ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДНОГО ИНДЕКСА ПРИ ОЦЕНКЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 614.841.41

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИСЛОРОДНОГО ИНДЕКСА ПРИ ОЦЕНКЕ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ

В. Г. СПИРИДОНОВА, Н. М. ПАНЕВ, О. Г. ЦИРКИНА, С. Н. УЛЬЕВА, Л. В. ШАРНИНА

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Целлюлоза представляет собой полимер природного происхождения, который составляет основу древесины и растительных волокон, в частности, хлопка и льна. Древесина широко применяется в строительстве, хлопок и лен - в производстве текстильных материалов различного назначения. Целлюлозосодержащие материалы обладают рядом ценных свойств. Они экологичны, доступны, нетоксичны, а сами ресурсы - возобновляемы.

С точки зрения обеспечения пожарной безопасности и древесина, и текстильные материалы из хлопковых и льняных волокон являются горючими. С целью снижения пожарной опасности древесины и целлюлозосодержащих тканей применяются различные огнезащитные составы, эффективность которых подтверждается испытаниями. Такие испытания могут быть проведены как для выбора наиболее подходящего антипирена, так и для оценки пожароопасных свойств материалов с нанесенными на них огнезащитными составами. Перечень методов испытаний для древесины и текстильных материалов из натуральных волокон может быть расширен за счет применения метода экспериментального определения кислородного индекса, результаты которого для древесины и хлопко-льняной ткани представлены в данной статье.

Ключевые слова: целлюлозосодержащие материалы, текстильные материалы, древесина, кислородный индекс, пожароопасные свойства.

APPLICATION OF TNE METHOD FOR DETERMINING THE OXYGEN INDEX IN ASSESSING THE FIRE HAZARD OF CELLULOSE-CONTAINING MATERIALS

V. G. SPIRIDONOVA, N. M. PANEV, O. G. TSIRKINA, S. N. ULIEVA, L. V. SHARNINA

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education

«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Cellulose is a polymer of natural origin, which forms the basis of wood and plant fibers, in particular, cotton and flax. Wood is widely used in construction, cotton and linen - in the production of textile materials for various purposes. Cellulose-containing materials have a number of valuable properties. They are eco-friendly, affordable, non-toxic, and the resources themselves are renewable.

From the point of view of fire safety, both wood and textile materials made from cotton and linen fibers are combustible. In order to reduce the fire hazard of wood and cellulose-containing fabrics, various flame retardants are used, the effectiveness of which is confirmed by tests. Such tests can be carried out both to select the most suitable flame retardant and to assess the fire hazardous properties of materials with flame retardants applied to them. The list of test methods for wood and textile materials made of natural fibers can be expanded by applying the method of experimental determination of the oxygen index, the results of which for wood and cotton-linen fabric are presented in this article.

Key words: cellulose-containing materials, textile materials, wood, oxygen index, fire hazard properties.

© Спиридонова В. Г., Панев Н. М., Циркина О. Г., Ульева С. Н., Шарнина Л. В. 2022

93

Современное строительство и работы по отделке, в том числе и декоративной, зданий и сооружений зачастую предполагает применение древесины и других строительных и отделочных материалов, основой которых с точки зрения химического состава является целлюлоза. Оценка пожарной опасности строительных материалов и изделий является актуальной задачей, возложенной в том числе на специалистов Федеральной противопожарной службы. Вместе с тем, применяемые показатели пожароопасных свойств целлюлозосо-держащих материалов не всегда позволяют провести сравнительную оценку образцов, например, двух необработанных образцов; необработанного образца и образца с тем или иным видом обработки; двух обработанных различными химическими составами образцов. Закрепленные в нормативных правовых актах классификационные показатели пожарной опасности строительных и текстильных материалов определяются на основании нескольких величин, измеряемых, в том числе, вручную с применением приборов измерения, что осложняет и замедляет процесс проведения испытаний. Так для отнесения ткани к одной из категории по воспламеняемости требуется определение следующих показателей: времени пламенного горения образца; прогорания до кромки; загорания хлопчатобумажной ваты; распространения поверхностной вспышки от точки зажигания; средней длины обугливающегося участка1. Следовательно, для сокращения времени проведения испытаний необходим численный показатель, позволяющий сразу сделать вывод о пожароопасных свойствах материала.

