CC BY
16
УДК 691
СНИЖЕНИЕ ГОРЮЧЕСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА РАСТИТЕЛЬНЫХ ВОЛОКОН
Е.В. Аносова
кандидат технических наук,
доцент кафедры пожарной безопасности
Академия гражданской защиты МЧС России
Адрес: 141435, Московская обл., г.о. Химки,
мкр. Новогорск
E-mail: е.anosovaQamchs.ru
Т.Н. Вахнина
кандидат технических наук,
доцент кафедры лесозаготовительных
и деревоперерабатывающих производств
Костромской государственный университет
Адрес: 156005, Костромская область, г. Кострома,
ул. Дзержинского, д. 17
E-mail: t vachninaQmail.ru
И.В. Сусоева
кандидат технических наук,
доцент кафедры техносферной безопасности
Костромской государственный университет
Адрес: 156005, Костромская область, г. Кострома,
ул. Дзержинского, д. 17
E-mail: i.susoevaQyandex.ru
Аннотация. В статье исследовано влияние комплексного антипирена «тетраборат натрия + борная кислота» на показатели огнезащищенности композиционных плит из растительных отходов. Получены результаты определения показателей огнезащищенности образцов композиционного материала с наполнителем из невозвратных отходов производства хлопкового волокна. Использование комплексного антипирена эффективно повышает огнезащищенность и кислородный индекс материала на основе растительного наполнителя.
Ключевые слова: хлопок, отходы прядения, композиционные материалы, горючесть, ан-типирены, кислородный индекс.
Цитирование: Аносова Е.В., Вахнина Т.Н., Сусоева И.В. Снижение горючести композиционных теплоизоляционных материалов из отходов производства растительных волокон // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2020. № 1 (44). С. 32-38.
На протяжении 2015-2019 гг. обстановка с пожарами в Российской Федерации имеет устойчивую тенденцию к улучшению: число пожаров в течение этого периода снижалось в среднем на 3,6 % в год. Однако, несмотря на тенденцию к снижению прямого материального ущерба от пожаров в Российской Федерации, общее количество зарегистрированных пожаров в 2018 г. составило 132 406 ед., количество погибших — 7 913 чел [1]. Все это обуславливает необходимость работ по противопожарной защите, важным компонентом которых является повышение огнезащищенности материалов, используемых при строительстве зданий и сооружений.
Основным недостатком композиционных материалов на основе растительного сырья является их пожароопасность [2-5]. Хлопок имеет кислородный индекс 18 %, для древесины
21 % [6], и если температура воспламенения хлопка составляет 407 °С, то для древесины 238-260°С [7]. Низшая теплота сгорания хлопка и льна ^я составляет 15,7 МДж ■ кг, для древесины этот показатель 13,8 МДж ■ кг [8], т.е. наполнители из хлопка являются более пожароопасными, чем древесина. Все это обусловливает сложность работы по снижению горючести теплоизоляционных композиционных материалов на основе наполнителя из отходов прядения хлопка.
Как известно, для снижения горючести используют антипирены разного типа действия. Бром, хлор, фосфор, сурьма, бор, азот, кремний, цинк и смеси на их основе обычно используются в качестве замедлителей горения и других антипиренов [6, 9, 10]. В таблице 1 представлены некоторые виды антипиренов.
Таблица 1 Виды антииирснов и принцип действия
Группа Вещества
Оксиды и гидроксиды металлов Оксиды и гидроксиды магния и алюминия, тригидрат алюминия, карбонат кальция
Галогенсодержащие Бром, хлор, фтор- содержащие
Фосфорсодержащие Сложные эфиры фосфорной кислоты, сульфат алюминия, фосфат аммония, фосфорная кислота
Интумеецентные добавки Полифосфат аммония, меламин, мочевина
По данным W. D. Schindler эффективным огнезащитным составом является комбинация из хлорида фосфония, меламина и ор-тофосфорной кислоты [11]. По данным многих исследователей, борсодержащие добавки используются для снижения горючести материалов из растительного сырья [12 14].
Показатели горючести образцов хлопкового
наполнителя были определены на установке синхронного термического анализа NETZSCH STA 449 F3 .Jupiter, совмещенной с приставкой ПК-Фурье. ПК-спектры продуктов термолиза хлопкового волокна и отходов его производства представлены на рисунках 1, 2 значения полос поглощения продуктов термолиза волокна в таблице 2.
