ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ОЛИГОМЕРНЫМИ АНТИПИРЕНАМИ

АННОТАЦИЯ

В работе проведено исследование термической устойчивости древесных материалов, модифицированных олигомерными антипиренами. Целью исследования является оценка влияния антипиренов на процессы термического разложения и повышение огнезащитных свойств древесины. Термостойкость образцов изучена методами термогравиметрического анализа (ТГ) и дифференциальной термогравиметрии (ДТГ), что позволило определить температурные интервалы разложения, скорость потери массы и количество остаточного углерода. Результаты показали, что введение олигомерных антипиренов приводит к увеличению температуры начала термического разложения и формированию более стабильного коксового остатка. Физико-химические свойства антипиренов, включая состав, термостабильность и растворимость, представлены в табличной форме и подтверждают механизм их огнезащитного действия. Полученные данные свидетельствуют о перспективности применения олигомерных антипиренов для повышения термической устойчивости древесных материалов.

ABSTRACT

This study investigates the thermal stability of wood-based materials modified with oligomeric flame retardants. The main objective is to evaluate the effect of flame retardants on the thermal decomposition behavior and fire-resistant properties of wood. Thermogravimetric analysis (TG) and differential thermogravimetric analysis (DTG) were employed to determine decomposition temperature ranges, mass loss rates, and char residue formation. The obtained results demonstrate that modification with oligomeric flame retardants increases the onset temperature of thermal degradation and enhances the formation of a stable carbonaceous residue. The physicochemical properties of the applied flame retardants, including composition, thermal stability, and solubility, are presented in a table, providing insight into the mechanism of fire-retardant action. The findings confirm the effectiveness of oligomeric flame retardants in improving the thermal stability and fire resistance of wood materials.

Ключевые слова: древесные материалы; олигомерные антипирены; термогравиметрический анализ; ДТГ; термическая устойчивость; огнезащита.

Keywords: wood materials; oligomeric flame retardants; thermogravimetric analysis; DTG; thermal stability; fire resistance.

Введение

Древесные материалы широко применяются в строительстве, мебельной промышленности и других отраслях благодаря своей доступности, экологичности и удовлетворительным механическим характеристикам. Однако их основным недостатком является высокая горючесть и низкая термическая устойчивость, что существенно ограничивает область применения древесины в условиях повышенных требований к пожарной безопасности. В связи с этим разработка эффективных методов огнезащитной модификации древесных материалов является актуальной научно-практической задачей.

Одним из перспективных направлений повышения огнестойкости древесины является использование олигомерных антипиренов, обладающих способностью образовывать термостойкий защитный слой и снижать скорость термического разложения материала. В отличие от низкомолекулярных антипиренов, олигомерные соединения характеризуются лучшей фиксацией в структуре древесины и меньшей склонностью к вымыванию, что обеспечивает долговременный огнезащитный эффект.

Для объективной оценки эффективности антипиренов особое значение имеют методы термического анализа, в частности термогравиметрический анализ (ТГ) и дифференциальная термогравиметрия (ДТГ). Эти методы позволяют детально исследовать процессы термического разложения, определить температурные интервалы деградации, скорость потери массы и количество образующегося углеродистого остатка. В настоящей работе проведено исследование термической устойчивости древесных материалов, модифицированных олигомерными антипиренами, с использованием методов ТГ и ДТГ анализа, а также изучены физико-химические свойства применяемых антипиренов.

В диссертационной работе Л.В. Рединой [3] подробно рассмотрены термохимические превращения поликапроамидного волокна, модифицированного различными поверхностно-активными соединениями. Особое внимание уделено анализу термического разложения полимерного материала с использованием методов термогравиметрического анализа и дифференциальной термогравиметрии. Автором показано, что поверхностная модификация способствует изменению механизма термодеструкции, смещению температурных интервалов разложения и увеличению выхода углеродистого остатка. Полученные результаты имеют важное значение для понимания влияния модифицирующих добавок на термическую устойчивость полимерных материалов и могут быть использованы при разработке огнезащитных систем для материалов органической природы [3, c. 100–103].

