CC BY
171
УДК 677.014.27
Р. Н. Сабирзянова, И. В. Красина
ПРИМЕНЕНИЕ ВСПУЧИВАЮЩЕГО АНТИПИРЕНА ДЛЯ ПРИДАНИЯ МАТЕРИАЛАМ
ОГНЕСТОЙКОСТИ
Ключевые слова: текстильные материалы, огнестойкость, замедлители горения, вспучивающий антипирен, коксовый слой
Рассмотрены методы снижения пожарной опасности материалов, вспучивающими антипиренами. Описан процесс действия антипирена на материалы разной природы.
Key words: textile materials, fire resistance, flame retardants, intumescentfire retardant, coke layer
The methods to reduce the fire hazard of materials, intumescent flame retardants. Describes the process of the action on the other flame retardant materials
Важнейшим элементом системы пожарной безопасности является огнезащита. Она должна обеспечивать повышение огнестойкости материалов (железа, древесины, текстиля и др.) до необходимого уровня, снижение их пожарной опасности, предотвращение развития и распространения пламени. Выполнение этих требований снижает вероятность гибели людей и материальные потери от пожаров. Одним из наиболее эффективных и доступных способов придания огнестойкости материалам различной природы является нанесение на них защитного покрытия.
Главная цель различных способов огнезащиты всех материалов - максимально снизить скорость нагрева защищаемой поверхности, сохранив при этом на определенный период времени их прочностные характеристики. Так например, металлические конструкции, быстро нагреваясь при пожаре, уже при 5000С теряют несущую способность [1].
По сравнению с традиционными способами огнезащиты применение таких покрытий позволяет значительно снизить дополнительную статическую нагрузку. Способ введения антипиренов зависит от типа защищаемого материала. Так, древесину пропитывают раствором антипирена или наносят на ее поверхность краску, содержащую антипирен. В синтетические полимеры антипирены могут быть введены на стадии их получения, при последующей переработке или в готовое изделие. Вспучивающиеся составы удобны в применении, поскольку наносятся, как правило, кистью или набрызгиванием. Антипирены, как правило, встречается в продаже в виде водного раствора или порошка. Также рынок огнезащиты наполнен антисептиками-антипиренами под различными торговыми марками
Интумесцентная технология защиты изделий от горения является сравнительно новой и заключается во вспучивании и превращении в кокс поверхностного слоя материала, подверженного воздействию пламени. Образующийся при этом вспененный коксовый слой предохраняет в течение определенного времени защищаемую поверхность (или нижележащие слои) от воздействия пламени и высоких температур.
Целесообразность использования огнезащитных вспучивающихся покрытий (ОВП) обусловлена прежде всего тем, что они тонкослойны,
при нагревании не выделяют токсичных веществ, обладают высокой огнезащитной эффективностью и могут быть нанесены на защищаемую поверхность различными механизированными методами. В обычных условиях эксплуатации эти покрытия похожи по внешнему виду на традиционные лакокрасочные покрытия и выполняют аналогичные защитно-декоративные функции. При воздействии высокой температуры толщина и объем вспучивающего -ся покрытия увеличиваются в десятки раз за счет образования негорючего и твердого вспененного слоя (кокса) с плотностью 3-10-3 - 3-10-2 г/см3 и коэффициентом теплопередачи, близкому к таковому для воздуха. Слой действует как физический барьер для подвода тепла от пламени к нижележащим слоям покрытия и защищаемой поверхности, уменьшая теплопередачу примерно в 100 раз [2].
ОВП широко применяются для повышения огнестойкости стальных, деревянных, бетонных, кирпичных строительных конструкций, воздуховодов, кабелей, кровли и других изделий.
Специальными компонентами, которые чаще всего используются в рецептурах ОВП и обусловливают интумесцентное действие последних, являются пентаэритрит (ПЭР), полифосфат аммония (ПФА) имеламин(МЛ). Механизм вспучивания покрытий с участием этих соединений рассмотрен нами ранее. Очевидно, что количественное соотношение между отмеченными ингредиентами в огнезащитной композиции будет предопределять, в первую очередь, направление и глубину протекания процессов пено- и коксообразования, а также эффективность огнезащитного действия покрытия в целом [3].
Химические процессы, происходящие при вспучивании, наиболее полно исследованы для системы ПФА-ПЭР. Установлено, что при 2100С протекает реакция фосфорилирования пентаэритрита полифосфатом аммония, приводящая к разрыву основной полифосфорной цепи ПФА с образованием фосфорноэфирных групп
= Р(О)ОСН2-. Этот процесс происходит, как правило, без выделения летучих соединений. Затем образовавшийся сложный эфир под воздействием температуры преобразуется в циклический эфир полифосфорной кислоты с выделением аммиака и воды.
