Изучение огнестойкости целлюлозных материалов, физически модифицированных антипиреновыми суспензиями

АННОТАЦИЯ

В статье для придания материалам огнезащитных свойств предлагается метод обработки материалов водными антипиреновыми суспензиями на основе вермикулита, растворенного в ортофосфорной кислоте и нейтрализованного щелочью, для улучшения физико-механических и эксплуатационных свойств добавляем многоатомный спирт. Представлены анализы горения, дымообразования текстильных материалов из целлюлозосодержащих волокон.

ABSTRACT

In the article to treat materials with fire-resisting properties, the processing method of materials with water-based flame-retardant suspensions is proposed based on vermiculite dissolved in orthophosphoric acid and neutralized with an alkali; to improve the physical-mechanical and operational properties, polyatomic alcohol is added . Burning analyses, smoke formation of textile materials from cellulose-containing fibers are presented.

Ключевые слова: целлюлозный материал, антипиреновая суспензия, вермикулит, ортофосфорная кислота, щелочь натрия, глицерин, дымообразование, горючесть.

Keywords: cellulose material; flame retardant suspension; vermiculite; orthophosphoric acid; sodium alkali; glycerine; smoke formation; combustibility.

В настоящее время в целях реализации стратегии развития легкой промышленности Узбекистана, обеспечивающей развитие инновационной и научной деятельности, одним из направлений является создание прогрессивных технологий по получению новых текстильных материалов с повышенными эксплуатационными свойствами. Создание материалов пониженной горючести достигается путем поверхностной и глубокой пропитки материалов специальными составами, введения антипиренов в состав исходных композиций, использования различных минеральных наполнителей, а также путем использования разнообразных технологических приемов. Огнезащита способом пропитки заключается во введении в материал специальных веществ – антипиренов. Антипирены – это химические вещества, которые добавляются в горючие материалы для придания им большей сопротивляемости к воспламенению [4, с. 2389–2392; 5, с. 28–36, 1; с. 14–19; 2, с. 96–102, 140–142, 53–62].

В данной работе рассматривается применение вспучивающих антипиренов для повышения огнестойкости текстильных материалов. Перед пропиткой образцы ткани обмывали для удаления крахмальной и других химических обработок. Это позволяет изменить свойства поверхности материалов в широких пределах, улучшает гидрофильные свойства текстильного материала, увеличивает смачиваемость ткани, приводит к более эффективному и равномерному растворопоглощению. Задача вспучивающего антипирена заключается в повышении огнезащиты текстильных материалов путем создания на поверхности материалов теплоизолирующего слоя, выдерживающего высокие температуры и непосредственное действие огня. Наличие этого слоя позволяет замедлить прогревание и сохранять материал при пожаре в течение заданного периода времени.

Целлюлозное волокно занимает одно из ведущих мест среди других полимерных волокон по использованию в текстильной промышленности. Однако целлюлозе свойственна повышенная горючесть, и для снижения ее горючести на сегодняшний день было проведено колоссальное количество исследований, которые показали, что наиболее эффективными ингибиторами горения целлюлозы и ее производных являются фосфорсодержащие соединения и их комбинации с азотсодержащими веществами.

Однако до настоящего времени мало изучено влияние фосфор-кремнийсодержащих антипиренов на горючесть целлюлозы, и фактически в доступной нам литературе отсутствуют сведения о влиянии на горючесть целлюлозных материалов антипиреновых суспензий. В этом аспекте представляло интерес исследование нами водных антипиреновых суспензий на основе вермикулита с ортофосфорной кислотой, нейтрализованного щелочью, с добавкой глицерина в качестве замедлителя горения целлюлозных материалов.

Образцы огнезащищенных целлюлозных материалов получали путем пропитки водным раствором антипиреновых суспензий, приготовленным с различным содержанием вермикулита, отжима до 85–100 % привеса и последующей сушкой.

Образцы обработанных целлюлозных материалов переданы в научно-исследовательскую лабораторию МЧС Республики Узбекистан, где проведены сравнительные испытания на определение степени горючести исходных и модифицированных содержащих целлюлозу материалов. Так, образцы текстильных тканей, обработанных антипиреновой суспензией, испытывались на лабораторной установке по определению скорости распространения пламени по ГОСТ 28157–89 «Методы определения стойкости к горению». В таблице 1 приведены основные термические параметры огнезащищенных образцов целлюлозных материалов.

Лабораторная установка помещается в вытяжной шкаф. После проведения каждого испытания вытяжной шкаф тщательно вентилируется. Для образования пламени используется универсальная горелка Бунзена с длиной патрубка от 80 до 100 мм и внутренним диаметром от 9,4 до 11,0 мм. Образцы крепятся на лабораторном штативе с зажимами в горизонтальном или вертикальном положении. При проведении испытаний используется природный газ, пламя горелки подносят к нижней кромке свободного конца образца. Центральная ось патрубка горелки должна находиться в той же вертикальной плоскости, что и продольная ось образца. Пламя подносят на определенное время без изменения положения горелки так, чтобы торец образца был погружен в пламя на глубину около 6,5 мм, и затем удаляют от образца. Чтобы определить наивысшую категорию стойкости к горению, к которой может быть отнесен данный материал, пламя горелки подносят к центру свободного конца образца на 5 сек. Затем горелку удаляют от образца не менее чем на 150 мм и регистрируют время горения образца. На следующем этапе определено время воспламенения и потухания обработанных образцов.

