CC BY
75
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОПИТКИ ДРЕВЕСИНЫ СПОСОБОМ «ПРОГРЕВ-ХОЛОДНАЯ ВАННА» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АМИДОФОСФАТА КМ
IMPROVEMENT OF TECHNOLOGY OF WOOD IMPREGNATION BY HEAT-COLD BATH WITH AMIDOPHOSPHATE KM AS A FLAME RETARDANT
Демчина Р.А., Озаркив И.М., Грыджук П.П., Федына М.Ф., Перетятко Б.М.
(Национальный лесотехнический университет Украины, гЛьвов, НЛТУ Украины) Demchyna R.O., Ozarkiv I.M., Hrydshuk P.P., Fedyna M.F., Peret'atko B.M. (National University of Forest and Wood Technology of Ukraine, Lviv, Ukraine)
Приведены результаты экспериментальных исследований пропитки древесины методом «прогрев-холодная ванна» антипиренами с использованием амидофосфата КМ на примере древесины сосны и дуба. Раскрыты особенности строения и получения амидофосфата КМ. Приведены методики исследований пропитки и огневых испытаний древесины дуба и сосны, защищенной амидофосфатом КМ.
The results of the experimental investigation of impregnation process by so-cold the heat-cold bath with amidophosphate KM as a flame retardant are reported. The particularities of the synthesis of amidophosphate KM are discussed and the methods of impregnations and the investigation of flame retardant properties are described.
Ключевые слова: пропитка древесины, антипирен, амидофосфат КМ, синтез
Keywords: wood impregnation, flame retardant, amidophosphate KM, synthesis
Защита от биоогнеразрушений деревянных изделий, конструкций и зданий на сегодня является одной из важных научно-практических проблем, которые требуют постоянного успешного решения [1-4]. Анализируя известные способы огнезащиты деревянных изделий и конструкций, нужно отметить, что именно химический способ огнезащиты с помощью антипиренов является наиболее надежным и перспективным. Известно [1-6], что раньше для этой цели использовали полихлорфенолы, сурьму- и хромсодержащие вещества для повышения био- и огнестойкости древесины.
Учитывая значительный ущерб и нанесение вреда окружающей среде и человеку, на смену им пришли солевые антипирены, содержащие фосфатнокислый аммоний, буру, борную кислоту, карбонат натрия и др. Следует отметить, что они также имеют существенные недостатки: теряют свои огнезащитные свойства со временем, вымываются водой, а также могут содержать компоненты, которые вызывают коррозию металлических конструкций, непосредственно контактирующих с древесиной.
В последнее время все чаще используются антипирены на основании сконденсированных олигомеров, в частности различные композиции фенолоспиртов и сконденсированных органосилозанов [7].
В этом случае, при пропитке древесины такими химическими средствами защиты в самом материале осуществляется конденсация фенолоспиртов с образованием полимерного каркаса фенолоформальдегидной смолы (ФФС) в
структуре древесины. Как антипирены применяют карбамидо-фурановые смолы (КФуС) и карбамидо-меланино-формальдегидные смолы (КМФС). Нужно отметить, что антипирены, созданные на основе фенолоспиртов, КФуС, КМФС имеют достаточно большую токсичность, но их использование имеет оправдание в условиях повышенной огнеопасности, когда стоимость изделий и его токсичность теряют первостепенное значение.
Антипирены, созданные в результате сконденсированных соединений мочевины и фосфорной кислоты, не обладают высокой токсичностью, довольно дешевые и нашли исспользование в качестве антипирена - амидофосфата КМ.
Карбамид конденсируется с ортофосфорной кислотой, вследствие чего образуется амидофосфат КМ [8, 9], который также можно получить при взаимодействии дигидрофосфата аммония и карбамида:
Из вышеприведенного уравнения видно, что продуктом конденсации по такой схеме реакции является димер, однако в литературе встречаются сведения о возможном образовании олигомеров.
