ВОПРОСЫ ПРИДАНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛАМ ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ И ПОЛИАМИДНЫХ ВОЛОКОН С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 614.841.411

ВОПРОСЫ ПРИДАНИЯ ОГНЕСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛАМ ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ И ПОЛИАМИДНЫХ ВОЛОКОН С ПРИМЕНЕНИЕМ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ

А. С. ФЕДОРИНОВ1, О. И. ОДИНЦОВА2, Е. Л. ВЛАДИМИРЦЕВА2, С. В. СМИРНОВА2, Р. Н. ДЕМИДОВ2, В. С. ШИЛКИНА2

1ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново ФГБОУ ВО Ивановский государственный химико-технологический университет, Российская Федерация, г. Иваново Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

В представленной работе проанализированы пожароопасные свойства и характер горения текстильных материалов из хлопкового и полиамидного волокон. Представлены испытания эффективности огнестойкой отделки целлюлозо- и полиамидсодержащих текстильных материалов препаратами российского производства на основе водорастворимых азотфосфорсодержащих соединений. Доказана эффективность использования ортофосфорной кислоты в качестве синергической добавки при огнезащитной отделке материалов препаратами торговой марки «Фламентол». Для огнезащитной отделки целлюлозосодержащих и полиамидсодержащих материалов разработаны эффективные композиции. Определены оптимальные концентрационные и температурно-временные параметры их использования.

Ключевые слова: пожарная опасность, текстильные материалы, целлюлозное волокно, полиамидное волокно.

QUESTIONS OF GIVING FIRE RESISTANCE TO MATERIALS FROM CELLULOSE AND POLYAMIDE FIBERS WITH THE APPLICATION OF DOMESTIC PREPARATIONS

A. S. FEDORINOV1, O. I. ODINTSOVA2, E. L. VLADIMIRTSEVA2, S. V. SMIRNOVA2, R. N. DEMIDOV2, V. S. SHILKINA2

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 Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo State University of Chemistry and Technology» Russian Federation, Ivanovo Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

In the presented work, the fire hazardous properties and the nature of combustion of textile materials made of cotton and polyamide fibers are analyzed. Tests of the effectiveness of fire-resistant finishing of cellulose and polyamide-containing textile materials with Russian-made preparations based on water-soluble nitrogen-phosphorus-containing compounds are presented. The efficiency of using o-phosphoric acid as a synergistic additive in the fire retardant finishing of materials with preparations of the Flamentol trademark has been proven. Effective compositions have been developed for fire retardant finishing of cellulose-containing and polyamide-containing materials. The optimal concentration and temperature-time parameters of their use have been determined.

Key words: fire hazard, textile materials, cellulose fiber, polyamide fiber.

© Федоринов А. С., Одинцова О. И., Владимирцева Е. Л., Смирнова С. В., Демидов Р. Н., Шилки-на В. С., 2020

Введение

Текстильные материалы используются во всех отраслях промышленности и в быту, являются неотъемлемой частью интерьера объектов жилищного, производственного и социально-культурного назначения. Выпускаемые промышленностью ткани, волокна, нетканые материалы в большинстве случаев легко воспламеняемые и горючие. Статистические данные свидетельствуют о том, что ежегодно в России происходит более 130 тысяч пожаров, приводящих к гибели 7-9 тыс. людей [1]. Частой причиной возникновения пожаров в жилых помещениях является возгорание одежды и элементов декора из текстиля.

В настоящее время систематическое повышение качества и безопасности текстильных материалов является одной из актуальных задач. Во многих случаях возникает потребность придать текстилю огнестойкие свойства.

Чтобы сократить потери материальных и людских ресурсов, ткани подвергают огнезащитной отделке.

Повысить устойчивость к огню текстильных материалов можно двумя путями:

1) создавая огнестойкие волокнообра-зующие полимеры, при добавлении в их состав веществ, препятствующих воспламенению и горению

2) обрабатывая материалы - волокна или ткани - водными растворами специальных препаратов - антипиренов.

Первый вариант характерен для химических волокон. Таким образом был получен ряд негорючих материалов. Однако в этом случае существует проблема ухудшения каче-

Для огнезащитной отделки использовали препараты фирмы ООО «ХимТехника» серии Фламентол на основе водорастворимых соединений азота и фосфора (табл. 2).

