Встановлення ефективності вогнезахисту деревини органо-неорганічною композицією

Размещено на http://www.allbest.ru/

Встановлення ефективності вогнезахисту деревини органо-неорганічною композицією

Вступ

теплоізоляційний просочення деревина

Вогнезахист деревини капілярним просоченням забезпечує високу вогнезахисну ефективність і повинен створити умови досягнення необхідної якості захисного покриття і тривалості безпечної експлуатації об'єктів. Відомо також, що деревина не здатна до полу- меневого горіння сама по собі, лише під дією температури горять продукти її розкладу ^арко, & Tsapko,.

Останнім часом поширились засоби, що здатні до утворення на поверхні будівельної конструкції теплоізоляційного шару, який значно знижує процеси передачі тепла до матеріалу (Клепко, et аі., 2016; Tsap- ко, & Tsapko, 2017; Tsapko, et аі., 2016). Введення в деревину антипіренів зменшує кількість утворення горючих летких продуктів, інгібує газофазні реакції полум'я і виключає безполуменеве горіння карбонізованого залишку.

Для комплексного захисту деревини від загоряння запропоновано невелику кількість препаратів, зокрема суміш сульфату амонію, діамонійфосфату і фтористого натрію (вогнезахисна композиція МС, ДСА), або ортоборату натрію і борної кислоти (вогнезахисна композиція ББ), та суміш карбонату натрію і борної кислоти вогнезахисна композиція БС). Але вони мають істотний недолік, а саме: під час зволоження деревини вог- незахисні речовини розчиняються у вологому середовищі й поступово вимиваються на поверхню, а тоді з часом вогнезахисний ефект знижується, що потребує розроблення нових композицій, які знижують наведені вище негативні явища (Simone, et al., 2016; Md J. Nine, et al., 2017; Ciripi, Wang & Rogers, 2016). У випадку застосування органо-неорганічної системи після випаровування вологи з деревини на поверхні утворюється полімерна плівка, яка перешкоджає виходу антипірену з деревини та підвищує вогнезахисну ефективність.

Враховуючи, що ефективність вогнезахисного засобу для конкретного матеріалу визначається рівнем їх вогнезахисної здатності та зумовлюється:

• розкладом антипіренів під дією температури з поглинанням тепла та виділенням негорючих газів;

• зміною направлення розкладу деревини в сторону утворення негорючих газів і важкогорючого коксового залишку;

• гальмування окислення в газовій і конденсованій фазі;

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

Тому з метою встановлення доцільності застосування нових засобів захисту деревини необхідно дослідити механізм вогнезахисної ефективності антипіренів на основі органо-неорганічної суміші для деревини за допомогою термічного, хроматографічного аналізу та встановити групу горючості вогнезахищеної деревини.

Матеріал і методи дослідження. Для встановлення горючості деревини, використовували зразки деревини, необроблений та які оброблювали вогнезахисною композицією на основі органо-неорганічної суміші '^кеїа- і" за ТУ У 20.5-40778227-002:2017 (рис. 1).

Рис. 1. Модельні зразки вогнезахищеної деревини: а) необроблений, б) оброблений вогнезахисною композицією "Skela-i"

Для піролізу вогнезахищеного матеріалу використовували зразки деревини середніми розмірами 10x10 мм і висотою 10 мм, які оброблено вогнезахисним покриттям, наведеним вище.

З метою визначення області температур, за яких термічна деструкція матеріалів відбувається найбільш інтенсивно, проводили попереднє термогравіметричне дослідження процесів термічної деструкції в динамічному режимі із застосуванням дериватографа Q-1500 D. Якісний і кількісний склад цих сумішей визначали газохроматографічним методом із використанням газового хроматографа ЛХМ-7А. Досліджували зразки тирси соснової деревини, а також обробленої вогнезахисною композицією в атмосфері повітря нормального складу (вміст кисню - 21 % об.). У всіх дослідах маса зразка становила 190 мг, швидкість нагрівання - 5 градусів на хвилину, зразок порівняння - порошок а-корунду, матеріал тиглів - алунд, чутливість гальванометрів: DTA - 250 мкВ, DTG - 500 мкВ.

Для одержання газоподібних продуктів термічної деструкції розроблено і виготовлено спеціальне обладнання на базі трубчатої електричної печі з терморегулятором. Дослідження з визначення групи горючості деревини, так і обробленої просочувальним розчином, проводили згідно з (Tsapko & Tsapko, 2017). Суть методу випробувань експериментального визначення групи важкогорючої деревини полягає у впливі на зразок, що розташований в установці, полум'я пальника або радіаційної панелі зі заданими параметрами.

Під час проведення експериментальних досліджень з визначення групи горючості фіксується максимальний приріст температури газоподібних продуктів горіння (Ді) та втрата маси зразка (Дт).

За результатами випробувань матеріали класифікують як:

• важкогорючі - Ді < 60 ^оС та Дт < 60 %;

• горючі - Ді > 60 ^оС чи Дт > 60 %.