Эффективное вспенивание данного вида покрытий достигается только при обязательном наличии в их составе ряда специальных компонентов, выполняющих определенные функции, а также оптимальном количественном соотношении между ними. Обычно по своим функциям основные компоненты ОВП подразделяют на следующие группы:
- пленкообразователи (например, стирол-акриловые и ПВА-дисперсии, эпоксидные и крем-нийорганические смолы);
- карбонизирующиеся соединения - источники углерода (пентаэритрит, дипентаэритрит и
др.);
- неорганические кислоты и их производные - фосфорная кислота, полифосфат аммония (ПФА) и др.;
- вспенивающие агенты - газообразователи, порофоры (меламин, мочевина и др.). Кроме того, в состав ОВП входят галогенсодержа-щиедобавки(хлорпарафин и др.), некото-рыепигментыинаполнители.
Вспенивание и коксообразование интумес-центных покрытий сопровождается различными физико-химическими процессами, протекающими, как правило, в определенной последовательности по мере нарастания температурного воздействия на композицию. Механизм вспучивания покрытий изучен недостаточно глубоко. Это связано с тем, что основные реакции, приводящие к получению защитного пенококсового слоя, протекают в области высоких температур (до 9000С), что затрудняет моделирование указанных процессов. Кроме того, ОВП являются многокомпонентными композиционными материалами. Это предопределяет в свою очередь большое количество возможных взаимодействий между компонентами образовавшегося огнезащитного покрытия особенно при высоких температурах. При этом предсказать направление высокотемпературных реакций также достаточно сложно
[4].
Огнезащитная эффективность покрытий вспучивающегося типа обусловлена различными факторами:
- эндотермическим отводом тепла, расходуемого на различные фазовые и химические превращения ингредиентов в процессе образования пенококсового слоя. Выделяющиеся при этом газообразные продукты, такие, как аммиак, углекислый газ, азот, пары воды, проходя через нагретые слои формирующегося пенококса, значительно охлаждают его, отводя тем самым значительную долю энергии;
- термическим сопротивлением образующегося пенококса, зависящим от его теплопроводности, термостабильности,
толщины, строения, жесткости, кинетики и условий его получения;
- способностью отражения (поглощения) падающего теплового потока поверхностью образующегося пенококса. Вспененный кокс также ограничивает диффузию летучих продуктов деструкции полимера к пламени и, наоборот, кислорода воздуха к поверхности разлагающегося полимера.
Увеличение выхода карбонизированных продуктов и толщины пенослоя уменьшает количество поступающих в зону горения летучих веществ, снижает интенсивность теплового потока к нижележащим слоям покрытия. Увеличение термостойкости кокса приводит к росту температуры его поверхности и способствует повышению затрат на нагрев. Морфология кокса влияет на его теплопроводность, проницаемость, способность к выгоранию и тлению [5].
Образование вспучивающегося слоя с оптимальными защитными свойствами при действии на покрытие высоких температур определяется в значительной степени составом огнезащитной пропитки, количественным соотношением между компонентами и химическими процессами, протекающими при формировании пенококса. Поэтому знание основных функциональных свойств компонентов и химизма их превращений в карбонизирующиеся продукты является ключевым фактором для целенаправленного повышения эффективности огнезащитных покрытий.
Таблица 1 - Свойства некоторых вспенивающих агентов
Название соединения Растворимость в воде Температура разложения, °С Основные продукты разложения
Мочевина растворим 130 ]МНз, Н3Р04
Гуанидин растворим 160 КНз, Н3Р04
Бутилмо-чевина не растворим 96 КН3, Н3Р04, Н20, С02
Тиомоче-вина мало растворим 180 КН3, Н3Р04, Н20, С02
Хлорпара-фин не растворим 200 Н20, С02, НС1
Дициан-диамид не растворим 230 ]Ж3, Н20, С02
Меламин не растворим 300 ]Ж3, Н20, С02
На сегодняшний день среди всего многообразия способов огнезащиты широкую популярность приобрели вспучивающиеся краски, во многом благодаря декоративности создаваемого покрытия и экономичности производимых работ [6].
Вспучивающиеся огнезащитные краски применяются как для защиты стальных несущих конструкций, так и для защиты конструкций из древесины.
