Встановлення ефективності вогнезахисту деревини органо-неорганічною композицією Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

3. ТЕХНОЛОГИЯ ТА УСТАТКУВАННЯ

m

нлты

ы КРАЖИ L «bjHTÜ» ;

»irnieft®

Науковий BicH и к Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280519

Article received 20.05.2018 р. Article accepted 31.05.2018 р.

УДК 691.620:197

ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)

@ El Correspondence author Yu. V. Tsapko juriyts@ukr.net

Ю. В. Цапко, О. Ю. Цапко

Нацюнальний утверситет бюресурав i природокористування Украши, м. Кшв, Украта

ВСТАНОВЛЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 ВОГНЕЗАХИСТУ ДЕРЕВИНИ

ОРГАНО-НЕОРГАН1ЧНОЮ КОМПОЗИЦИЮ

Опис поведшки вогнезахисних засобiв у момент формування тещтзоляцшно! структури е окремим i складним завдан-ням, а просочення характеризуеться розкладом антитрешв пiд дiею температури з поглинанням тепла та видiленням негорючих газiв, гальмування окислення в газовш i конденсованiй фазi та утворенням на поверхнi деревини теплозахисного шару коксу. Наведено результати дослщження процесу термодеструкцп деревини сосни i визначено термограми 11 розкладу та встановлено, що кiнетика процесу розкладу деревини вогнезахисно! композицiею '^кек-Г' змщуеться у напрямку високих температур, iз коксовим залишком у 4 рази бшьшого нiж для необроблено! деревини. Експериментально встановлено, що пiд дiею теплового потоку на вогнезахищенi зразки вiдбуваеться iнтенсивне видiлення iнертних газiв та зменшення горючих, що доводить про ефектившсть вогнезахисту. Шсля випробувань виявлено, що iнтенсивнiсть утворення негорючих газiв перемщуеться у сторону тдвищено! температури з утворенням шнококсу. Газохроматографiчними дослiдженнями аналiзу летких продукта пiролiзу вогнезахищених зразкiв виявлено збшьшення негорючих газiв у 8 разiв та зменшення вмiсту горючих - понад 50 %. Здшснено дослiдження з визначення групи горючост деревини та встановлено зменшення у 3 рази втрати маси зразюв захищено! деревини, порiвняно з необробленими, а температура димових газiв становила менше 165°С.

Ключовi слова: деревина; термодеструкщя деревини; леткi продукти горшня; пiролiз; втрата маси.

Вступ. Вогнезахист деревини катлярним просочен-ням забезпечуе високу вогнезахисну ефективнiсть i повинен створити умови досягнення необхщноТ якостi за-хисного покриття i тривалостi безпечно! експлуатацп об'ектiв. Вщомо також, що деревина не здатна до полу-меневого горiння сама по соб^ лише пiд дiею температури горять продукти 11 розкладу (Tsapko, & Tsapko, 2017). Останшм часом поширились засоби, що здатш до утворення на поверхш будiвельноl конструкцп теп-лоiзоляцiйного шару, який значно знижуе процеси пе-редачi тепла до матерiалу (Крепко, et а1., 2016; Tsap-ко, & Tsapko, 2017; Tsapko, et а1., 2016). Введення в деревину антитрешв зменшуе шльшсть утворення горючих летких продукпв, iнгiбуе газофазнi реакцп полум'я i виключае безполуменеве горiння карбонiзованого за-лишку.

