Для цитирования: Никитин А.А., Горбунова В.В., Губина Е.А. Огнезащита древесных материалов эпоксидными лаками // Наука без границ. 2019. № 9(37). С. 15-20.
В России огнезащита деревянных строений широко начала применяться в двадцатых годах прошлого столетия. Тогда научными разработками в этой области занялся институт ЦНИИПО. В результате проведенных работ удалось создать огнезащитные составы на основе следующих компонентов: глины и извести; суперфосфатов; сульфитно-спиртовой барды и др.
Существенное развитие технология огнезащиты древесины получила в послево-
енные годы. В эти годы удалось обосновать действия антипиренов разных типов. А в 1949 году Министерством строительства была принята инструкция, предписывающая проведение мероприятий по огнезащите древесины. Для этих целей применялась глубокая пропитка древесины антипиренами, нанесение специальной штукатурки или обработка лакокрасочными защитными покрытиями [1].
Огнезащита древесины и изделий из
нее посредством нанесения на поверхность лаков является более современным и совершенным способом, чем пропитка антипиренами. В отличие от пропиточных растворов данный вид огнезащиты позволяет получить декоративную поверхность при более высокой огнезащитной эффективности обработки [2].
Эпоксидные смолы синтезированы давно, но при этом остаются одним из востребованных видов синтетических смол, что обусловлено их свойствами. Наличие реак-ционноспособных эпоксидных и гидрок-сильных групп позволяет осуществлять их модификацию для получения смол нового поколения. Модифицированные эпоксидные смолы могут быть использованы в производстве материалов различного назначения. Одним из перспективных направлений их использования является создание огнезащитных лаковых систем для древесины и древесных материалов.
Обладая целым комплексом положительных свойств, эпоксидные смолы имеют значительный недостаток - высокую горючесть.
Действенным методом уменьшения горючести этих смол является введение в их состав антипиренов, оказывающих влияние на процессы структурирования полимера при воздействии на него повышенных температур.
Эпоксидные олигомеры, отвержденные аминами, при воздействии высоких температур склонны к дегидратации вследствие отрыва атома водорода от ароматического и алифатического звеньев цепи с последующей конденсацией углеродных остатков и образованием квазиграфитовой структуры. Поэтому применение соединений, усиливающих их дегидратацию при пиролизе, способствует коксообразованию, снижая газообразные выбросы. К таким соединениям относятся фосфорсодержащие замедлители горения, например, полифосфат аммония, который может быть
использован в качестве антипирена в составе композиции на основе эпоксидной смолы.
Цель работы - разработка огнезащитных лаковых составов на основе эпоксидной смолы, обеспечивающих получение изделий из древесины и древесных материалов с пониженной горючестью.
Разрабатывали составы на основе эпоксидной диановой смолы марки ЭД-20, в качестве модификатора использовали полифосфат аммония. Выбор полифосфата аммония в качестве модификатора обусловлен наличием в его составе фосфора и азота, которые структурируют эпоксидный полимер при воздействии на него повышенных температур и обеспечивают увеличение выхода карбонизованных структур.
В качестве отвердителя эпоксидного олигомера применяли отвердитель амин-ного типа - полиэтиленполиамин (ПЭПА), способный обеспечить отверждение эпоксидной смолы при нормальной температуре (20 - 25 °С).
На первом этапе исследования были получены композиции с разным содержанием антипирена и проведена оценка процесса их отверждения с использованием в качестве катализатора отверждения по-лиэтиленполиамина в количестве 15 м.ч. Отверждение проводили при температуре 22 ± 2 °С. Контроль отверждения проводился по потере текучести отверждаемого материала. При отверждении всех составленных композиций наблюдался саморазогрев отверждаемых композиций.
Изучение процесса отверждения показало, что для исходной смолы ЭД-20 формирование разветвленных макромолекул при отверждении протекает в течение 50 мин. Введение в олигомер антипирена (полифосфат аммония) не оказывает влияния на скорость процесса отверждения композиции.