В научной работе М.З. Пелешко и В.Д. Колесника рассмотрены актуальные вопросы обеспечения пожарной безопасности в учреждениях здравоохранения с учетом специфики применяемых строительных и отделочных материалов. Авторами проанализированы основные факторы пожарной опасности, особенности распространения огня и термического воздействия на материалы в условиях эксплуатации медицинских зданий. Особое внимание уделено роли огнезащитных материалов и антипиренов в снижении пожарных рисков, а также нормативным требованиям к их применению. Представленные выводы подчеркивают необходимость использования материалов с повышенной термической устойчивостью и эффективными огнезащитными характеристиками, что подтверждает актуальность исследований в области модификации древесных и полимерных материалов антипиренами [2, с.75–80].

В исследованиях, посвященных вышеуказанной проблеме, рассмотрены вопросы модификации синтетических полимеров с использованием олигомерных антисептиков с целью улучшения их эксплуатационных и защитных свойств. Учеными изучено влияние олигомерных добавок на физико-химические и термические характеристики полимерных материалов, показано изменение структуры и повышение устойчивости к внешним воздействиям. Отмечено, что применение олигомерных антисептиков способствует более равномерному распределению модификатора в полимерной матрице и снижению интенсивности деструктивных процессов. Полученные результаты подтверждают перспективность использования олигомерных соединений для функциональной модификации материалов органической природы и представляют практический интерес при разработке антисептических и огнезащитных композиций [1, с. 133–138; 5, с. 17–20].

В работе, описывающей антипирены в составе связующих для создания пожаробезопасных интерьерных материалов, авторами проведён комплексный анализ влияния антипиренов на физико-механические и термические свойства композиций, а также на показатели огнестойкости и экологической безопасности. Показано, что введение фосфорорганических антипиренов способствует формированию защитного углеродистого слоя при термическом воздействии и снижению скорости горения материалов. Отмечена перспективность использования данных антипиренов для разработки эффективных и экологически ориентированных огнезащитных систем, что подтверждает актуальность исследований в области модификации материалов органической природы [5, с. 24–34].

Материалы и методы

Наблюдается, что композитные материалы на основе серы находят применение практически во всех отраслях народного хозяйства. В связи с этим в настоящее время в мире и в нашей республике спрос на серу из года в год неуклонно возрастает. Это, в свою очередь, в мировой практике определяет актуальность исследований серы и её органических соединений, а также стимулирует разработку новых широкомасштабных методов и раскрывает возможности их практического применения.

Синтезированные нами серо- и фосфорсодержащие композиты, формируя специальные покрытия на поверхности древесных строительных материалов, обеспечивают модифицированной древесине высокую устойчивость к воздействию повышенных температур, давления, окислительных процессов и коррозии, а также способствуют улучшению её физико-механических свойств и эксплуатационных характеристик.

Получение олигомера в лабораторных условиях осуществляется с использованием термостойкого стеклянного стакана объёмом 500 мл, мешалки и термометра. Реакционную смесь готовят на основе вторичного сырья — 30 г оксида алюминия и 100 г ортофосфорной кислоты. Целью приготовления данной смеси является повышение термостойкости олигомера. Смесь перемешивают при температуре 100 °C в течение 2 часов, после чего добавляют 10 г порошкообразной серы и продолжают перемешивание при температуре 130 °C в течение 1–2 часов до получения гомогенной массы.

Затем температуру реакционной смеси снижают до 70–80 °C, добавляют 70 г жидкого стекла и 50 г мочевины, после чего продолжают перемешивание. В ходе данного процесса часть компонентов — оксид алюминия, ортофосфорная кислота, порошкообразная сера, жидкое стекло и мочевина — вступает в химическое взаимодействие, в то время как вследствие избыточного содержания оксида алюминия определённая часть веществ сохраняется в виде дисперсной фазы. С учётом этого полученный продукт может быть использован в качестве композитного соединения для нанесения покрытий. Выход целевого продукта составляет 93 %.

