Получение огнезащищенной древесины путём её поверхностной модификации элементоорганическими соединениями

ПОЛУЧЕНИЕ ОГНЕЗАЩИЩЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПУТЁМ ЕЁ ПОВЕРХНОСТНОЙ МОДИФИКАЦИИ ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Покровская Е.Н.*, Кобелев А.А.** (* НИУ МГСУ, г. Москва, РФ, ** Академия ГПС МЧС России)

Pokrovskaya E.N.*, Kobelev A.A.** (*National Research University Moscow State of Civil Engineering, *State Fire Service Academy)

Рассмотрены эффективность пропиточных комплексных составов для древесины на основе элементоорганических соединений и пожароопасные свойства модифицированной древесины.

Effectiveness of impregnating complex compounds for wood based on organometallic compounds and flammable properties of wood is considered.

Ключевые слова: антипирены, огнебиовлагозащита, поверхностная модификация, элементоорганические соединения.

Keywords: fire retardant, fire protection, biohazard protection, moisture protection, surface modification, organometallic compounds.

Главным недостатком деревянных строительных конструкций является их высокая пожарная опасность. При возникновении пожара на объекте с применением древесины и материалов на ее основе появляется возможность его быстрого распространения и увеличивается вероятность гибели людей от комплексного воздействия таких опасных факторов, как: высокая температура окружающей среды, дым, токсичность продуктов сгорания. По данным МЧС России в 2010 году на территории Российской Федерации произошло 179 098 пожаров и погибло 12 983 человека. При этом более 70 % пожаров произошло в жилом секторе, 34 % пожаров и 43 % гибели людей – в сельской местности. Как известно, самое широкое применение деревянные конструкции находят именно в этих сегментах строительной отрасли.

Не менее значительной проблемой применения древесины в строительстве является ее склонность к биоразрушению. При благоприятных для грибов и насекомых условиях разрушение конструкции может произойти достаточно быстро, в течение нескольких лет. При этом основным фактором, определяющим развитие грибов, является температурно-влажностный режим эксплуатации.

Эти проблемы можно эффективно решать применением пропиточных составов поверхностного нанесения с комплексом защитных свойств - огнебиовлагозащита. Такие составы сейчас активно внедряются в практику. Сравнительный анализ свойств современных комплексных составов показал, что имеется ряд недостатков. К основным из них относятся: высокий расход состава, низкая биозащитная или влагозащитная способность, высокая стоимость, необходимость применения дополнительных покрытий.

В результате исследований, проведенных в МГСУ профессором Покровской Е.Н. было установлено, что фосфорорганические соединения, являющиеся эффективными антипиренами и биоцидами, способны поверхностно модифицировать древесину в “мягких” условиях. Это позволило предположить, что возможно создание такого пропиточного состава на основе фосфор- и кремнийорганических соединений, с учетом прохождения химического взаимодействия между ними и поверхностным слоем древесины, который будет обладать длительным комплексным защитным эффектом.

На основании проведенного анализа способности различных классов фосфор-, кремнийорганических соединений вступать в химическое взаимодействие с поверхностным слоем древесины был произведен выбор компонентов для разработки огнебиовлагозащитного состава (таблица 1).

Таблица 1 - Компоненты разрабатываемых пропиточных составов

Наименование компонента

Общая формула

Интервал конц., % масс.

Раствор-итель

Антипирен, фунгицид

алкилфосфит
C_nH₂_n+₁PO₃, где n=1÷3

0 - 40

Вода

Гидрофобизатор

олигоорганосилоксаны:
[C₂H₅SiHO]n – полиэтилгидридсилоксан;
[(CH₃)₂SiO]n –полидиметилсилоксан;

[CH₃C₆H₅SiO]n – полиметилфенилсилоксан;

[CH₃CF₃C₂H₄SiO]n – полиметилтрифторпропилсилоксан.

Гексан

Методом “керамической трубы” (ГОСТ Р 53292 – 2009) исследована способность составов на основе эфиров фосфористой кислоты и олигоорганосилоксанов повышать огнезащищенность древесины в зависимости от строения олигоорганосилоксана, концентраций компонентов и расходов готовых растворов.