Для комплексного захисту деревини вщ загоряння запропоновано невелику шльшсть препарапв, зокрема сумiш сульфату амонiю, дiамонiйфосфату i фтористого натрiю (вогнезахисна композищя МС, ДСА), або орто-борату натрш i борно! кислоти (вогнезахисна композищя ББ), та сумш карбонату натрш i борно! кислоти

(вогнезахисна композищя БС). Але вони мають ютот-ний недолiк, а саме: пiд час зволоження деревини вог-незахиснi речовини розчиняються у вологому середови-щi й поступово вимиваються на поверхню, а тодi з часом вогнезахисний ефект знижуеться, що потребуе роз-роблення нових композицiй, як1 знижують наведен ви-ще негативнi явища (Simone, et al., 2016; Md J. Nine, et al., 2017; Ciripi, Wang & Rogers, 2016). У випадку засто-сування органо-неорганiчноï системи шсля випарову-вання вологи з деревини на поверхш утворюеться поль мерна плiвка, яка перешкоджае виходу антипiрену з деревини та тдвищуе вогнезахисну ефективнiсть.

Враховуючи, що ефектившсть вогнезахисного засо-бу для конкретного матерiалу визначаеться рiвнем ï\ вогнезахисноï здатностi та зумовлюеться:

• розкладом антитрешв тд дiею температури з поглинанням тепла та видшенням негорючих газ1в;

• змшою направленна розкладу деревини в сторону утворення негорючих газiв i важкогорючого коксового залишку;

• гальмування окислення в газовш i конденсованш фазц

• утворенням на поверхн деревини теплозахисного шару коксу (Carosio, et al., 2015; Tsapko, & Tsapko, 2017, 2018).

1нформащя про aBTopiB:

Цапко Юрiй Володимирович, д-р техн. наук, ст. наук. ствробЬник, професор, кафедра технолопй та дизайну виробiв з

деревини. Email: juriyts@ukr.net; https://orcid.o rg/0000-0003-0625-0783 Цапко Олексiй Юрiйович, астрант, кафедра технологiй та дизайну виробiв з деревини. Email: alekseytsapko@gmail.com;

https://orcid.org/0000-0003-2298-068X Цитування за ДСТУ: Цапко Ю. В., Цапко О. Ю. Встановлення ефективностi вогнезахисту деревини органо-неорганiчною

композищею. Науковий вiсник НЛТУ УкраТни. 2018, т. 28, № 5. С. 88-92. Citation APA: Tsapko, Yu. V., & Tsapko, А. Yu. (2018). Determination of the efficiency of wood fire protection by organic-inorganic composition. Scientific Bulletin of UNFU, 28(5), 88-92. https://doi.org/10.15421/40280519

о

СП

Ь

<

N) О

N) 00

(Т> 3

СП с

3

о

N) О

< О

N) 00

3

О

СО чО

Температура, Т°С

У зразку незахищено! деревини поряд з ендотермiч-ними процесами пiролiзу (вщщеплення летких продук-тiв) навiть за порiвняно невисоких температур вщбува-ються екзотермiчнi окиснювальнi процеси, про що свщ-чить хiд криво! DTA в обласгi першого пiка криво! DTG (див. рис. 2, а), а саме наявнiсть помпного екзо-ефекту.

Вiдзначають також наявшсть двох iстотно вiдмiнних стадiй деструкцп у процесi нагрiвання дослiджуваного зразку незахищено! деревини, а саме характерною е стащя iнтенсивно!' втрати маси до температур 370390 оС, яка може бути зумовлена утворенням i полуме-невим горiнням газоподiбних продуктiв, та повiльнiша стадiя (за вищих температур - пiсля того, як величина ввдносно! втрати маси вже досягла 60-70 %), яка зумовлена здебшьшого вигорянням карбошзованого залишку i характеризуеться бiльшим екзотермiчним ефектом. Таке спiввiдношення величин термiчних ефектiв спос-терiгаемо, очевидно, внаслщок того, що полуменеве го-ршня (перша стадiя) вiдбуваеться переважно за межами тигля i значно менше впливае на показания термопари, шж гетерогенний процес окислення карбонiзоваиого залишку на меж1 роздiлу "тверда речовина - газ" (друга стащя).