Результаты и обсуждение

В результате были получены серо-, фосфоро- и азотсодержащие олигомеры, для которых исследованы антисептические свойства, механизмы синергетического действия, физические и химические характеристики, а также плотность. Сведения о физико-химических свойствах серо- и фосфорсодержащих композитных добавок приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-химические характеристики серо- и фосфорсодержащей композитной добавки (DGT-3)

Синтезированные композитные соединения, содержащие серу, были исследованы методом ИК-спектроскопии. Анализ показал, что основные полосы поглощения находятся вблизи друг друга. В ИК-спектре поглощения обычно наблюдаются в диапазоне 3416–3465 см^-1, что соответствует группам –CONHR. Кроме того, в области 820–480 см^-1 выявлены полосы поглощения, характерные для связей -C-S- и -S-S-, включающие углерод-сера, сера-сера и сера-золото. Поглощения в диапазоне 650–900 см^-1 в ИК-спектре соответствуют металлоорганическим связям (рис. 1).

Рисунок 1. ИК-спектр олигомера, содержащего серу и золото

Термическая стабильность древесных материалов, обработанных антипиреном марки DGT-3, была изучена на соединениях, содержащих серу и золото. Потеря массы древесины, обработанной антипиреном DGT-3, составила 1,7 мг (25,2 %) в диапазоне температур 100–137 °C. Основная деградация наблюдалась при 137–310 °C, при этом потеря массы составила 1,46 мг, что соответствует 21 % от общей массы (потеря массы при 420 °C составила 50,0 %). В диапазоне 310–600 °C потеря массы составила 0,85 мг (12,6 % от общей массы).

Наблюдение термических процессов также выявило экзотермический эффект: DTA показала три пика выделения тепла при температурах 327,4 °C, 340 °C и 490 °C.

Рисунок 2. Термическая стабильность древесных материалов, обработанных антипиреном марки DGT-3

Таким образом, исследования показали, что необработанные древесные материалы теряли 67,8 % массы в диапазоне температур 130–350 °C, при этом при 278 °C наблюдалось интенсивное выделение тепла (экзопик), сопровождающееся потерей массы в размере 50,2 %.

Заключение

В ходе проведённых исследований были синтезированы и охарактеризованы композитные соединения, содержащие серу и золото. ИК-спектроскопический анализ подтвердил наличие функциональных групп —CONHR, а также связей -C-S- и -S-S-, что свидетельствует о формировании устойчивой структуры олигомеров с включением металлоорганических связей.

Термическая стабильность древесных материалов, обработанных антипиреном марки DGT-3, показала значительное снижение потери массы по сравнению с необработанными образцами, что подтверждает эффективность введённых соединений в качестве термостабилизирующих и огнестойких добавок. Экзотермические эффекты, выявленные при термическом анализе, указывают на многокомпонентный характер термических процессов и дополнительное тепловое выделение, связанное с деградацией композитных структур.

Таким образом, полученные результаты подтверждают целесообразность использования синтезированных соединений серы и золота для улучшения огнестойкости и термической стабильности древесных материалов, что открывает перспективы их практического применения в области защиты древесины.

Список литературы:

1. Нуркулов Ф.Н. и др. Модификация древесины и полимерных материалов фосфор-, серосодержащими органическими соединениями // Наука вчера, сегодня, завтра. — 2016. — № 7. — С. 133–138.
2. Пелешко М.З., Колесник В.Д. Пожарная безопасность в учреждениях здравохранениях. — 2021. — C.75–80.
3. Редина Л.В. Термохимические превращения поверхностно-модифицированного поликапроамидного волокна : дис. д-ра техн. наук. — 2023. — C.100–103.
4. Серкова Е.А., Застрогина О.Б., Барботько С.Л. Исследование возможности использования новых экологически безопасных фосфорорганических антипиренов в составе связующих для пожаробезопасных материалов интерьера // Труды ВИАМ. — 2019. — № 2 (74). — С. 24–34.
5. Холбоева А.И. и др. Модификация синтетических полимеров олигомерными антисептиками и исследование их свойств // Universum: технические науки. — 2022. — № 9–4 (102). — С. 17–20.