CC BY
11
УДК 614.841.41
ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОГНЕЗАЩИТНОЙ ОБРАБОТКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
А. Х. САЛИХОВА1, С. А. СЫРБУ 1, О. Г. ЦИРКИНА1, М. Р. КИСЕЛЕВ2
1 Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново,
2 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
Российская Федерация, Москва E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Нанесение огнезащитных композиций позволяет исключить воспламенение тканого материала при попадании на его поверхность источника зажигания и позволяет ослаблять плотность теплового потока при прохождении через материал. Разработанные огнезащитные композиции на основе отечественных коммерческих препаратов с различными добавками позволяют получить трудновоспламе-няемый материал. В качестве добавок используется кремнийорганическая смола, которая придает обработанным тканям устойчивость к негативным воздействиям, в том числе, производственной среды. Ткань после обработки не меняет физико-механических и специальных свойств, полученный материал соответствует требованиям национальных стандартов. Предложенная технология характеризуется низкой себестоимостью и высокими показателями обеспечения пожарной безопасности различного ассортимента текстильных материалов.
Ключевые слова: текстильный материал, огнезащитный состав, кремнийсодержащие соединения, воспламенение, антипирен, показатели пожарной опасности
INFLUENCE OF SILICON-CONTAINING ADDITIVES ON THE EFFECTIVENESS OF FLAME RETARDANT TREATMENT OF TEXTILE MATERIALS
A. H. SALIKHOVA1, S. A. SYRBU1, O. G. TSIRKINA1, M. R. KISELEV2
1 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 Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry named after A. N. Frumkin of the Russian Academy of Sciences, Russian Federation, Moscow E-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
The application of flame-retardant compositions makes it possible to exclude ignition of the woven material when an ignition source hits its surface and makes it possible to weaken the density of the heat flow when passing through the material. The developed flame-retardant compositions based on domestic commercial preparations with various additives make it possible to obtain a difficult-to-ignite material. Organosili-con resin is used as additives, which gives the treated tissues resistance to negative influences, including the production environment. The fabric after processing does not change its physical, mechanical and special properties, the resulting material meets the requirements of national standards. The proposed technology is characterized by low cost and high fire safety indicators of various assortment of textile materials.
Key words: textile material, flame retardant, silicon - containing compounds, ignition, flame retardant, fire hazard indicators
© Салихова А. Х., Сырбу С. А., Циркина О. Г., Киселев М. Р., 2022
91
В последние годы все более актуальной становиться задача придания огнезащитных свойств текстильным изделиям различного назначения. Данный факт связан с высокой пожарной опасностью текстиля: без соответствующей обработки текстильные материалы являются легковоспламеняемыми, быстро распространяют пламя по поверхности, выделяют большое количество дыма и зачастую токсичные продукты горения.
Огнезащитная обработка тканей является обязательной для объектов и изделий, эксплуатация и использование которых должно проводиться при строгом соблюдении норм пожарной безопасности.
Защита тканей от возгораний должна выполняться:
- для общественных зданий со значительным числом посетителей, в холлах, в фойе, на эвакуационных выходах;
- для производственных зданий и сооружений;
- на транспорте, где существует угроза возгорания;
- для одежды специального назначения, чехлов для технологического оборудования, машин или агрегатов, экранов, применяемых при выполнении огневых работ.
Огнезащитная обработка текстильных материалов выполняется с целью:
1) исключения тления, возгорания от малокалорийных источников: сигарет, спичек;
2) ограничения распространения пламени;
3) снижения дымообразования и токсичности продуктов горения.
Основной задачей обработки материалов антипиренами является повышение огнестойкости до категории «трудновос-пламеняемость» или «негорючесть» и, как минимум, до умеренного дымообразования Д2 и токсичности Т21. Необходимо отметить, что кроме построек V степени огнестойкости, класса С3, имеются ограничения в использовании текстильных материалов на эвакуационных путях. Так пожароопасность тканей для отделки не должна превышать в прихожих, холлах лифтов, на лестничных маршах Г1, В1, Д2, Т2; а в общих коридорах, холлах и фойе — Г2, В2, Д3, Т3 или Г2, В3, Д2, Т2. В случае использования текстиля для полов (в т.ч. ковровых покрытий), показатели пожароопасности материалов должны быть не выше В2, РП2, Д3, Т2 для общих коридоров и фойе и Г2, РП2, Д2, Т2 — для лестничных пространств и холлов лифтов.