В данной работе исследована возможность проведения огневой защиты древесины с помощью амидофосфата КМ методом горяче-холодных ванн, определены показатели пропитки древесины 17%-ным водным раствором антипирена, а также огнезащитные свойства пропитанной древесины сосны и дуба.
Синтез амидофосфата КМ производили за счет конденсации 85% ортофосфор-ной кислоты с карбамидом в рассплаве при температуре 135°С в мольном соотношении 1 : 1. Синтез производили до снижения рН до 5...6 на песчаной бане в четырегорловой колбе, оснащенной мешалкой, термометром и обратным холодильником. Содержание колбы охлаждали до 65°С и растворяли в воде.
Для проведения экспериментальных исследований использовали древесину размягченных пород, образцы которых были размером 40x40x250 мм. Предварительно нагретые на протяжении 60 мин. образцы до температуры 90°С погружали на 40 мин. в раствор антипирена с температурой 25°С. Образцы взвешивали на электронных весах с точностью до 0,001 г. Образцы помещались в раствор таким образом, чтобы они не касались друг друга, а также стенок ванны. Толщина слоя раствора над верхней плоскостью образца составляла 5...10 мм. Расход пропиточного раствора определяли взвешиванием образца до и после пропитки. Для пропитанных образцов измеряли потерю массы через 1 час, 3, 7 и 10 суток. Было установлено, что через 10 суток вес образцов при температуре 25°С и относительной влажности воздуха до 60 % оставался, практически, постоянным. Для образцов, пропитанных амидофосфатом КМ, вы-
соливание не наблюдалось, хотя чувствовался запах аммиака, который со временем исчезал.
Проявление глубины пропитки образцов амидофосфатом КМ (таблица 1) осуществляли с помощью реакции на фосфат-ион. Раствор (NH4)2MoO4 в 30%-ной серной кислоте наносили с помощью пипетки на поверхность образца древесины. Через 10-15 с. на поверхность наносили раствор SnCl2 в HCl. Окрашенные в синий или сине-зеленый цвет участки образцов, содержат фосфат-ион, который, на наш взгляд, является продуктом кислотного гидролиза амидофосфата
-5_
КМ (влияние 30%-ной H2SO4) или остатка PO4 после синтеза. Нами установлено, что древесина, которая не пропитывалась амидофосфатом КМ, не давала качественной реакции на фосфат-ион.
Для проведения огневых испытаний образцы древесины были подготовлены согласно ГОСТа 16363 с учетом требований ГОСТа 2140. Образцы разных пород древесины размером 10х10х150 мм выпиливали из заболонной части древесины. Обработку образцов антипиренами проводили не позднее чем через 30 минут после термостатирования или для предупреждения изменения массы за счет поглощения влаги до начала испытаний образцы помещали в эксикатор.
Таблица 1 - Результаты пропитки методом «прогрев-холодная ванна» 17 %-ным водным раствором амидофосфата КМ (р = 1,080 г/мл, Ь - глубина пропитки)
m до m после V, h мм h мм Расход ан-
пропитки, пропитки, поглощенного поперек во- вдоль типирена, кг/м3
г г антипирена, мл локон волокон
Липа 251,6 344,0 84 10 40 230
Ольха 288,3 350,0 56 11 35 154
Береза 240,0 305,0 59 10 35 162
Сосна 232,0 266,0 31 6 18 85
Дуб 236,0 252,0 14 4 10 40
Огневые испытания различных пород древесины, пропитанных амидофосфатом КМ, проводили согласно ГОСТа 16383 и строительных норм НПБ 251-98 с использованием метода «огневой» трубы.
Образцы поджигали с помощью спиртовой горелки с высотой пламени 40.. .55 мм. После загорания образца горелку убирали и осуществляли фиксацию параметров процессов горения.
Изменение температуры в «огневой» трубе учитывали с помощью термопар Х-А (хромель-алюмель), зафиксированных на 10 мм выше верхних торцов образцов. Результаты показаны на рис. 1.