Рис. 2. Криві термогравіметричного аналізу зразків соснової деревини в нормальній повітряній атмосфері: а) необроблені, б) оброблені вогнезахисною композицією Бкеїа-і

Результати дослідження

Безпосередні дані щодо процесів, що відбуваються у зразках матеріалів під час їх нагрівання в динамічному режимі, одержано внаслідок термогравіметричних досліджень.

Результати аналізу досліджуваних матеріалів зображено на (рис. 2).

У всіх досліджених зразках за температур до 100 °С відбуваються ендотермічні процеси, які супроводжуються втратою їх маси, а саме випаровуванням хімічно незв'язаної води без деструкції матеріалу зразків. Окрім цього, органічні речовини втрачають конституційну воду (ендоефект із максимумом за 190 °С на рис. 2, а з додатковою втратою маси). Однак характер і послідовність термічних ефектів (криві DTA) для кожного матеріалу особливі, що пов'язане з відмінностями їх хімічного складу.

У зразку незахищеної деревини поряд з ендотермічними процесами піролізу (відщеплення летких продуктів) навіть за порівняно невисоких температур відбуваються екзотермічні окиснювальні процеси, про що свідчить хід кривої DTA в області першого піка кривої DTG (див. рис. 2, а), а саме наявність помітного екзо- ефекту.

Відзначають також наявність двох істотно відмінних стадій деструкції у процесі нагрівання досліджуваного зразку незахищеної деревини, а саме характерною є стадія інтенсивної втрати маси до температур 370390 ^оС, яка може бути зумовлена утворенням і полуме- невим горінням газоподібних продуктів, та повільніша стадія (за вищих температур - після того, як величина відносної втрати маси вже досягла 60-70 %), яка зумовлена здебільшого вигорянням карбонізованого залишку і характеризується більшим екзотермічним ефектом. Таке співвідношення величин термічних ефектів спостерігаємо, очевидно, внаслідок того, що полуменеве горіння (перша стадія) відбувається переважно за межами тигля і значно менше впливає на показання термопари, ніж гетерогенний процес окислення карбонізованого залишку на межі розділу "тверда речовина - газ" (друга стадія).

Окремого аналізу потребують зміни характеру кривих термогравіметричного аналізу зразків деревини (особливо кривих TG і DTA), що проявляються для деревини, обробленої композицією "Skela-i" (див. рис. 2, б). Для них відзначено різну температуру початку термоокиснювальної деструкції деревини: 200-205 °С - для деревини, обробленої вогнезахисними засобами на основі фосфатів та сульфатів амонію та 230-250 °С - для деревини, обробленої вогнезахисними сумішами карбонату натрію і борної кислоти та ортоборату натрію і борної кислоти і температура, за якої спостерігаємо максимальну швидкість деструкції (210-325 °С); величина цієї швидкості також істотно не змінюється (максимальні відхилення відповідних кривих DTG близькі за величиною). Натомість процеси деструкції на другій стадії значною мірою залежать від природи вог- незахисної композиції: в міру її вогнезахисної дії сповільнюється втрата маси. Відповідно змінюється і вигляд кривих DTA, а саме зменшується висота і збільшується ширина піків, які характеризують протікання екзотермічних перетворень, внаслідок чого закінчення процесу термоокиснювальної деструкції фіксується за вищих температур.

Така відмінність впливу вогнезахисних засобів на протікання деструкції на різних стадіях зумовлюється різними механізмами, за якими відбувається втрата маси зразків. Якщо на першій стадії відбувається переважно піроліз із відщепленням летких продуктів, швидкість якого не залежить від подальших хімічних перетворень цих продуктів, то на другій стадії швидкість втрати маси визначається кінетикою взаємодії карбонізованого залишку з окисником.

Одним із методів, який дає змогу дослідити утворення летких продуктів вогнезахищеної деревини, є га- зохроматографічний аналіз. Необхідно зазначити, що найвищий вміст летких компонентів визначається у газоподібних продуктах, які утворюються внаслідок піро- лізу (термічного розкладу без доступу повітря).

З урахуванням результатів термогравіметричних досліджень процес термодеструкції зразків рослинної сировини проводили в умовах, за яких утворення газоподібних продуктів відбувається з найбільшою швидкістю. Інтенсивне газовиділення починалось за температури 200-215 °С, за участі екзотермічних процесів температура зразка швидко зростала до 310-350 °С. Основна кількість (понад 90 %) продуктів піролізу надходила в газозбірник у діапазоні 210-420 °С, у якому, за даними термогравіметричного аналізу, деструкція відбувається за механізмом відщеплення летких продуктів.

Результати газохроматографічного аналізу одержаних горючих газових сумішей наведено в таблиці. Як видно з таблиці, після піролізу необробленої та обробленої деревини вогнезахисною композицією '^кеїа-і", суміші продуктів деструкції істотно відрізняються за вмістом азоту, діоксиду вуглецю та кількістю горючих газів. Так, для деревини, обробленої вогнезахисною композицією, кількість азоту збільшилась більше, ніж у 80 разів, кількість горючих газів знизилась у понад чотири рази, зокрема метану. Але з отриманих термогра- віметричних досліджень важко визначити ту чи іншу групу вогнезахисної ефективності, що відповідає просочувальному засобу, тому було проведено відповідні термічні дослідження.