Одним из показателей пожарной опасности материала является кислородный индекс (далее - КИ) - комплексный показатель, определяющий минимальную концентрацию кислорода в струе смеси с азотом, при которой будет поддерживаться пламенное горение образца [1]. В справочной литературе отражены величины кислородного индекса для многих материалов, в числе которых находятся и цел-люлозосодержащие. В нормативных документах кислородный индекс фигурирует как показатель пожарной опасности пластмасс2. Од-

нако, применение метода экспериментального определения кислородного индекса может быть направлено не только на решение вопросов нормирования, но и для выполнения научных задач. Величина кислородного индекса является численным показателем пожарной опасности, вследствие чего может использоваться в целях сравнения пожароопасных свойств материалов, что актуально при подборе огнезащитного состава и оценке эффективности его действия.

Цель данной работы заключалась в наглядной демонстрации возможности применения показателей кислородного индекса для сравнительной оценки пожарной опасности целлюлозосодержащих материалов - древесины и тканей из природных целлюлозных волокон (хлопка и льна).

В рамках метода определения величины кислородного индекса регистрировалась концентрация кислорода, при которой зажигаемый сверху вертикально расположенный образец поддерживает самостоятельное горение после удаления источника зажигания. Методика проведения испытаний представлена в ГОСТ 12.1.044-893. Внешний вид и схема установки для определения кислородного индекса представлена на рис. 1. Измерение концентрации кислорода и азота в ходе проведения испытаний осуществляется при помощи ротаметров - приборов для определения показаний расхода потока жидкости, газа или пара. Ротаметры с классом точности 1 и максимальным расходом до 15 л/мин устанавливаются на

2

линиях подачи кислорода и азота .

В качестве испытываемого целлюлозо-содержащего текстильного материала был выбран брезент с поверхностной плотностью 380 г/м2, состоящий из хлопковых и льняных волокон (55 % хлопка + 45 % льна). Для проведения испытаний было подготовлено 15 образцов размерами 17*5 см, на каждый из которых нанесены метки на расстоянии 20 и 100 мм от верхнего края. Для фиксации гибких образцов текстильных материалов применялась металлическая рамка (рис. 2).

1 Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон от 22.07.2008 № 123-Ф3; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 // Собр. законодательства РФ. 2008. № 30 (ч. I), ст. 3579.

2 ГОСТ 21793-76 Пластмассы. Метод опреде-

ления кислородного индекса (утв. и введен в действие Постановлением Государственного

комитета стандартов Совета Министров СССР от 05.05.1976 № 1055).

3 ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М.: Стандар-тинформ, 2006. 99 с.

Рис. 1. Установка для определения кислородного индекса: внешний вид и принципиальная схема, где 1 - прозрачная кварцевая труба; 2 - держатель для жестких образцов; 3 - проволочная сетка; 4 - стеклянные шарики; 5 - средства измерения (ротаметры); 6, 7 - вентили запорные игольчатые; 8 - горелка с наконечником для подачи пламени; 9 - рамка для фиксации гибких образцов

Рис. 2. Закрепленный в держателе образец текстильного материала «брезент»

Зажигание образцов проводилось по варианту Б (для образцов типа 5 - гибкие листы и пленки). Длительность огневого воздействия составляла 30 секунд с короткими перерывами каждые 5 секунд или до достижения горением первой метки. В качестве начальной концентрации кислорода было выбрано значение 18 %, так как справочная величина кислородного индекса для хлопка составляет 18,4 % [1].

Для расчета КИ были определены концентрации, при которых образец не поддерживает горение (0) - 22 % и самостоятельно горит после зажигания 180 секунд или длина сгоревшей части образца 100 мм (Х) - 23 %. Изменение концентрации кислорода d принимается равным 0,2 %. Испытания проводятся от начальной концентрации (22 %) при поддержании d=0,2 % до первого отличного результата (Х). Данный этап повторяется дважды. Результаты представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты испытаний образцов брезента при изменении концентрации кислорода с шагом в 0,2%

Концентрация кислорода, % 22 22,2 22,4 22,6

Результат испытаний (0 - не поддерживает горение; Х - поддерживает горение) 1 этап 0 0 0 Х

2 этап 0 0 0 Х

КИ вычисляется по формуле:

КИ = Ск + КЛ, (1)

где Ск - конечное значение концентрации кислорода, первый отличный результат (Х), %;

К - коэффициент, определяемый в соответствии с ГОСТ 12.1.044-89. Для указанных результатов испытаний величина коэффициента К составляет (-1,25).