В табл.1 приведены данные по текстильным материалам, которые требуют огнезащитной обработки по нормам пожарной безопасности.
В настоящее время активно ведутся разработки в области создания технологий по выпуску тканей, обладающих комплексом защитных свойств. С этой целью проводится модификация волокнообразующих полимеров на стадии их синтеза путем введения различных добавок, в том числе, антипиренов в макромоле-кулярную цепь; изменение структуры волокон, нитей и тканей на этапах их производства, а также разработка принципиально новых технологических решений придания устойчивых к различным внешним воздействиям огнезащитных отделок путем разработки новых пропиточных составов и покрытий, как для текстильных материалов, так и для кож [1]. Основные способы огнезащитной отделки текстильных материалов и их особенности приведены в табл. 2.
В настоящее время в России для получения огнестойких текстильных материалов широко применяют импортные препараты, в которых для обеспечения устойчивости отделки к внешним воздействиям в качестве сшивающего агента между молекулами антипирена и реакционными группами волокна чаще всего используется формальдегид. Его наличие в составе препарата значительно ухудшает гигиенические свойства тканей, а также зачастую нарушает требования по охране труда на текстильном предприятии.
Актуальность данной работы определяется тем, что снижение показателей пожарной опасности текстильных материалов с учётом их свойств и структурных особенностей позволит обеспечить их огнестойкость в повседневной жизни и в условиях производства.
Практическую значимость работы представляет разработка состава, придающего ткани огнезащитные свойства, на основе широко применяемых антипиренов с добавлением кремнийсодержащих соединений с целью обеспечения устойчивого к воздействию воды и стиркам огнестойкого эффекта для смесовых тканей с вложением полиэфирного волокна.
В представленной работе предлагается использовать огнезащитный состав на основе кремнийорганических соединений. Для испытаний были подготовлены образцы суровой ткани «Контакт-250А», выпущенной Ивановским меланжевым комбинатом. Ткань имеет смесовый состав: 80 % хлопка и 20 % полиэфирного волокна. Поверхностная плотность ткани 150 г/м2. В составе ткани имеется антистатическая нить.
1 Федеральный закон от 22.07.2008 г. №123-Ф3
«Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
Таблица 1. Текстильные материалы, требующие огнезащитной обработки
Группа Назначение изделия Применение
Постельные, принадлежности, постельное белье • наматрасники; • постельные изделия (подушки, одеяла, постельное белье). • поезда дальнего следования; • гостиницы.
Мебель и оформление помещений • наполнители для мягкой мебели; • шторы, драпировка, мебельная обивка; • ковры; • декоративная обивка, декорации. • диваны и кресла; • общественные здания; • зрительные залы; • галереи; • учебные учреждения; • театры.
Одежда специального назначения • теплозащитная • термостойкая Отрасли: • металлургическая; • химическая; • нефтехимическая; • автомобильная; Спецодежда: • для сварщиков; • для пожарных, • для подразделений МЧС.
Ткани технического назначения и нетканые материалы • изоляционные материалы; • тентовые материалы; • чехлы; • кошмы; • защитные экраны. • транспорт; • эвакуационные выходы; • инвентарь в пожарных частях.
Таблица 2. Способы огнезащитной отделки текстильных материалов
Способ Описание
Нанесение огнезащитных составов на ткани путем их пропитки Придание негорючести текстильному материалу по всему его объему: • для материалов, редко подвергающихся стирке, проводят пропитку растворами борной кислоты, солями борной кислоты (в т.ч. бурой), растворами диаммоний-фосфатов, некоторыми неорганическими соединениями; • для изделий, подвергающихся неоднократным стиркам, проводят пропитку растворами фосфорсодержащих (фосфоазот, галогеносодержащие) соединений, которые образуют в материале труднорастворимые соединения; • для материалов, не требующих сохранения эластичности и драпируемости, проводят пропитку жидким стеклом и аналогичными ему веществами.
Нанесение лакокрасочных материалов на поверхность ткани Осуществляется поверхностная защита текстильного материала, при которой он меняет цвет и приобретает огнезащитные свойства
Химическая модификация волокнооб-разующего полимера (введение в состав волокна замедлителя горения). Введение в состав текстильного полотна негорючих волокон на этапе ткачества. На этапе синтеза волокнообразующего полимера в его состав вводят антипирирующие добавки, увеличивающие огнестойкость. В полотно вплетаются огнестойкие нити или ткань полностью вырабатывается из них
Для исследования было подготовлено три огнезащитные композиции:
1) Состав №1: раствор Пироватекс - 30 мл, вода - 100 мл.