Окремого аналiзу потребують змiни характеру кри-вих термогравiметричного аналiзу зразшв деревини (особливо кривих TG i DTA), що проявляються для деревини, оброблено! композицiею '^ке1а-Г' (див. рис. 2, б). Для них вщзначено рiзну температуру початку термоокиснювально! деструкцi! деревини: 200-205 °С - для деревини, оброблено! вогнезахисними засоба-ми на основi фосфапв та сульфатiв амонiю та 230-250 °С - для деревини, оброблено! вогнезахисними суммами карбонату натрш i борно! кислоти та ортоборату натрш i борно! кислоти i температура, за яко! спостерь гаемо максимальну швидк1сть деструкцi! (210-325 °С); величина цiе! швидкостi також ютотно не змiнюеться (максимальнi вiдхиления вщповщних кривих DTG близью за величиною). Натомють процеси деструкцi! на другш стадi! значною мiрою залежать вщ природи вог-незахисно! композицi!: в мiру !! вогнезахисно! дi! спо-вiльнюеться втрата маси. Вiдповiдио змшюеться i виг-ляд кривих DTA, а саме зменшуеться висота i збшь-шуеться ширина пiкiв, яш характеризують протiкания екзотермiчних перетворень, внаслвдок чого заинчення процесу термоокиснювально! деструкцп фжсуеться за вищих температур.

Така вiдмiннiсть впливу вогнезахисних засобiв на протiкания деструкцп на рiзних стадiях зумовлюеться рiзними механiзмами, за якими вiдбуваеться втрата маси зразшв. Якщо на першш стадi! вiдбуваеться переважно пiролiз iз вiдщеплениям летких продукпв, швидк1сть якого не залежить вщ подальших хiмiчних перетворень цих продукпв, то на другiй стадi! швидшсть втрати маси визначаеться кинетикою взаемодi! карбонiзоваиого залишку з окисником.

Одним iз методiв, який дае змогу дослвдити утво-рення летких продуктiв вогнезахищено! деревини, е га-зохроматографiчний аналiз. Необхщно зазначити, що найвищий вмiст летких компоненпв визначаеться у га-зоподiбних продуктах, як1 утворюються внаслвдок тро-лiзу (термiчного розкладу без доступу повиря).

З урахуванням результатiв термограыметричних дослвджень процес термодеструкцi! зразк1в рослинно! сировини проводили в умовах, за яких утворення газо-подiбних продуктiв вiдбуваеться з найбшьшою швид-к1стю. 1нтенсивне газовидiления починалось за темпе-ратури 200-215 °С, за участi екзотермiчних процесiв температура зразка швидко зростала до 310-350 °С. Основна к1льк1сть (понад 90 %) продуктiв пiролiзу надхо-дила в газозбiрник у дiапазонi 210-420 °С, у якому, за даними термограыметричного аналiзу, деструкцiя ввд-буваеться за мехаиiзмом вiдщепления летких продукпв.

Результати газохроматографiчного аналiзу одержа-них горючих газових сумiшей наведено в таблищ. Як видно з таблищ, тсля пiролiзу необроблено! та оброблено! деревини вогнезахисною композищею '^ке1а-Г', сумiшi продуктiв деструкцi! етотно вiдрiзияються за вмiстом азоту, дюксиду вуглецю та к1льк1стю горючих газiв. Так, для деревини, оброблено! вогнезахисною композищею, шльшсть азоту збiльшилась бшьше, нiж у 80 разiв, кшьшсть горючих газiв знизилась у понад чо-тири рази, зокрема метану. Але з отриманих термогра-вiметричних дослвджень важко визначити ту чи шшу групу вогнезахисно! ефективностi, що вщповвдае про-сочувальному засобу, тому було проведено вщповщш термiчнi дослщження.

Таблиця. Якiсний i кiлькiсний склад продукпв

TepMi4Ho'f деструкцй' деревини

Вм1ст компонент^ у летких продуктах

Компонент деструкцп, % об.