Рисунок 1 - Термограммы газов горения образцов древесины сосны и дуба, обработанных антипиреном - амидофосфатом КМ
Как следует из результатов наших исследований, древесина, защищенная амидофосфатом КМ, переходит из группы легковоспламеняющихся материалов в группу самозатухающих, а сам амидофосфат КМ, как антипирен, можно отнести к антипиренам 11-й группы огнезащитной эффективности при использовании 17% водного раствора и затратах от 40 до 85 кг/м в зависимости от породы древесины, обработанной методом «прогрев-холодная ванна». Следует отметить то, что во время огневых испытаний тления не наблюдалось. Самостоятельное горение после снятия теплового импульса имело место только на протяжении небольшого времени (32 с - сосны, 47 с -дуба). Воспламенение необработанных антипиреном образцов наблюдалось через 15...20 с, а для защищенных - значительно позже: 85 с - сосна, 52 с - древесина дуба. Эти данные указывают на способность примененного антипирена уменьшать процесс возгорания и горения древесины.
Например, средняя потеря массы древесины сосны составляла меньше 16 %, а дуба - меньше 18%. Как показывают термограммы газов горения (рис. 1), контрольный образец, не обработанный антипиреном, уже через 15.20 с начинал загораться, что приводило к увеличению температуры, которая уже через минуту достигала 8000С и после прекращения огневого импульса (15 с) древесина продолжала гореть до полного сгорания (потеря массы составляла -85%). Образцы древесины, обработанные антипиреном (как следует из графиков), удерживают практически стабильную температуру на протяжении всего времени. Как видно из рис. 1 , температура газов горения пропитанных образцов древесины дуба выше, чем сосны. Это можно объяснить меньшей огнезащитностью и большей потерей массы этих образцов из-за большей горючести древесины.
Список использованных источников
1. Горшин С.Н. Консервирование древесины / С.Н. Горшин. - М: Лесная промышле-ность , 1977. - 336 с.
2. Иванов Ф.М. Биоповреждения в строительстве / Ф.М. Иванов, С.Н. Горшин, Дж. Уэйт и др.; Под ред. Ф.М. Иванова, С.А. Горшина. - М. Стройиздат, 1984. - 320 с.
3. Серговський П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины / П.С. Серговський - М.: Лесная промышленость, 1987. - 360 с.
4. Озарюв 1.М. Основи бювогнезахисту деревини: Навч. поабник./ 1.М. Озарив, Ю.М. Губер, Л.Я. Сорока, З.П. Копинець. - Львiв: РВВ НЛТУ Украши, 2007. - 72с.
5. Перетятко Б.М. Особливосп технологичного процесу вогнезахисту деревини / Б.М. Перетятко// Науковий вюник НЛТУ Украши: Зб. наук.-техн. праць. - Львiв: НЛТУ Украши, 2011. - Вип. 21.15. - с. 77-81.
6. Генель С. В. Старение древесины и фанеры, пропитанных антипиренами/ С.В. Генель// Науч.-техн. реф. сб. мех. обр. д-ны. - 1978. - Вып. 11-12. - С. 18-21.
7. Пат. 2147028 Российская Федерация C09K21/04, C09D5/16, B27K3/52, B05D7/06 / Гречман А.О., Гречман Т.А. -ООО "Технический центр пожарной безопасности" - заявл. 06.04.1999; опубл. 27.03.2000.
8. Пат. 2172242 Российская Федерация B27K3/52, B27K3/34, C07F9/22. Огнезащитный состав КМ / Леонович А.А.; Шелоумов А.В; Заявитель и патентообладатель: Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия. - № 2000113921/04; заявл. 31.05.2000; опубл.20.08.2001.
9. Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний: НПБ 251-98 - [Введен в действие от 1998-06-31] - М.: ВНИИПО) МВД России, 1998. - 5с.