2) Состав №2:раствор Пироватекс - 30 мл, кремнийорганическая смола марки RUT 3010 (далее - КОС) - 5 мл, раствор уксусной кислоты CH3COOH 10%-ой - 0,5 мл, ПВА - 1 мл, вода - 100 мл.
3) Состав №3: раствор Пироватекс - 30 мл, порошок диоксида кремния марки «Кове-лос» - 1 г, раствор уксусной кислоты CH3COOH 10%-ой - 0,5 мл, вода - 100 мл.
В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений является применение кремнийорганической смолы в качестве активного агента в антипирирующих составах. За счет своих уникальных свойств смола дает
возможность придания комплексной защиты тканям, в том числе, и для спецодежды.
Как было ранее отмечено, обработка огнезащитным составом не должна ухудшать свойств ткани. В среднем привес обработанной ткани составил 29 %. Следует отметить, что ткань, обработанная составом с добавлением кремнийорганической смолы, приобрела еще и защиту от загрязнений, что является немаловажным при эксплуатации.
Определение огнезащитных свойств проводилось по методике ГОСТ 11209-2014 «Ткани для специальной одежды. Общие технические требования. Методы испытаний». Огнезащитной считают ткань, которая после удаления из пламени не горит и не тлеет.
Далее на фотографиях приведены результаты испытания тканей (рис. 1).
Состав №1 Состав №2 Состав №3
Рис. 1. Испытание образцов ткани на огнезащитные свойства
Испытания образцов показали наличие горения и тления материала только в течение 5 секунд, обугливание образца не превышало 1/3 длины, горения и тления не наблюдалось.
Поэтому ткани, обработанные всеми тремя
2
составами, можно считать огнестойкими .
При проведении испытаний при ограниченном распространении пламени согласно
3
методике стандарта определяется следующее: горение пробы, распространяющееся к краям; послесвечение; наличие расплавленных, светящихся остатков и образование дыр. Одновременно с этим регистрируют время остаточного горения пробы и время послесвечения испытываемой пробы (время, в течение
ГОСТ 11209-2014 Ткани для специальной одежды. Общие технические требования. Методы испытаний.
3 ГОСТ Р 12.4.200-99 Одежда специальная для защиты от тепла и огня. Метод испытаний при ограниченном распространении пламени.
которого проба продолжает светиться после прекращения горения или после удаления источника пламени). Полученные результаты сведены в табл. 3.
Как видно из результатов испытаний, все образцы ткани, обработанные предложенными составами, не распространяют пламя по поверхности полотна и горение не поддерживают.
Для более детального изучения огнезащитных свойств текстильных материалов проведен термогравиметрический анализ (ТГА). Ранее в работах [2-4] приводились данные, доказывающие применимость и наглядность указанного метода для оценки пожароопасных свойств текстильных материалов.
Как уже отмечалось, все три состава на основе Пироватекса придают ткани огнезащитные свойства. Однако материалы, пропитанные растворами антипирена с добавлением кремнийсодержащих соединений, показали более высокий результат по огнезащите, в частности, по значению времени самостоятельного горения. Поэтому на этапе термогра-
виметрического анализа целесообразно провести сравнение пожароопасных характеристик исходной необработанной ткани и ткани,
Термогравиметрические кривые получены на дифференциальном сканирующем калориметре Q 500 фирмы INTEC. Термогравиметрический анализ (ТГА) проводился в среде воздуха; скорость нагрева образцов составляла 3°С/мин; масса исследуемых образцов — 6-9 мг. Диапазон изменения температур составлял от 0оС до 700оС. Для обработки данных термогравиметрического исследования использовалось программное обеспечение с элементами статистической обработки данных и расчета характеристик ТГА.
В ходе проведения термического анализа фиксировались следующие показатели:
- потеря массы образца (в %) при значениях температур, соответствующих изменению характера хода кривой потери массы;
- температуры (°С) потери 5, 10, 20, 50 % массы;
- зольный остаток (в %) при температуре окончания процесса деструкции;
пропитанной составами № 2 (с добавлением кремнийорганической смолы) и № 3 (с добавлением диоксида кремния).
- температуры начала и окончания разложения образца (°С).