соснова соснова деревина, оброблена вогне-

деревина захисною композищею Skela-i

CO 39,08 10,76

CO2 51,93 не виявлено

CH4 6,05 сл1ди

C2H + C2H4 0,45 не виявлено

C3H8 0,19 не виявлено

C3H6 0,32 не виявлено

Н2 0,73 0,02

О2 0,26 не виявлено

n2 0,99 89,22

З метою встановлення вiдповiдностi вогнезахисних властивостей деревини, оброблено! вогнезахисною композищею '^ке1а-Г', проведено експериментальнi досль дження для визначення групи горючостi деревини, зокрема оброблено! за методикою, наведеною у ^арко & Tsapko, 2017).

Результати дослiджения iз визначення втрати маси зразк1в i приросту максимально! температури газопо-дiбних продукпв горшня деревини та захищено! сумш-шю '^ке1а-Г' наведено на рис. 3, 4.

65,1

III 4,2

////// V / / / / / \

Оброблення

Рис. 3. Втрата маси зразюв (Am, %) деревини: 1) необроблена; 2) вогнезахищена сумшшю "Skela-i"

и-

О 50 100 150 200 250 300 Рис. 4. Динамжа зростання температуры димових газ1в тд час випробувань деревини: 1) необроблена; 2) вогнезахищена су-м1шшю "Skela-i"

Встановлено зменшення у 15 разiв втрати маси зраз-юв захищено1 деревини, порiвняно з необробленими. За початково1 температури газоподiбних продукта горш-ня Т = 200°С, пiд час aîï полум'я пальника на захищений зразок сушшшю "Skela-i", температура становила Т < 160°С.

Обговорення отриманих результат1в. Вогнезахист деревини тд термiчною дiею високотемпературного полум'я, на що вказують результати дослщження (див. рис. 2, табл.), призводить до утворення негорючих газiв i важкогорючого коксового залишку. Пiд дiею температури, леткi продукти розкладу характеризуються утво-ренням iнертних компонента. Це зумовлено мехатз-мом роботи покриття з утворенням шару тнококсу, який уповiльнюе процеси теплопереносу. Вочевидь, та-кий механiзм впливу е чинником регулювання ступеня захисту й ефективност теплоiзолювання матерiалу. Це погоджено з даними, вiдомими з робгт (Simone, et al., 2016; Carosio, et al., 2015), автори яких теж пов'язують змiну процесу димоутворення пiд час оброблення вог-незахисним засобом. На вiдмiну вiд результата досль джень (Md J. Nine, et al., 2017; Ciripi, Wang & Rogers, 2016), отриман дат щодо впливу покриття на процес утворення коксу i змши теплоiзолювальних властивос-тей дають змогу стверджувати, що основним регулятором процесу теплоiзолювання е не тшьки формування шару коксу на поверхн деревини, а i термостшюсть вогнезахисного покриття. Окрiм цього, ктотний вплив на процес переходу горючого матерiалу пiд час застосу-вання вогнезахисного засобу здiйснюе перехщ до групи важкозаймистих матерiалiв.

Результати визначення переходу деревини пiд дiею просочення у важкогорючий матерiал та утворення теп-лоiзоляцiйного шару (рис. 4, 5) вказують на неодноз-начний вплив захисту. Зокрема це передбачае наявшсть даних, достатнiх для яюсного проведення процесу вог-незахисту та виявлення моменту, з якого починаеться зниження теплостiйкостi. Таке виявлення дасть змогу дослiдити перетворення поверхнi покриття, що перемь щуеться у сторону пiдвищеноï температури з утворенням коксу, та визначити Ti змiннi, що ютотно вплива-ють на початок перетворення цього процесу (Tsapko & Tsapko, 2017, 2018).