Параметры нанесения для кремнийорганических соединений были выбраны на основании анализа работ по поверхностной модификации древесины. Оптимальная концентрация КОС в растворе гексана – 5%. Раствор наносится в один слой с расходом 100 г/м².

В результате установлено, что II группа огнезащитной эффективности достигается для концентраций ДМФ 10, 20 и 40% при расходах готового раствора 500, 300 и 200 г/м² соответственно. I группа достигается при концентрации 20 и 40% и расходах готового раствора 700 и 400 г/м² соответственно. Из комплексных составов наибольшим огнезащитным эффектом обладает рецептура на основе диметилфосфита и полиэтилгидридсилоксана. Потеря массы - 9%, что соответствует I группе огнезащитной эффективности.

Были проведены исследования пожароопасных свойств древесины.

В таблице 2 представлены результаты экспериментального определения следующих пожарно-технических характеристик древесины: воспламеняемость (В), распространение пламени по поверхности (ИРП), дымообразующая способность (Д).

В результате показано, что в присутствии пропиточных составов древесина переходит из группы материалов быстро распространяющих пламя
(I > 20) в группу медленно распространяющих. За счет интенсивного коксообразования распространение практически прекращается. По дымообразующей способности материал переходит из группы Д3 (материалы с высокой дымообразующей способностью) в группу Д2 (материалы с умеренной дымообразующей способностью). По воспламеняемости материал переходит из группы В3 (легковоспламеняемые) в группу В2 (умеренновоспламеняемые). При этом время до воспламенения образца также увеличивается с 15 до 65-90 секунд в зависимости от вида КОС.

В результате исследования токсичности продуктов сгорания древесины было установлено, что в присутствии разработанных пропиточных составов токсичность продуктов горения (на основании концентрации CO) несколько увеличивается. При этом группа материала по токсичности по ГОСТ
12.1.044-89 продуктов горения не изменяется – Т3 (высокоопасные материалы). Для древесины в присутствии разработанных составов характерно увеличение времени достижения максимальных концентраций CO и CO₂ на 8-10 мин.

Таблица 2 - Экспериментальные значения показателей пожарной опасности древесины в присутствии фосфор-, кремнийорганических соединений

Состав	Распространение пламени			Дымообразующая способность		Воспламеняемость
Состав	l, мм	V_РП, мм/c	I	D_m, м²/кг	Группа	q_cr, кВт/м²	τ, с	Группа
Древесина	300	3,12	60	1005	Д3	12,5	15	В3
Древесина+ ДМФ	60	0,09	3,7	326	Д2	20	90	В2
Древесина+ ДМФ+ ПЭГС	45	0,09	1,2	294	Д2	20	80	В2
Древесина+ ДМФ+ПМС	50	0,11	3,3	302	Д2	20	70	В2
Древесина+ ДМФ+ ПФМС	50	0,11	3,3	312	Д2	20	65	В2
Древесина+ ДМФ+ ПМТФПС	55	0,11	3,5	308	Д2	20	70	В2

В результате проведенных исследований, в качестве основы для разрабатываемого состава была выбрана огнезащитная композиция на основе диметилфосфита и полиэтилгидридсилоксана. На ее основе было разработан состав “Фоккос”, на который были выпущены технические условия (ТУ-2345-001-08571133-2009) и отчет по классификационным испытаниям с подтверждением I группы огнезащитной эффективности, а также проведено опытное внедрение на ряде объектов огнезащиты. Сравнение состава “Фоккос” с современными составами с комплексным огнебиовлагозащитным эффектом показало, что разработанный состав является эффективным и по ряду характеристик превосходит современные антипирены с заявленным комплексным эффектом.

Список использованных источников

1. Покровская Е.Н., Химико-физические основы увеличения долговечности древесины [Текст] / Е.Н. Покровская. - М.: Изд-во АСВ, 2003. – 104 с.

2. Покровская Е.Н., Сохранение памятников деревянного зодчества с помощью элементоорганических соединений [Текст] / Е.Н. Покровская. - М.: Изд-во АСВ, 2009. – 136 С.