4400 4200 40» 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800
Рисунок 1 ПК-спектр продуктов термолиза хлопкового волокна
44ftï 4200 4ООО 3800 JS00 Ц00 1200 ЮНО 2800 2М0 ООО 2200 2000 1SW 1W0 14(М 1200 1UM В00
Рисунок 2 ПК-спектр продуктов термолиза отходов производства хлопкового волокна
20201(44)
Таблица 2 Полосы поглощения продуктов термолиза хлопкового волокна
Положение полосы, см 1 Интенсивность поглощения. % Группы
3848.2990 0.0029 Валентные колебания свободных ОН-группы
3729.8433 0.0039 Валентные колебания свободных ОН-группы
3641.9568 0,0031 Валентные колебания свободных ОН-группы
2354.2291 0.035 Асимметричные валентные колебания СО2
1685.5277 0.028 Несопряженные колебания С С
1662.6008 0,0031 Деформационные колебания связей в молекулах Н-О-Н
1551.7875 0.0038 Скелетные колебания С-С
1490.6490 0,003 Деформационные колебания групп СН2
665.2805 0,0065 С02 с деформационными колебаниями молекулы
При нагревании хлопкового волокна целлюлоза пластифицируется, ее цепи приобретают сегментальную подвижность. Поэтому полоса валентных колебаний свободных ОН-групп, участвующих в межмолекулярных и внутримолекулярных Н-связях (в области 4000... 3000 см-1), которая практически отсутствует в спектре целлюлозы, в спектре продуктов термолиза хлопкового волокна имеет высокую интенсивность поглощения. Деформационные колебания связей в молекулах Н-О-Н обусловлены удалением в процессе термолиза прочно связанной воды. Деформационные колебания групп СЩ в области . . . -1
вращениями групп, чувствительных к окислению. ИК-снектр термолиза хлопкового волокна характеризует происходящие при нагреве
химические изменения компонентов хлопка реакции дегидратации, окисления и термической деструкции.
В спектре продуктов термолиза отходов хлопкового волокна менее выражена интенсивность поглощения асимметричных валентных колебаний СО2 и отсутствует пик с деформационными колебаниями молекулы. Это может объяснять наличие большого количества минеральных веществ в отходах хлопка, вызванное загрязнением в процессах сбора и транспортировки отходов.
Кривые термического анализа отходов хлопкового волокна термогравиметрии
(далее ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (далее ДСК) представлены на рисунке 4.
Рисунок 3 Кривые ТГ и ДСК отходов хлопкового волокна
Процесс термолиза отходов имеет те же закономерности, что и для хлопкового волокна, но удельная теплота процесса намного выше для обоих периодов (1221 Дж/г и 1945 Дж/г). Температура первого пика термического разложения отходов ниже на 10 °С, чем для волокна, что, возможно, обусловлено меньшим размером дискретных частиц, но при этом выше температура второго пика из-за наличия большого количества минеральных веществ в отходах.
В лаборатории кафедры лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств Курского государственного университета разрабатываются композиционные плиты из неиспользуемых растительных отходов [15]. Были изготовлены образцы композиционного плитного материала из невозвратных отходов производства хлопковых волокон. В качестве связующего для композиционных материалов была использована карбамидофор-
Исследование показало, что использование комплексного антипирена более эффективно повышает огнезащищенность и кислородный индекс материала на основе растительного наполнителя, чем классические антипирены для древесины [16].
Таким образом, включение в композицию хлопковых отходов значительно повышает пожароопасные свойства материала. Одним из рациональных путей снижения пожарной опасности разрабатываемых композиционных плитных материалов с растительным напол-
мальдегидная смола в количестве 30 % от массы наполнителя. Для огнезащиты композиционного материала использовались два состава: смесь тетрабората натрия с борной или с орто-фосфорной кислотами. Образцы плитных материалов изготавливались по технологии древесноволокнистых плит мокрого способа производства путем подпрессовывания и высушивания при 100 °С. Средняя плотность плит 275 кг/м 3.
Для исследования огнезащитной эффективности определялись показатели потери массы при огневом воздействии и кислородный индекс. Значение кислородного индекса определялось по ГОСТ (Р) 12.1.044-89 (AS ГМ D2863) на лабораторной установке Oxygen Index Module. Определение потери массы при горении проводились в установке «керамический короб» по ГОСТ Р 53292-2009. Результаты определения показателей плит представлены в таблице 3.
нителем является использование замедлителей горения.