Таблица 1.

Результаты испытания образцов текстильных материалов, пропитанных антипиреновыми суспензиями

В результате проведения комплексных исследований, учитывающих огнезащитные свойства тканей, установлено, что для изготовления огнестойкого материала целесообразно использовать оптимальное соотношение «текстильный материал – антипиреновая суспензия».

По ГОСТ 28157–89 для образцов толщиной менее 3 мм скорость горения должна превышать 75 мм/мин. Выводы по акту испытаний: образцы текстильного материала, пропитанные антипиреновыми суспензиями № 1а, 1б, 1д, 2а, 2б, 2д в различных соотношениях не входят в класс распространяющих пламя по требованием ГОСТ 28157–89 (–о < 75 мм/мин).

Следует отметить, что полученные огнезащищенные целлюлозные материалы сохраняют почти все прикладные свойства исходного материала.

Далее представляло интерес исследование дымообразования в приборе по ГОСТу 12.1.044-89 «Определение коэффициента дымообразования веществ и материалов» (табл. 2) для образцов, обработанных антипиреновой суспензией, которая содержит в своем составе вермикулит и фосфор, придающие материалам огнестойкие свойства. Опыты проводились в образцах с размером 40 × 40 × 1 мм (U = 200 В).

Таблица 2.

Определение коэффициента дымообразования текстильных материалов, пропитанных антипиреновой суспензией на основе вермикулита и фосфора

После проведения серии опытов был расчитан коэффициент дымообразования (D_m) по следующей формуле:

D_m= , [м²/кг],

где V – внутренний объем прибора для опыта 0,512 м³ ;

l – интервал пропускания света 0,8 м;

Δm – разница массы исходного и последующего образца, кг;

I₀, I_min – относительное освещения измерительной среды без дыма (100%) и с дымом, %.

При исследовании образцов текстильного материала, обработанных антипиреновыми суспензиями, содержащих в своем составе вермикулит и фосфор, среднее число коэффициента дымообразования составляет D_ср1а ≈ 210 м²/кг, D_ср1б ≈ 229 м²/кг, D_ср1д ≈ 110 м²/кг, D_ср2а ≈ 286 м²/кг, D_ср2б ≈ 240 м²/кг, D_ср2д ≈ 215 м²/кг. Антипиреновые суспензии на основе вермикулита и фосфора относятся к категории с умеренной дымообразующей способностью. Все опыты проводились по ГОСТу 12.1.044–89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов» и ГРП 2.01.02–04 «Пожаробезопасность зданий и сооружений».

Таким образом, исследование горючести модифицированных целлюлозных материалов методом «огневой трубы» и определением скорости возгорания показали, что антипиреновая суспензия обладает более высоким огнезащитным эффектом, способствующим переводу сгораемого материала в группу трудносгораемых. Наблюдаемое при этом обугливание, свойственное любому органическому веществу, ограничивается площадью действия пламени. Также антипиреновые суспензии на основе вермикулита и фосфора при использовании пропитки текстильных материалов относятся к категории со средней дымообразующей способностью.

Список литературы:
1. Балакин В.М. Первичная оценка огнезащитных свойств вспучивающихся покрытий на основе различных водных дисперсий // Пожаровзрывобезопасность. – М., 2010. – Т. 19. – № 6. – С. 14–19.
2. Зубкова Н.С., Антонов Ю.С. Снижение горючести текстильных материалов – решение экологических и социально-экономических проблем // Российский химический журнал (Журнал Российского химического общества имени Д.И. Менделеева). – М., 2002. – Т. XLVI. – № 1. – С. 96–102.
3. Сабирзянова Р.Н. Применение вспучивающего антипирена для придания материалам огнестойкости // Вестник Казанского национального исследовательского технологического университета. – 2014. – Т. 17. – № 19. – С. 140–142.
4. Abdul Rahman, Babu G. An experimental investigation on light weight cement concrete using vermiculite minerals // Int. J. Innovative Res. Sci. Eng. Technol. – 2016. – № 5 (2). – P. 2389–2392.
5. Abidi S., Joliff Y., Favotto C. Impact of perlite, vermiculite and cement on the Young modulus of a plaster composite material: experimental, analytical and numerical approaches // Compos. – 2016. – B 92. – P. 28–36.
6. Rashad A.M. Vermiculite as a construction material – A short guide for Civil Engineer // Construction and Building Materials. – 2016. – № 125. – P. 53–62.