Обработку проводили в соответствии с рекомендациями фирмы производителя. Образцы тканей обрабатывали водным раствором, содержащим антипирен, концентрацию которого варьировали от 100 до 200 г/л. Отжим ткани составил 90%. Пропитку и отжим повторяли два раза, имитируя действие трехваль-ной плюсовки. Сушку и последующую термо-

ственных характеристик волокнообразующих полимеров и, в первую очередь снижение физико-механических показателей. Этот эффект связан с особенностью структуры волокнистых полимерных материалов, в частности с их чувствительностью к внесению посторонних примесей, которые могут негативно влиять на прочностные показатели. Второй вариант более универсален и подходит как для натуральных, так и для химических волокнистых материалов. Простота и доступность этого способа привели к тому, что он наиболее часто используется в отделочном производстве. И проблема в этом случае заключается в правильном подборе препарата, который должен легко наноситься и прочно закрепляться на обрабатываемом материале, обеспечивая при этом необходимые качественные показатели отделки.

Ассортимент препаратов для этих целей постоянно обновляется и пополняется новыми разработками. При этом актуальным является замена дорогостоящих импортных препаратов на отечественные аналоги без снижения качественных показателей отделки.

Цель исследования заключалась создание эффективных композиций для огнестойкой отделки целлюлозо- и полиамидсо-держащих текстильных материалов различного назначения на основе отечественных анти-пиренов.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования служили текстильные материалы, отличающиеся волокнистым составом, поверхностной плотностью и функциональным назначением. Их характеристики представлены в табл. 1.

обработку вели при температуре нарастающей от 100 до 150 0С в течение 5-7 минут. Испытания огнестойкости образцов проводились вертикальном пламени газовой горелки в шкафу с индивидуальной вытяжкой в соответствии с п. 7.21 ГОСТ1. Высота пламени составляла 30-40 мм. Пламя горелки защищено от движе-

1

ГОСТ 11209-2014 «Ткани для специальной

одежды. Общие технические требования. Методы испытаний».

Таблица 1. Используемые в работе текстильные материалы

№ Ткань Состав Характеристика

1 Лен отбеленный Лен 100 % Отбеленый, арт. 2С64-ШР, поверхностная плотность 150 г/м2

2 Авизент Хл. 100 % Суровый арт.6700, поверхностная плотность 393 г/м2

3 Трикотажное полотно ПА6:Хл. 75:25 Отбеленое, арт. ПЛ11-739, объемная плотность 739 г/м3

4 Лента ЛТК-26-600 ПА66 Арт. С43; Толщина (мм) - 2,31, линейная плотность 65,8 г/м

ния воздуха. Образец ткани вводят пинцетом в пламя горелки вертикально таким образом, чтобы нижний узкий край полоски погрузился в огонь на 20 мм. Время выдерживания ткани в пламени составляло 20-30 с (в зависимости от требований, предъявляемых к огнестойкости образцов). Огнестойкость материалов контро-

лировали по времени остаточного горения и высоте обугливания без учета высоты пламени. Кроме того, оценивалось время прожига материала раскаленным металлическим стержнем при температуре 350+5 0С.

Таблица 2. Препараты для огнестойкой отделки

№ Название Характеристика

1 Фламентол НМ На основе соединений аммония и фосфора. Мелкозернистый (с малыми гранулами) белый порошок. Растворяется в воде при интенсивном перемешивании

2 Фламентол С На основе соединений аммония и фосфора. Препарат в жидком агрегатном состоянии. Легко растворим в воде, и не образует на поверхности маслянистых пятен или других заметных признаков

3 Фламентол ОС На основе соединений аммония. Мелкозернистый (с малыми гранулами) белый порошок. Растворяется в воде при интенсивном перемешивании

Результаты исследования и их обсуждение

Выбор представленных в исследовании текстильных материалов не случаен и обусловлен тем, что все они в той или иной мере находят применение при оформлении мест общественного питания - кафе и ресторанов. Объекты отличаются природой волокнообра-зующего компонента и, следовательно, устойчивостью к огню. В литературе [2-4] несложно найти сведения о горючести текстиля различного волокнистого состава. Исходя из них, можно представить, что материалы, содержащие полиамидное волокно менее пожароопасны, чем целлюлозосодержащие: температура воспламенения у них в среднем 400 С, что примерно на 100 0С выше, чем у целлюлозных материалов. Кислородный индекс (КИ) тоже несколько выше: для целлюлозного волокна он составляет 17-20 %, а для полиамидного -20-23% [5]. Вместе с тем нельзя забывать про характер горения полиамидных текстильных материалов - при контакте с огнем волокно плавиться, что может усилить возникающие при пожаре травматические факторы.

Препараты Фламентол отечественного производства универсальны и предназначены для придания огнестойкой отделки широкому ассортименту текстильных материалов различного назначения. Отделку этими препаратами отличает низкая стоимость и достаточный уровень огнезащищенности при сравнительно низком содержании химических веществ в текстильном материале. Тем не менее, проведенные эксперименты показали, что даже при высоких концентрациях они не всегда обеспечивают требуемый уровень огнестойкости выбранных текстильных материа-

лов. В первую очередь это касается образцов из полиамидного волокна, которые, несмотря на отделку, моментально расплавляются при любом, даже самом кратковременном воздействии пламени (табл. 3). Неудовлетворительные результаты также были получены при оценке устойчивости к прожигу.