На основе полученных экспериментальных данных построена зависимость убыли массы исследуемых образцов от температуры и изменения характера теплового потока (рис. 2-4).
Сравнение приведенных на рис. 2, 3 и 4 данных свидетельствуют о значительном увеличении температуры окончания процесса термоокисления у образца, обработанного составом № 2 (с кремний органической смолой) (рис. 3) до 699,64оС (при потере массы 78,82 % от исходной). При этом для необработанного образца (рис. 2) термоокисление заканчивается при 449,57оС (при полной потере массы), а для образца, обработанного составом № 3 (с диоксидом кремния) (рис. 4) температура окончания термоокисления составляет 599,21 оС (при потере массы 90,01 %).
Таблица 3. Результаты испытаний образцов с огнезащитной отделкой, проведенный по ГОСТ Р 12.4.200-99
Регистрируемые параметры Испытания (средние показатели)
Состав №1: раствор Пироватекс - 30 мл Состав №2: раствор Пироватекс + кремнийорганиче ская смола + уксусная кислота + ПВА Состав №3: раствор Пироватекс + диоксид кремния + уксусная кислота
Время самостоятельного горения, с 1 0 0
Достижение нижней границы пламени верхнего или вертикального (бокового) края при испытаниях пробы не достигла не достигла не достигла
Образование дыр при испытаниях нет нет нет
Горение пробы или появление расплавленных остатков отсутствует отсутствует отсутствует
Распространение послесвечения за пределы площади распространения пламени (обычно обугленная площадь) на неповрежденную площадь не распространялось не распространялось не распространялось
Время послесвечения с точностью до целых чисел 0 0 0
Рис. 2. Термогравиметрические кривые для образца без огнезащитной обработки
Рис. 3. Термогравиметрические кривые для образца с огнезащитной обработкой составом № 2
Sample: 2 С Air Size: 4.2100 mg Method: DSC Heatflow
120
DSC-TGA
100-
80-
60-
40
20
0
File: C:\TA\Data\SDT\KMP\2 С Air.001
Run Date: 17-Feb-2021 14:27 Instrument: SDT Q600 V20.9 Build 20
200
400
Temperature (°C)
600
10
800
Universal V4.5A TA Instruments
Ехо ир
Рис. 4. Термогравиметрические кривые для образца с огнезащитной обработкой составом № 3
0
По термогравиметрической кривой можно определить температурные диапазоны протекающих в материале процессов. Термоокислительная деструкция целлюлозосодер-жащей ткани протекает в атмосфере воздуха, при этом можно выделить три температурных диапазонах:
1-й диапазон соответствует температурному интервалу 30-200°С. В данном температурном диапазоне образцы теряют сорбци-онную влагу, которая в зависимости от поверхностной плотности полотна, его толщины и вида ткацкого переплетения может составлять 4-7 % масс. Ход термогравиметрических кривых свидетельствует о том, что до температуры 200оС образцы не претерпевают каких-либо явных изменений. Имеются незначительные отличия в величине потери массы материала в указанном диапазоне температур: для необработанной ткани потеря массы составляет 3,233 %; образец, пропитанный составом № 2 (с кремнийорганической смолой),теряет 3,212 % массы; образец с составом № 3 (с диоксидом кремния) - 2,323 %. Последнюю величину можно объяснить тем, что состав № 3 со-
держит диоксид кремния диспергированный, но нерастворимый в воде, который, проникая в поры волокна, закупоривает влагу в его микропустотах.
2-й температурный диапазон лежит в пределах 200-450°С. После удаления влаги для целлюлозосодержащего материала, не обработанного растворами антипирена, характерно резкое увеличение потери массы, связанное с началом ее термоокислительной деструкции в диапазоне температур от 300-450°С. На данном этапе наблюдается потеря порядка 60-70 % массы для обработанных ан-типиренами образцов. Необработанная ткань полностью разрушается при температуре 449,57°С, в то время как образец, обработанный составом № 2 при указанной температуре теряет только порядка 56 % своей массы.
В 3-ем температурном диапазоне 450-600°С для всех трех образцов термоокисление сопровождается образованием зольного остатка, величина которого зависит от наличия или отсутствия в ткани антипирирующего состава: масса зольного остатка для необработанного образца составляет 100 % от исходной массы
образца при температуре порядка 450°С; для образца с составом № 2 - 79 % при 700°С и для № 3-90% при 600°С. То есть, для образцов с огнезащитной обработкой окончание процесса термоокисления смещается в область более высоких температур. Данные анализа также показывают, что обработка ткани огнезащитными составами приводит к уменьшению количества образующегося зольного остатка в случаях обработки ткани составами с содержанием кремнийорганических элементов при температуре, соответствующей 700°С.