Висновки. Проведено дослiдження механiзму вог-незахисту деревини просочувальними засобами тд час утворення теплоiзолювального шару коксу, Визначено летк продукти горiння та отримано змшу компонентiв

пiсля вогнезахисту, що дають змогу одержувати леткi продукти горшня вогнезахисного покриття пiд час впливу температури. За отриманими даними встановлено, що тд час термiчного розкладу вогнезахищено1 деревини знижуються горючi гази у понад 50 % та тдви-щуються шертт гази у бiльш нiж 8 разiв. Випробуван-ня на модельних зразках вогнезахищено1 деревини показали, що просочення характеризуемся розкладом ан-типiренiв пiд дiею температури з поглинанням тепла та видiленням негорючих газiв, гальмування окислення в газовш i конденсованiй фазi та утворенням на поверхт деревини теплозахисного шару коксу. Так, покриття матерiалу внаслщок ди високо1 температури сприяе ут-воренню теплоiзолювального шару коксу, що запобтае вигоранню деревини i проходженню високо1 температури до матерiалу. Це свiдчить про можливiсть спрямо-ваного регулювання процесiв передавання температури шляхом використання вогнезахисного засобу.

Перелж використаних джерел

Carosio, F., Kochumalayil, J., Cuttica, F., Camino, G., & Berglund, L.

(2015). Oriented Clay Nanopaper from Biobased Components Mechanisms for Superior Fire Protection Properties. Washington: ACS Appl. Mater. Interfaces, 7(10), 5847-5856. https://doi.org/10.1021/am509058 h

Ciripi, B. K., Wang, Y. C., & Rogers, B. (2016). Assessment of the thermal conductivity of intumescent coatings in fire. Fire Safety Journal 81, 74-84. https://doi.org/10.1002/fam.2137 Krüger, S., Gregor, J., Gluth, G., Watolla, M.-B., Morys, M., Häßler, D., & Schartel, B. (2016). Neue Wege: Reaktive Brandschutzbeschichtungen für Extrembedingungen. Berlin, Bautechnik, 93/8, 531-542. https://doi.org/10.1002/bate.201600032 Kryvenko, P., Tsapko, Ju., Guzii, S., & Kravchenko, A. (2016). Determination of the effect of fillers on the intumescent ability of the organic-inorganic coating of building constructions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5/10(83), 26-31. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.79869 Md J. Nine, Diana, N. H. Tran, Tran Thanh Tung, Shervin Kabiri, & Dusan Losic. (2017). Graphene-Borate as an Efficient Fire Retardant for Cellulosic Materials with Multiple and Synergetic Modes of Action. School of Chemical Engineering, The University of Adelaide, ACS Appl. Mater. Interfaces, Australia, 9(11), 10160-10168. https://doi.org/10.1021/acsami.7b00572 Tsapko, Ju., & Tsapko, А. (2017). Establishment of the mechanism and fireproof efficiency of wood treated with an impregnating solution and coatings. East European Journal Enterprise Technologies, 3/10(87), 50-55. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.102393 Tsapko, Ju., & Tsapko, А. (2017). Simulation of the phase transformation front advancement during the swelling of fire retardant coatings. East European Journal Enterprise Technologies, 2/11(86), 50-55. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.73542 Tsapko, Ju., Guzii, S., Remenets, M., Kravchenko, A., & Tsapko, О.

(2016). Evaluation of effectiveness of wood fire protection upon exposure to flame of magnesium. East European Journal Enterprise Technologies, 4/10(82), 31-36. https://doi.org/10.15587/17294061.2016.73543

Tsapko, Yu., & Tsapko, А. (2017). Influence of dry mixtures in a coating on the effectiveness of wood protection from the action of a magnesium flame. East European Journal Enterprise Technologies, 5/10(89), 55-60.

https://doi.org/10.15587/17294061.2017.111106 Tsapko, Yu., & Tsapko, А. (2018). Modeling a thermal conductivity process under the action of flame on the wall of fire-retardant reed.