Для оценки динамики набора прочно-
сти в процессе отверждения изучаемых композиций проводилась оценка изменения модуля упругости для отверждаемых систем во времени. Определение модуля упругости проводили на отливках, сформированных в металлических бюксах с использованием консистометра Хепплера. Результаты представлены в табл. 1.
Набор прочности для изучаемых композиций происходит с разной скоростью. Ощутимый прирост модуля упругости происходит после 16 суток отверждения. При этом модуль упругости у композиции 5 на 30-е сутки отверждения почти на 1000 МПа выше, чем у контрольного образца, не содержащего полифосфат аммония.
Таблица 1
Динамика набора прочности композиций на основе смолы ЭД-20 в ходе отверждения
(изменение модуля упругости)
Состав композиции, м.ч. Модуль упругости, МПа
Продолжительность отверждения, сутки
2 4 8 16 30
1 2 3 4 5 6
Композиция 1: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. 320 760 1050 1790 2450
Композиция 2: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 5 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. 310 720 - 1810 2370
Композиция 3: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 10 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. - 810 987 1920 2690
Композиция 4: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 15 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. - 740 1230 1990 2710
Композиция 5: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 20 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. 370 840 1850 2170 3340
Параллельно с получением образцов для оценки реологических характеристик (модуля упругости) с использованием составов на основе эпоксидной смолы ЭД-20 были изготовлены образцы для оценки защитных свойств покрытий.
В качестве плиты-основы при формировании лакокрасочных покрытий были использованы твердые древесноволокнистые плиты толщиной 8 мм. Нанесение
покрытий проводили с использованием аппликатора, что позволило получить покрытия разной толщины.
В ходе выдержки сформированных покрытий контролировали степень отверждения по ГОСТ 190071. Результаты представлены в табл. 2.
Покрытия, полученные с использованием композиций, в составе которых присутствует полифосфат аммония, быстрее
1 ГОСТ 19007-73. Материалы лакокрасочные. Метод определения времени и степени высыхания.
набирают твердость.
На следующем этапе работы проводилась оценка защитных свойств полученных покрытий. Испытание покрытий проводили после выдержки в течение 30 суток. Была проведена сравнительная оценка лакокрасочных покрытий по сле-
дующим показателям: теплостойкость; стойкость к истиранию; гидротермостойкость; устойчивость к пятнообразова-нию; адгезия 234. Результаты представлены в табл. 3.
Все полученные покрытия имеют высокие защитные свойства.
Таблица 2
Результаты оценки изменения условной степени отверждения покрытий на основе смолы ЭД-20 в ходе отверждения (толщина покрытий 100 ± 10 мкм)
Состав композиции, использованный при получении покрытий, м.ч. Степень отверждения покрытия, балл
Продолжительность отверждения покрытия, сутки
1 5 10
1 2 3 4
Композиция 1: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. 3 балл (при нагрузке 200 г бумага не прилипает к покрытию) 4 балл (при нагрузке 2 кг бумага не прилипает к покрытию, на поверхности покрытия образуется след от нагрузки) 4 балл (при нагрузке 2 кг бумага не прилипает к покрытию, на поверхности покрытия образуется след от нагрузки)
Композиция 3: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 10 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. 3 балл (при нагрузке 200 г бумага не прилипает к покрытию) 4 балл (при нагрузке 2 кг бумага не прилипает к покрытию, на поверхности покрытия образуется след от нагрузки) 5 балл (при нагрузке 2 кг бумага не прилипает к покрытию, на поверхности покрытия нет следа от нагрузки)
Композиция 5: Смола ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 20 м.ч.; ПЭПА - 15 м.ч. 3 балл (при нагрузке 200 г бумага не прилипает к покрытию) 5 балл (при нагрузке 2 кг бумага не прилипает к покрытию, на поверхности покрытия нет следа от нагрузки) 5 балл (при нагрузке 2 кг бумага не прилипает к покрытию, на поверхности покрытия нет следа от нагрузки)
На последнем этапе работы провели оценку влияния на показатели воспламеняемости образцов содержания в композиции лакокрасочного покрытия полифосфата аммония. Проводилась оценка с использованием таких показа-
телей горючести материалов, как время самостоятельного горения и потеря массы образца. На образцы с покрытием воздействовали пламенем газовой горелки. Результаты представлены в табл. 4.