Введение антипирена тетрабората натрия и борной кислоты повышает кислородный индекс композиционного материала из отходов прядения хлопка до 60 %, при этом потеря массы образцов композита при огневом воздействии (при испытании в керамической трубе) в среднем составляет 13 %. Применение в составе комплексного отвердителя борной кислоты (в сравнении с ортофосфорной кислотой) повышает эффективность огнезащиты.
Таблица 3 — Результаты потери массы при горении и кислородный индекс
Доля добавки антипирена, % Потеря массы образцов при горении, % Кислородный индекс, %
«тетраборат натрия Na2B407 + борная кислота Н3В03»
5 17,2 26
10 15,5 45
15 13,0 60
«тетраборат натрия Na2B407 + ортофосфорная кислота Н3Р03»
5 21,3 21
10 20,2 29
15 18,2 35
Литература
\. Статистика пожаров в Российской Федерации за 2017 год [Электронный ресурс] / Электронная энциклопедия пожарной безопасности. — Режим доступа: ЫЛр://'тк1йге.ощ/Статистика-пожаров-РФ-2017-ashx (дата обращения: 01.03.2019).
2. Dittenber, D.B., GangaRao H.S.V. Critical review of recent publications on use of natural composites in infrastructure, Composites Pt. A: Appl. Sci. Manufact., 2012, vol. 43, no. 8, pp. 1419-1429.
3. Holbery J., Houston D. Natu-ral fiber reinforced polymer composites in automotive applications, ЛОМ. 2006, no. 58, pp. 80-86.
4. Oprisan G., Taranu N., Munteanu V. Application of modern polymeric composite materials in industrial construction, Buletinul Institutului Politehnic Diniasi, 2010, LVI (LX), no. 3, pp. 121-130.
5. Mouritz A.P., Feih S., Kandare E., Mathys Z., Gibson A.G., DesJardin P.E., Case S.W., Lattimer B.Y. Review of fire structural modelling of polymer composites. Composites, 2009, no. 40A(12), pp. 1800-1814.
6. Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М.:Химия, 1979. 424 с.
7. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А.Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справ.в 2 частях. 4.2. 774 с.
8. Пособие по применению НПБ 105-95 Определение категорий помещений и зданий по взрывопожар-ной и пожарной опасности при рассмотрении проектно-сметной документации Шебеко Ю.Н, Смолин И.М. Молчадский II.С. и др. М.: ВНИИПО, 1998. 119 с.
9. Stark N.M., White R.H., Mueller S.A., Osswald Т. A. Evaluation of various fire retardants for use in wood flour-polyethylene composites. Polym. Degrad. Stab, 2010, no. 95 (9), pp. 1903-1910.
10. Варфоломеев С., Ломакин С., Сахаров П. Антипирены: российский период // The Chemical Journal. 2010. С. 42-45.
11. Schindler W.D., Hauser P.J. Chemical Finishing of Textiles. Woodhead Pub-lishing Ltd and CRC Press LLC, 2004. 213 p.
12. Winandy J. E. Effects of fire retardant retention, borate buffers, and redrying temperature after treatment on thermal-induced degradation. Forest Products Journal, 1997, vol. 47, no. 6, pp. 79-86.
13. Awoyemi L., Westermark U. Effects of borate impregnation on the response of wood strength to heat treatment. Wood Science and Technology, 2005, vol. 39, no. 6, pp. 484-491.
14. Nagieb Zenat A., Nassar Mona A., Meligy Magda G. E. Effect of addition of boric acid and borax on fire-retardant and mechanical properties of urea formaldehyde saw dust composites. International Journal of Carbohydrate Chemistry, 2011, pp. 1-6.
15. Vahnina, T.N., Susoeva, I.V., Titunin, A. A. Thermal-insulation boards from fibrous plant wastes and urea-formaldehyde binder. Magazine of Civil Engineering. 2018. 83(7). Pp. 136-147. doi: 10.18720/MCE.83.13
16. Панёв H.M., Никифоров А.Л., Винокуров M.B. Оценка влияния состава огнезащитных обработок на показатель кислородного индекса древесины // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение . 2017. №3 (51). С. 92-96.
COMBUSTION REDUCTION THERMAL INSULATING MATERIALS FROM WASTE PRODUCTION OF PLANT FIBERS
Tatiana VACHNINA
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of the Department of Logging
and wood processing industries
Kostroma State University
Address: 156005, Kostroma region, Kostroma,
st. Dzerzhinsky, d. 17
E-mail: t vachninaQmail.ru
Abstract. The article investigated the effect of the complex flame retardant "sodium tetraborate + boric acid"on the fire protection performance of composite boards from plant waste. The results of determining the fire protection indices of samples of a composite material with a filler from unused waste from the production of cotton fiber are obtained. The use of complex flame retardant effectively increases the fire resistance and oxygen index of the material based on plant filler. Keywords: cotton, spinning waste, composite materials, combustibility, flame retardants, oxygen index.