East European Journal Enterprise Technologies, 2/10(92), 50-55. https://doi.org/10.15587/17294061.2018.128316

Ю. В. Цапко, О. Ю. Цапко

Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины, г. Киев, Украина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОГНЕЗАЩИТЫ ДРЕВЕСИНЫ ОРГАНО-НЕОРГАНИЧЕСКОЙ КОМПОЗИЦИЕЙ

Описание поведения огнезащитных средств в момент формирования теплоизоляционной структуры является отдельной и сложной задачей, а пропитка характеризуется разложением антипиренов под действием температуры с поглощением тепла и выделением негорючих газов, торможение окисления в газовой и конденсированной фазе и образованием на поверхности древесины теплозащитного слоя кокса. Приведены результаты исследования процесса термодеструкции древесины сосны, определены термограммы ее разложения и установлено, что кинетика процесса разложения древесины огнезащитной композицией "Skela-i", смещается в направлении высоких температур, с коксовым остатком в 4 раза больше чем для необработанной древесины. Экспериментально установлено, что при воздействии теплового потока на огнезащищенные образцы проходит интенсивное выделение инертных газов и уменьшение горючих, что доказывает эффективность огнезащиты. При проведенных испытаниях обнаружено, что интенсивность образования негорючих газов перемещается в сторону повышенной температуры с образованием пенококса. Газохроматографические исследования анализа летучих продуктов пиролиза огнезащищенных образцов показали увеличение негорючих газов в 8 раз и уменьшение содержания горючих - более 50 %. Проведены исследования по определению группы горючести древесины и установлено уменьшение в 3 раза потери массы образцов защищенной древесины по сравнению с необработанными, а температура дымовых газов составляла меньше 165 °С.

Ключевые слова: древесина; термодеструкция древесины; летучие продукты горения; пиролиз; потеря массы.

Yu. V. Tsapko, А. Yu. Tsapko

National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

DETERMINATION OF THE EFFICIENCY OF WOOD FIRE PROTECTION

BY ORGANIC-INORGANIC COMPOSITION

Revelation of mechanism of functioning of coating within wood building constructions is to allow estimation of operating conditions of goods and determination of efficiency of application of methods and means of fire retardant treatment. Therefore determination of fire retardants behaviour at the moment of heat insulating structure is separate and complicated task and covers in general the two stages of heat protection process: both heat transfer and further swelling of coating taking place at fire retardant treatment. For this reason necessity arose in studying conditions of barrier formation for heat conduction and identification of fire retardant functioning mechanism of the layer of coke formed. Therefore, studying of fire retardant treatment functioning mechanism and identification of its efficiency were conducted when using impregnating solution. Testing was conducted using specimens of wood having not been treated as well as ones having been treated with "Skela-i" composition for fire retardant treatment. Thermogravimetric research of the processes of wood thermal destruction was conducted using Q-1500 D derivatograph. Qualitative and quantitative composition of these mixtures was determined by gas chromatography method using LKhM-7A gas chromatograph. We determined that pyrolysis process of specimens of wood having been subjected to fire retardant treatment occurred within wide temperature range of 160 to 430 °C accompanied by formation of coke residue amount of which was 6 times greater than that in case of wood having not been subjected to fire retardant treatment. We revealed that formation of volatile combustion products at high temperature in case of coating availability occurred with lowering of combustible gases evolution by more than 50 % and increasing of inert gases evolution more than 8 times. The results of determination of fire retardant treatment efficiency showed that in case of influence of high temperature flame burning-out rate of the material and wood mass loss lower by more than 15 times due to formation of non-combustible gases and hardly combustible coke residue; at that time interval to reaching limiting temperature becomes greater, too. Initial temperature of gaseous combustion products being equal to 200 °C, temperature was lower than 160 °C at the time of impact of flame upon the specimen having been treated with "Skela-i" composition. The coating promotes formation of heat-insulating layer of coke under conditions of high temperature influence, and this prevents wood burning-out and transfer of high temperature to the material. In general, the efficiency of fire retardant treatment of wood showed that the products belonged to hardly combustible materials.

Keywords: wood; thermal destruction of wood; volatile combustion products; pyrolysis; loss of weight.