Для решения проблемы в композиции для отделки были введены химические соединения, положительно влияющие на огнестойкость волокнистых полимеров: карбамид и ор-тофосфорная кислота (ОФК). Были предложены следующие варианты добавок, повышающих эффективность отделки:

А - карбамид: ОФК 40:60; Б - карбамид :ОФК 50:50; В - карбамид :ОФК 60:40. Оценка полученных результатов показала, что в сочетании с соответствующими добавками эффективность препаратов «линейки» Фламентол в качестве антиперенов значительно возрастает. В частности, заметно улучшается стойкость испытуемых материалов к прожиганию. При проведении экспериментов был сделан ряд наблюдений, имеющих значение для разработки отделочной композиции для огнезащитной отделки:

- повышение концентрации карбамида в отделочном составе выше 100 г/л нецелесообразно. Поскольку, являясь гидротропным веществом, препарат удерживает воду, материал остается влажным даже после длительной сушки, что может вызвать проблемы при его хранении и эксплуатации. Особенно это заметно на материалах с высокой поверхностной плотностью, таких как Авизент и Лента ЛТК-26-600;

- присутствие на волокне ортофосфор- делает материал более тугоплавким - плавле-

ной кислоты в составе отделочной композиции ние замедляется.

Таблица 3. Результаты огнестойкой отделки

Материал Высота обугливания, мм Время остаточного горения, с

Исходный состав С добавкой А Исходный состав С добавкой А

Требуемые показатели

Льняная ткань (Лн) <10 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) <10 0

Авизент (Хл) <5 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) <5 0

Фламентол HM, конц. 100 г/л

Льняная ткань (Лн) 30 8 0 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) расплавился 6 - 0

Авизент (Хл) 40 2 2 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) расплавился 5 - 1

Фламентол HM, конц. 200 г/л

Льняная ткань (Лн) 0 4 0 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) расплавился 3 - 0

Авизент (Хл) 8 0 0 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) расплавился 0 - 0

Фламентол OC, конц. 100 г/л

Льняная ткань (Лн) 10 7 3 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) расплавился 5 - 1

Авизент (Хл) 13 0 6 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) расплавился 0 - 0

Фламентол OC, конц. 200 г/л

Льняная ткань (Лн) 6 1 0 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) 15 1 - 0

Авизент (Хл) 2 0 0 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) 10 0 - 0

Фламентол C, конц. 100 г/л

Льняная ткань (Лн) 12 5 0 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) 18 5 9 0

Авизент (Хл) 5 3 0 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) 6 3 4 0

Фламентол C, конц. 200 г/л

Льняная ткань (Лн) 8 3 0 0

Трикотажное полотно (Хл+ПА) 8 4 5 0

Авизент (Хл) 0 0 1 0

Лента ЛТК-26-600 (ПА) 2 0 0 0

Наиболее удачной с точки зрения повышения эффективности защиты оказалась добавка А, в которой преобладала ортофос-форная кислота. При введении этой добавки требуемые результаты отделки были достигнуты даже при минимальной концентрации основных препаратов - 100 г/л.

Однако при введении в состав только кислоты, без карбамида, результат оказался заметно хуже, что отражено на рис. 1, на котором в качестве примера приведены результаты стойкости к огню по высоте обугливания ткани Авизент с препаратами Фламентол НМ и Фламентол ОС с различными добавками. Ана-

логичные результаты с этими добавками были получены и для других исследуемых материалов. Вероятно это связано с синергическим эффектом, который возникает при сочетании промышленно выпускаемых препаратов с карбамидом и ОФК, что и обеспечивает требуемое качество отделки.

Полученный эффект подтвердили и результаты оценки кислородного индекса отделанных тканей. На рис. 2 представлены данные, полученные для хлопчатобумажной ткани авизент и ленты из полиамидного волокна, обработанных препаратом Фламентол ОС с концентрацией 200 г/л.

Добавки

■ Фламентол НМ ■ Фламентол ОС

40 -|

КИ

исходный материал Фламентол ОС Фломентол

ОС+добавка А

□ авизент □ лента ЛТК-26-600

Рис. 1. Результаты испытания огнестойкости ткани Авизент с препаратами Фламентол НМ и Фламентол ОС

Рис. 2. Кислородный индекс исходных и отделанных материалов

Выводы: Итогом проведенных экспериментов стала разработка композиции, включающей г/л: препарат Фламентол НМ для целлюлозных материалов или препарат Фламен-тол ОС для материалов из полиамидного волокна или смеси полиамидного и целлюлозного волокон - 100; добавка А - 50. Материал

пропитывается композицией и сушится при температуре от 100 до 150 0С. Достигнутые показатели огнестойкости соответствуют требованиям, предъявляемым к обрабатываемым текстильным материалам в соответствии с ГОСТ.