КИ = 22,6 -I- (-1,25] х 0,2 = 22,35 « 22,3%

(КИ округляют до десятичного знака в сторону уменьшения).

а

Тогда:

^ 0,24495 < 0,2 < | 0,24495

0,1633 < 0',2 < 0,3674

Неравенство является верным, следовательно, величина кислородного индекса для ткани «брезент» (состав - 45 % льна и 55 % хлопка) с поверхностной плотностью 380 г/м2 составляет 22,3 % об. Для образцов брезента, пропитанного раствором антипирена «Нор-текс», КИ=31,6 %. Таким образом, значение КИ позволяет определить эффективность действия огнезащитного состава, нанесенного на ткань.

Также в ходе работы определялись величины кислородного индекса для сосновой древесины. Для проведения испытаний были подготовлены образцы размерами 70*8*3 мм, на каждый из которых нанесены метки на расстоянии 50 мм от края образца, вступающего в контакт с источником зажигания. Зажигание образцов проводилось по варианту А (для образцов типа 4). Длительность огневого воздей-

Принимаем полученную (1) величину

кислородного индекса, если выполняется условие:

^ а < (1 < | ст , (2)

где а - оценка стандартного отклонения концентрации кислорода;

где ^ - последовательные значения концентраций кислорода, полученные в последних п=6 испытаниях (2 последних испытания 1 этапа и 4 испытания 2 этапа);

ствия составляла 30 секунд с короткими перерывами каждые 5 секунд или до достижения метки фронтом пламени.

В качестве начальной концентрации кислорода было выбрано значение 18 %, так как при поджоге на воздухе в лабораторных условиях образец горел быстро (п. 4.14.3.54).

Для расчета были определены концентрации кислорода в смеси 18 % (результат обозначается как 0), при которой образец не поддерживает горение, и 19 % (результат обозначается как Х), при которой длина сгоревшей части образца достигает 50 мм. Шаг изменения концентрации кислорода при последующих испытаниях принимается равным d=0,2 %. Испытания проводятся от начальной концентрации (18 %) при поддержании d=0,2 % до первого отличного результата (Х). Данный этап повторяется дважды. Результаты представлены в табл. 2.1

4 ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывобезопасность

веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М.: Стандар-тинформ, 2006. 99 с.

Таблица 2. Результаты испытаний образцов сосновой древесины при изменении концентрации кислорода с шагом в 0,2 %

Концентрация кислорода, % 18 18,2 18,4 18,6

Результат испытаний (0 - не поддерживает горение; Х - поддерживает горение) 1 этап 0 0 0 Х

2 этап 0 0 0 Х

Величина КИ, вычисленная по формуле (1), составила:

КИ = 13,6+ (-0,04) х 0,2 = 13,592 ж 13,5%.

Проверка выполнения условия (2) с оценкой стандартного отклонения концентрации кислорода по формуле (3) дала следующий результат:

^0,29 < 0,2 < |о,29

0,19 < 0,2 < 0,435

Неравенство является верным, следовательно, величина кислородного индекса для образца сосновой древесины составляет 18,5 %.

По аналогичному алгоритму были оценены значения КИ для образцов древесины, пропитанных 20%-ным водным раствором би-шофита5, а также образцов, пропитанных огнебиозащитным составом «СЕНЕЖ ОГНЕ-БИО ПРОФ».