1 ГОСТ 32299-2013. Материалы лакокрасочные. Определение адгезии методом отрыва.
2 ГОСТ 27627-88. Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения стойкости защитно-декоративных покрытий к пятнообразованию.
3 ГОСТ 27820-88. Детали и изделия из древесины и древесных материалов. Метод определения стойкости защитно-декоративных покрытий к истиранию.
Таблица 3
Результаты оценки защитных свойств лакокрасочных покрытий
Наименование показателя Свойства лакокрасочных покрытий
Композиция 1: ЭД-20 - 100 м.ч. Композиция 3: ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 10 м.ч.; Композиция 5: ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 20 м.ч.;
1 2 3 4
1. Адгезия лекокрасоч-ного покрытия (методом отрыва покрытия), МПа Среднее значение: 1,91 (отрыв по наружному слою плиты-основы) Среднее значение: 1,85 (отрыв по наружному слою плиты-основы) Среднее значение: 1,78 (отрыв по наружному слою плиты-основы)
2. Гидротермостойкость покрытия (1 час воздействия водяного пара) Незначительная потеря блеска Незначительная потеря блеска Незначительная потеря блеска
3. Термостойкость покрытия: - сухое тепло(160 °С) - влажное тепло (100°С) Без изменений Без изменений Без изменений Без изменений Без изменений Без изменений
4. Стойкость покрытия к истиранию (при массе груза на каждый фрикционный ролик (500 ± 10) г, число оборотов - 50), граммы на 50 оборотов Коэффициент стойкости покрытия: 0,116 Коэффициент стойкости покрытия: 0,118 Коэффициент стойкости покрытия: 0,109
5. Устойчивость покрытия к пятнообразо-ванию, час (мин) Реагент: - вода дистиллированная - спирт этиловый 96 % - уксусная кислота 10% - ацетон 24 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 1 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 1 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 10 мин, изменений внешнего вида покрытия нет 24 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 1 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 1 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 10 мин, изменений внешнего вида покрытия нет 24 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 1 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 1 ч, изменений внешнего вида покрытия нет 10 мин, изменений внешнего вида покрытия нет
Таблица 4
Результаты оценки устойчивости лакокрасочных покрытий к воспламеняемости
Значение показателей горючести
Наименование показателя горючести Композиция 1: ЭД-20 - 100 м.ч. Композиция 3: ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 10 м.ч.; Композиция 5: ЭД-20 - 100 м.ч.; Полифосфат аммония - 20 м.ч.;
1 2 3 4
1. Время самостоятельного горения, с 194 0 0
2. Потери массы, % 69 4,2 1,9
Полученные результаты позволяют сделать заключение о том, что покрытия, содержащие полифосфат аммония, не
поддерживают горение на воздухе, а по показателю потери массы их можно отнести к трудносгораемым материалам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Огнезащита деревянных строений: вчера сегодня завтра [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://goodhim.com/ognezashchita-derevyannyh-stroenij.html (Дата обращения: 25.05.2019 г).
2. Способы и средства огнезащиты: Руководство. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ВНИИПО, 1999. - 50 с.
REFERENCES
1. Ognezashchita derevyannyh stroenij: vchera segodnya zavtra [Fire protection of wooden buildings: yesterday today tomorrow]. Available at: https://goodhim.com/ognezashchita-derevyannyh-stroenij.html (accessed 25 May 2019.
2. Sposoby i sredstva ognezashchity: Rukovodstvo [Methods and means of fire protection: Manual]. 3rd ed., pererab. i dop. Moscow, VNIIPO, 1999, 50 p.
Материал поступил в редакцию 17.09.2019 © Никитин А.А., Горбунова В.В., Губина Е.А., 2019