Список литературы

1. Поддубный Е. Н., Струженков А. Н. Учет пожаров и их последствий в Российской Федерации в 2019 году // Безопасность техногенных и природных систем. 2019. № 2. https://cyberlenmka.m/artide/n/uchet-pozharov-i-ih-posledstviy-v-rossiyskoy-federatsii-v-2019-godu (дата обращения: 5.11.2020).

2. Перепелкин К.Е. Горючесть волокон и текстиля - одна из важнейших характеристик опасности/безопасности // Известия высших учебных заведений. Технология легкой промышленности. 2009. Т. 4. № 2. С. 22-28.

3. Hilado C.J. Flammability of Fabric. Technomie Publ. Co. N.Y., 1974. 200 p.

4. Баратов А. Н., Константинова Н. И., Молчадский И. С. Пожарная опасность текстильных материалов. М., 2006. 271 с.

5. Шарнина Л. В., Пуганов М. В., Вла-димирцева Е. Л. Проблема пожарной опасности текстильных материалов // Вестник Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 1: Естественные и технические науки. 2019. № 3. С. 63-66.

References

1. Poddubnyj E. N., Struzhenkov A. N. Uchet pozharov i ih posledstvij v Rossijskoj Fed-eracii v 2019 godu [Accounting for fires and their consequences in the Russian Federation in 2019]. Bezopasnost' tekhnogennyh i prirodnyh sistem, 2019, issue 2. https://cyberleninka.ru/article/ n/uchet-pozharov-i-ih-posledstviy-v-rossiyskoy-federatsii-v-2019-godu (data obrashcheniya: 5.11.2020).

2. Perepelkin K. E. Goryuchest' volokon i tekstilya - odna iz vazhnejshih harakteristik opas-nosti/bezopasnosti [Flammability of fibers and textiles is one of the most important hazard / safety characteristics]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Tekhnologiya legkoj promyshlennosti, 2009, vol. 4, issue 2, pp. 22-28.

3. Hilado C. J. Flammability of Fabric. Technomie Publ. Co. N.Y., 1974. 200 p.

4. Baratov A. N., Konstantinova N. I., Molchadskij I. S. Pozharnaya opasnost' tekstil'nyh materialov [Fire hazard of textile materials]. M.: 2006.271 p.

5. SHarnina L. V., Puganov M. V., Vladi-mirceva E. L. Problema pozharnoj opasnosti tekstil'nyh materialov [The problem of fire hazard of textile materials]. Vestnik Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo universiteta tekhnologii i dizajna. Seriya 1: Estestvennye i tekhnicheskie nauki, 2019, issue 3, pp. 63-66.

Федоринов Александр Сергеевич

ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,

Российская Федерация, г. Иваново

заместитель начальника академии по учебной работе

E-mail: [email protected]

Fedorinov Alexander Sergeevich

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

deputy chief for educational work

E-mail: [email protected]

Одинцова Ольга Ивановна

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет», Российская Федерация, г. Иваново доктор технических наук,

заведующий кафедрой химической технологии волокнистых материалов E-mail: [email protected] Odintsova Olga Ivanovna

Ivanovo State University of Chemistry and Technology Russian Federation, Ivanovo doctor of technical science,

Head of the Department of Chemical Technology fibrous materials E-mail: [email protected]

Владимирцева Елена Львовна

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет»,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат технических наук, доцент

E-mail: [email protected]

Elena Lvovna Vladimirtseva

Ivanovo State University of Chemistry and Technology Russian Federation, Ivanovo candidate of technical sciences, assistant professor E-mail: [email protected]

Смирнова Светлана Викторовна

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет»,

Российская Федерация, г. Иваново

кандидат технических наук, доцент

E-mail: [email protected]

Smirnova Svetlana Victorovna

Ivanovo State University of Chemistry and Technology

Russian Federation, Ivanovo

candidate of technical sciences, assistant professor

E-mail: [email protected]

Демидов Роман Николаевич

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет»,

Российская Федерация, г. Иваново

студент

Demidov Roman Nikolaevch

Ivanovo State University of Chemistry and Technology

Russian Federation, Ivanovo

student

Шилкина Валерия Сергеевна

ФГБОУ ВО «Ивановский государственный химико-технологический университет»,

Российская Федерация, г. Иваново

студент

Shilkina Valeria Sergeevna

Ivanovo State University of Chemistry and Technology

Russian Federation, Ivanovo

student