З метою встановлення відповідності вогнезахисних властивостей деревини, обробленої вогнезахисною композицією '^кеіа-і", проведено експериментальні дослідження для визначення групи горючості деревини, зокрема обробленої за методикою, наведеною у ^арко & Tsapko, 2017).

Результати дослідження із визначення втрати маси зразків і приросту максимальної температури газоподібних продуктів горіння деревини та захищеної сумішшю '^кеіа-і” наведено на рис. 3, 4.

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

Таблиця. Якісний і кількісний склад продуктів термічної деструкції деревини

Рис. 4. Динаміка зростання температури димових газів під час випробувань деревини: 1) необроблена; 2) вогнезахищена сумішшю '^кеіа-і"

Встановлено зменшення у 15 разів втрати маси зразків захищеної деревини, порівняно з необробленими. За початкової температури газоподібних продуктів горіння Т = 200°С, під час дії полум'я пальника на захищений зразок сумішшю "Skela-i", температура становила Т < 160°С.

Обговорення отриманих результатів

Вогнезахист деревини під термічною дією високотемпературного полум'я, на що вказують результати дослідження (див. рис. 2, табл.), призводить до утворення негорючих газів і важкогорючого коксового залишку. Під дією температури, леткі продукти розкладу характеризуються утворенням інертних компонентів. Це зумовлено механізмом роботи покриття з утворенням шару пінококсу, який уповільнює процеси теплопереносу. Вочевидь, такий механізм впливу є чинником регулювання ступеня захисту й ефективності теплоізолювання матеріалу. Це погоджено з даними, відомими з робіт (Simone, et al., 2016; Carosio, et al., 2015), автори яких теж пов'язують зміну процесу димоутворення під час оброблення вог- незахисним засобом. На відміну від результатів досліджень (Md J. Nine, et al., 2017; Ciripi, Wang & Rogers, 2016), отримані дані щодо впливу покриття на процес утворення коксу і зміни теплоізолювальних властивостей дають змогу стверджувати, що основним регулятором процесу теплоізолювання є не тільки формування шару коксу на поверхні деревини, а і термостійкість вогнезахисного покриття. Окрім цього, істотний вплив на процес переходу горючого матеріалу під час застосування вогнезахисного засобу здійснює перехід до групи важкозаймистих матеріалів.

Результати визначення переходу деревини під дією просочення у важкогорючий матеріал та утворення теплоізоляційного шару (рис. 4, 5) вказують на неоднозначний вплив захисту. Зокрема це передбачає наявність даних, достатніх для якісного проведення процесу вог- незахисту та виявлення моменту, з якого починається зниження теплостійкості. Таке виявлення дасть змогу дослідити перетворення поверхні покриття, що переміщується у сторону підвищеної температури з утворенням коксу, та визначити ті змінні, що істотно впливають на початок перетворення цього процесу (Tsapko & Tsapko, 2017, 2018).

Висновки

Проведено дослідження механізму вог- незахисту деревини просочувальними засобами під час утворення теплоізолювального шару коксу, Визначено леткі продукти горіння та отримано зміну компонентів після вогнезахисту, що дають змогу одержувати леткі продукти горіння вогнезахисного покриття під час впливу температури. За отриманими даними встановлено, що під час термічного розкладу вогнезахищеної деревини знижуються горючі гази у понад 50 % та підвищуються інертні гази у більш ніж 8 разів. Випробування на модельних зразках вогнезахищеної деревини показали, що просочення характеризується розкладом антипіренів під дією температури з поглинанням тепла та виділенням негорючих газів, гальмування окислення в газовій і конденсованій фазі та утворенням на поверхні деревини теплозахисного шару коксу. Так, покриття матеріалу внаслідок дії високої температури сприяє утворенню теплоізолювального шару коксу, що запобігає вигоранню деревини і проходженню високої температури до матеріалу. Це свідчить про можливість спрямованого регулювання процесів передавання температури шляхом використання вогнезахисного засобу.

Перелік використаних джерел

1 Carosio, F., Kochumalayil, J., Cuttica, F., Camino, G., & Berglund, L.. Oriented Clay Nanopaper from Biobased ComponentsMechanisms for Superior Fire Protection Properties. Washington: ACSAppl. Mater.Interfaces, 7(10),5847-5856.https://doi.org/10.1021/am509058 h

2 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 Krьger, S., Gregor, J., Gluth, G., Watolla, M.-B., Morys, M., HдЯler, D.,& Schartel, B. (2016). Neue Wege:Reaktive

3 Brandschutzbeschichtungen fьr Extrembedingungen. Berlin, Bautechnik, 93/8, 531-542. https://doi.org/10.1002/bate.201600032

4 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-Europe- an Journal of Enterprise Technologies, 5/10(83), 26-31. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.79869

5 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

6 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

7 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 4 061.2017.73542

8 Tsapko, Ju., Guzii, S., Remenets, M., Kravchenko, A., & Tsapko, О.. 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

9 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., &

10 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

Размещено на Allbest.ru