Древесина считается одним из самых горючих материалов, она очень легко и быстро воспламеняется. Однако при горении деревянные конструкции намного дольше, чем стальные сохраняют
несущие способности. Ведь при горении на дереве образуется уголь, тормозящий процесс горения. Можно намного увеличить огнестойкость деревянных несущих конструкций. Для этой целей на них наносят специальные огнестойкие вспучивающие краски. В них входит смола, носящая название «ме-ламино-мочевиноформальдегидная». Ее смешивают с натриевой солью, получаемой из карбоксиметил-целлюлозы. Такая краска на деревянном покрытии образует специальную защитную пленку. Срок защиты от такой пленки не более 10 лет. Затем конструкции надо снова обрабатывать.
Так же вспучивающиеся краски применяют для защиты от огня стальные конструкции. Но они несколько отличаются от тех, которые применяются на дереве. Они различаются на несколько групп огнезащиты в зависимости от температуры нагревания и времени действия огня. После проверки все типов красок на эффективность в настоящее время стали применять два типа таких красок. В первую группу входят краски, имеющие в своем составе вермикулит, гипс, портландцемент, жидкое стекло. Такой состав наносится на стальную конструкцию толстым слоем. Толщина слоя усиливает огнеупорность. Однако здесь наблюдается и отрицательная сторона. Толстый защитный слой утяжеляет стальную конструкцию. А от этого может пострадать ее основная функция, ведь она выполняет несущую роль в здании. Поэтому сейчас в основном применяется второй тип вспучивающей краски. Однако применение ее возможно только в закрытых помещениях, имеющих определенную влажность. Данная краска состоит из двух упаковок, в каждой из которой имеются свои составляющие. Перемешиваются обе упаковки непосредственно перед применением [7].
Таким образом, актуальными являются исследования влияния вспучивающих композитов на материалы различной природы. Для своих исследований мы выбрали смесовые текстильные материалы. Это область еще не изучена до конца. Многие пытались использовать вспучивающий антипирен для текстильных материалов но не смогли получить хорошие результаты [8].
В качестве замедлителя горения мы использовали раствор вспучивающего антипирена. В со-
став вспучивающего антипирена входил: аммоний фосфорнокислый, пентаэритрит и карбамид в соответствующих пропорциях.
Для повышения гидрофильных свойств образцы были модифицированы низкотемпературной плазмой пониженного давления. Затем образцы пропитывали вспучивающим антипиреном и высушиваются в сушильном шкафу при температуре 500С.
Проведенные испытания на открытом огне по ГОСТ Р12.4.200-99 и в тепловом потоке по ГОСТ 30402-96 показали, что придание огнестойких свойств текстильным материалам, применением вспучивающего антипирена возможно. Пропитанная ткань не воспламеняется, не искрится, а вспенивается и увеличивается в 1,5-2 раза и образуется коксовый слой.
Литература
1. Е.П. Лаврентьева. Инновационные текстильные материалы со специальными свойствами . Швейная промышленность.- 2013., С 15-16
2. Способ придания временной огнестойкости тканям с использованием растворов алкиламиновых солей ме-тиленфосфорных кислот. Заявка 2707308 Франция-РЖ "Химия".- 1996.- № 19.
3. Букин, А.С. Оценка пожарной опасности текстильных материалов / А.С. Букин // Технический текстиль.-2001.-№2
4. Зубкова Н.С. Полимерные материалы пониженной пожарной опасности. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина.-2004.- С.198
5. Сабирзянова Р.Н., Красина И.В. Исследование влияния вспучивающих антипиренов на повышение огнестойкости текстильных материалов / Р. Н. Сабирзяно-ва, И. В. Красина // Вестник Казанского технологического университета. №3. - 2014. - С.53-54.
6. Асеева, Р. М. Горение полимерных материалов / Р. М. Асеева, Г.Е.Заиков.-М.: Наука, 1981.-280с.
7. Зубкова Н.С., Болодьян Г.И., Константинова Н.И., Терешина H.A. Принципы выбора тканей для изготовления пожаробезопасной спецодежды // Текстильная промышленность, 2002. № 10. С. 19-21.
8. Сабирзянова Р.Н., Красина И.В., Тучкова О.А., Енале-ев Р.Ш. Исследование влияния вспучивающих анти-пиренов на повышение огнестойкости текстильных материалов // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №3. - С. 53-54.
© Р. Н. Сабирзянова - аспирант, лаборант каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, [email protected]; И. В. Красина - д.т.н., профессор, зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, [email protected].
© R. N. Sabirzyanova - graduate, assistant of Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Kazan National Research Technological University; I. V. Krasina - doctor of technical Sciences, Professor, head of department Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Kazan National Research Technological University.