Таким образом, исходя из полученных в результате термогравиметрического анализа данных, можно сделать вывод об эффективности состава № 2 «Пироватекс + кремнийорга-ническая смола» с точки зрения его защитных
Список литературы
1. Сырбу С. А., Федоринов А. С., Сали-хова А. Х. Сшивающие агенты для огнезащитных композиций на основе азотно-фосфорных антипиренов // Современные проблемы гражданской защиты. 2020. № 3 (36). С.115-124.
2. Использование методов термического анализа для оценки пожароопасных свойств текстильных материалов из целлюлозных волокон / В. Г. Спиридонова, О. Г. Циркина, А. В. Петров [и др.] // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2020. № 5 (389). С. 92-97.
3. Спиридонова В. Г., Циркина О. Г. Анализ методов оценки огнезащитных свойств текстильных материалов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. 2021. № 4 (394). С. 75-81.
4. Сравнительный анализ методик и средств оценки пожарной опасности полимерных материалов / В. Г. Спиридонова, О. Г. Циркина, А. Л. Никифоров [и др.] // Современные проблемы гражданской защиты. 2021. № 3 (40). С. 54 - 60.
References
1. Syrbu S. A., Fedorinov A. S., Salikhova A. H. Sshivayushchiye agenty dlya
свойств от воздействия на ткань высоких температур.
Следует отметить, что обработка ткани предлагаемыми составами не приводит к ухудшению физико-механических и теплофи-зических свойств материала. При обработке составом с содержанием кремнийорганической смолы материалу дополнительно придавались свойства влаго-, грязе- и маслоотталкивания.
Таким образом, полученные в ходе работы результаты свидетельствуют о том, что введение в состав раствора антипирена крем-нийсодержащих добавок в виде полиорганоси-локсановых смол приводит к повышению термостойкости обработанной ткани с одновременным улучшением и других потребительских характеристик материала.
ognezashchitnykh kompozitsiy na osnove azotno-fosfornykh antipirenov [Crosslinking agents for flame retardant compositions based on nitrogen-phosphorus flame retardants]. Sovremennyye problemy grazhdanskoy zashchity, 2020, vol. 3 (36), pp. 115-124.
2. Ispol'zovaniye metodov termicheskogo analiza dlya otsenki pozharoopasnykh svoystv tekstil'nykh materialov iz tsellyuloznykh volokon [The use of thermal analysis methods to assess the fire-hazardous properties of textile materials from cellulose fibers] / V. G. Spiridonova, O. G. Tsikina, A. V. Petrov [et al.]. Izvestiya vuzov. Technology of the textile industry, 2020, vol. 5 (389), pp. 92-97.
3. Spiridonova V. G., Tsirkina O. G. Analiz metodov otsenki ognezashchitnykh svoystv tekstil'nykh materialov [Analysis of methods for assessing the flame-retardant properties of textile materials]. Izvestiya vuzov. Technology of the textile industry, 2021, vol. 4 (394), pp. 75-81.
4. Sravnitel'nyy analiz metodik i sredstv otsenki pozharnoy opasnosti polimernykh materi-alov [Comparative analysis of methods and means of fire hazard assessment of polymer materials] / V. G. Spiridonova, O. G. Tsikina, A. L. Nikiforov [et al.]. Sovremennyye problemy grazhdanskoy zashchity, 2021, vol. 3 (40), pp. 54-60.
Салихова Аниса Хамидовна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново кандидат технических наук, доцент E-mail: [email protected]
Salikhova Anisa Khamidovna
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 technical sciences, associate professor
E-mail: [email protected]
Сырбу Светлана Александровна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
доктор химических наук, профессор
E-mail: [email protected]
Syrbu Svetlana Alexandrovna
Federal State Budget
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, Ivanovodoctor of chemistry sciences, professor 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 E-mail: [email protected]
Киселев Михаил Романович
Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, старший научный сотрудник
E-mail: [email protected]
Kiselev Mikhail Romanovich
Federal State Budgetary Institution of Science
«Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry. A. N. Frumkin
of the Russian Academy of Sciences»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, senior researcher
E-mail: [email protected]