Основные результаты, полученные в ходе работы в соответствии с ГОСТ , оценивались аналогично приведенной выше методике, в результате чего на основе экспериментальных и расчетных данных были получены итоговые значения КИ образцов древесины сосны: для образцов древесины, пропитанных водным раствором бишофита - КИ=43,4 % об., для образцов, пропитанных огнебиозащитным составом «СЕНЕЖ ОГНЕБИО ПРОФ» - КИ=36,5 % об. Полученные значения КИ свидетельствуют о том, что древесина, обработанная водным раствором бишофита, способна к воспламенению и распространению пламени по поверхности при процентном содержании кислорода в газовой смеси, превышающем процентное содержание кислорода в воздухе, что позволяет

5

ГОСТ 7759-73 Магний хлористый технический (бишофит). Технические условия (с изменениями № 1, 2, 3). М.: ИПК Издательство стандартов, 1991. 18 с.

рекомендовать данный антипирен для обработки различных материалов из древесины.

В нормативных источниках отсутствует классификация материалов по пожарной опасности на основании величины кислородного индекса. В информационных источниках содержатся классификационные параметры, которые могут быть применены и для целлюло-зосодержащих материалов: «полимеры, имеющие КИ менее 27 %, относятся к легкогорючим; материалы с КИ = 20-27 % горят в воздухе медленно; если кислородный индекс меньше 20 %, материалы в воздухе горят быстро. Полимеры считаются трудногорючими материалами и являются самозатухающими при выносе их из огня, если кислородный индекс превышает 27 %»7. Основываясь на представленных данных, можно предложить следующую классификацию для целлюлозосодержа-щих текстильных материалов: образца с величиной кислородного индекса меньше 27 % относятся к горючим; с величиной КИ больше 27 % - к трудногорючим.

Несмотря на то, что величина КИ не дает возможности классифицировать испытываемый материал по пожарной опасности согласно нормативным правовым актам8 ввиду

6 ГОСТ 12.1.044-89. Система стандартов безопасности труда. Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М.: Стандар-тинформ, 2006. 99 с.

7 Кислородный индекс - Карта знаний [Электронный ресурс]. https://kartaslov.ru/карта-знаний/ Кислородный +индекс (дата обращения 28.01.2022).

отсутствия классификационных параметров, КИ является важным показателем пожарной опасности различных материалов, в том числе и целлюлозосодержащих. Величина КИ для большинства необработанных целлюлозосо-держащих материалов близка к концентрации кислорода в воздухе, что свидетельствует о высокой пожарной опасности материала. Зная КИ материала без огнезащитной обработки, можно оценить эффективность сопротивления

Список литературы

1. Орленко Л. В. Терминологический словарь одежды. М.: Легпромбытиздат, 1996. 344 с.

материала с нанесенным антипиреном воздействию пламени.

Таким образом, в ходе работы наглядно продемонстрирована возможность применения метода определения КИ для сравнительной оценки пожарной опасности целлюло-зосодержащих материалов различного назначения, в том числе прошедших огнезащитную обработку.

References

1. Orlenko L. V. Terminologicheskij slovar' odezhdy [Terminological dictionary of clothes]. M.: Legprombytizdat, 1996. 344 p.

Спиридонова Вероника Гербертовна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

адъюнкт очной формы обучения

E-mail: [email protected]

Spiridonova Veronika Gerbertovna

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of

State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination

of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

postgraduate student

E-mail: [email protected]

Панев Никита Михайлович

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат технических наук

E-mail: [email protected]

Panev Nikita Mikhailovich

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]

Циркина Ольга Германовна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

доктор технических наук, профессор, доцент

E-mail: [email protected]

Tsirkina Ol'ga Germanovna

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo

doctor of technical sciences, professor, associate professor

8 Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федер. закон от 22.07.2008 № 123-ФЗ; принят Гос. Думой 04.07.2008 г.; одобр. Сов. Федерации 11.07.2008 // Собр. законодательства РФ. 2008. № 30 (ч. I), ст. 3579.

E-mail: [email protected] Ульева Светлана Николаевна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат химических наук, доцент

E-mail: [email protected]

Ulieva Svetlana Nikolaevna

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of

State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination

of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

candidate of chemical sciences, associate professor

E-mail: [email protected]

Шарнина Любовь Викторовна

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

профессор, доктор технических наук, профессор

E-mail: [email protected]

Sharnina Liubov Victorovna

Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of

State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination

of Consequences of Natural Disasters»,

Russian Federation, Ivanovo

professor, doctor of technical sciences , Professor

E-mail: [email protected]