Citation: Anosova E.B., Vahnina T. N., Susoeva I.V. Combustion reduction Thermal insulating materials from waste Production of plant fibers // Scientific and educational problems of civil protection. 2020. No. 1 (44). pp. 32-38.
1. Fire statistics in the Russian Federation for 2017 [Electronic resource] / Electronic fire safety encyclopedia. - Access mode: http://wikifire.org/Statistics-fire-RF-2017.ashx (accessed: 01.03.2019).
2. Dittenber, D.B., GangaRao H.S.V. Critical review of recent publications on use of natural composites in infrastructure, Composites Pt. A: Appl. Sci. Manufact., 2012, vol. 43, no. 8, pp. 1419-1429.
3. Holbery J., Houston D. Natu-ral fiber reinforced polymer composites in automotive applications, JOM, 2006, no. 58, pp. 80-86.
4. Oprisan G., Taranu N., Munteanu V. Application of modern polymeric composite materials in industrial construction, Buletinul Institutului Politehnic Diniasi, 2010, LVI (LX), no. 3, pp. 121-130.
5. Mouritz A.P., Feih S., Kandare E., Mathys Z., Gibson A.G., DesJardin P.E., Case S.W., Lattimer B.Y. Review of fire structural modelling of polymer composites. Composites, 2009, no. 40A(12), pp. 1800-1814.
6. Monakhov V.T. Research methods for fire hazard substances. M.: Chemistry, 1979. 424 p.
7. Korolchenko A.Ya., Korolchenko D.A. Fire and explosion hazard of substances and materials and means for extinguishing them. Ref. In 2 parts. Part 2. 774 s
8. The manual on the use of NPB 105-95 "Definition of the categories of premises and buildings for explosion and fire hazard"when considering design estimates for Shebeko Yu.N., Smolin IM Molchadsky I.S. et al. M .: VNIIPO, 1998. 119 s.
9. Stark N.M., White R.H., Mueller S.A., Osswald T.A. Evaluation of various fire retardants for use in wood flour-polyethylene composites. Polym. Degrad. Stab, 2010, no. 95 (9), pp. 1903-1910.
10. Varfolomeev S., Lomakin S., Sakharov P. Fire retardants: the Russian period // The Chemical Journal.
Evgeniya ANOSOVA
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor of Fire Safety
Civil Defence Academy EMERCOM of Russia
Address: 141435, Moscow region, city Khimki,
md. Novogorsk
E-mail: e.anosovaQamchs.ru
Irina SUSOEVA
Candidate of Technical Sciences,
Associate Professor, Department of Technosphere Safety
Kostroma State University
Address: 156005, Kostroma region, Kostroma,
st. Dzerzhinsky, d. 17
E-mail: i.susoevaQyandex.ru
References
2010.S. 42-45.
11. Schindler W.D., Hauser P.J. Chemical Finishing of Textiles. Woodhead Pub-lishing Ltd and CRC Press LLC, 2004. 213 p.
12. Winandy J. E. Effects of fire retardant retention, borate buffers, and redrying temperature after treatment on thermal-induced degradation. Forest Products Journal, 1997, vol. 47, no. 6, pp. 79-86.
13. Awoyemi L., Westermark U. Effects of borate impregnation on the response of wood strength to heat treatment. Wood Science and Technology, 2005, vol. 39, no. 6, pp. 484-491.
14. Nagieb Zenat A., Nassar Mona A., Meligy Magda G. E. Effect of addition of boric acid and borax on fire-retardant and mechanical properties of urea formaldehyde saw dust composites. International Journal of Carbohydrate Chemistry, 2011, pp. 1-6.
15. Vahnina, T.N., Susoeva, I.V., Titunin, A. A. Thermal-insulation boards from fibrous plant wastes and urea-formaldehyde binder. Magazine of Civil Engineering. 2018. 83(7). Pp. 136-147. doi: 10.18720/MCE.83.13
16. Panev N.M., Nikiforov A.L., Vinokurov M.V. Assessment of the effect of flame retardant treatments on the oxygen index of wood // Modern high technology. Regional application. 2017. No3 (51). S. 92-96.
