Московский экономический журнал 8/2021

Posted by redaktor
image_pdfimage_print

Научная статья

Original article

УДК 69

doi: 10.24412/2413-046Х-2021-10485

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОГНЕБИОЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ ОТ ВОЗГОРАНИЯ

ECONOMIC ASPECTS OF THE USE OF FIRE-PROTECTIVE MATERIALS TO PROTECT WOOD FROM FIRE

Покровская Елена Николаевна, д.т.н., профессор НИУ Московский государственный строительный университет

Pokrovskaia Elena Nikolaevna

Аннотация. В статье рассматриваются экономические аспекты применения огнебиозащитных материалов для предохранения древесины от возгорания. Автор приходит к выводу, что сочетание таких показателей как обеспечение необходимого уровня огнезащиты, а также стоимость используемых огнебиозащитных материалов должно быть оптимальным и обеспечивать наивысший уровень защиты древесины при наименьших затратах.

Abstract. The article discusses the economic aspects of the use of fire-protective materials to protect wood from fire. The author comes to the conclusion that the combination of such indicators as ensuring the necessary level of fire protection, as well as the cost of fire-protective materials used should be optimal and provide the highest level of wood protection at the lowest cost.

Ключевые слова: огнебиозащита древесины, экономические аспекты, уровень огнебиозащиты.

Keywords: fire protection of wood, economic aspects, level of fire protection.

Дерево – один из самых распространенных и разнообразных материалов на планете. Являясь возобновляемым природным ресурсом, он имеет отрицательный углеродный след, отличные механические свойства и легко обрабатывается. Древесина не только служит сырьем для производства энергии с почти нулевым уровнем выбросов, но также может использоваться в широком спектре применений, включая мебель, транспорт и строительство. 

Дерево считается лучшим материалом для строительства из-за его отличной совместимости с другими строительными материалами, такими как бетон и сталь. С другой стороны, древесина имеет низкую огнестойкость. По дереву пламя распространяется быстрее, чем по другим обычным строительным материалам; тем не менее, дерево сохраняет свою прочность в большей степени, чем сталь, в условиях пожара [4]. 

Биологическая и химическая обработка древесины – эффективный метод  ее защиты от огня. Огнезащитные средства могут использоваться как для покрытия, так и для пропитки древесных материалов. Антипирены действуют двумя разными способами. Первый в основном физический и включает охлаждение и формирование защитного слоя, а второй – химический по своей природе и влечет за собой разбавление, при котором происходит взаимодействие с процессом горения в твердой и газовой фазах.

Соединения фосфора – хорошо известные химические антипирены для древесины. Наиболее популярными фосфорными соединениями, используемыми в качестве антипиренов, являются фосфорная кислота и соли моно- и диаммонийфосфата. Кроме того, широко используются фосфатные соли азотсодержащих органических соединений. 

Фосфорные антипирены обычно делятся на три категории: неорганические, органические или галогенные. Антипирены, содержащие галогеновые компоненты, наименее безопасны для окружающей среды. В большинстве случаев их механизм работает в твердых фазах горящего материала, но может также действовать в газовой фазе[6]. 

Соединения фосфора являются эффективными антипиренами, поскольку они уменьшают термическую деградацию древесины. Фосфорные химические вещества действуют как антипирены, образуя кислоты, которые снижают температуру древесины и, как следствие, увеличивают обезвоживание древесины и образование обугливания. 

Уголь действует как барьер для кислорода и летучих органических соединений (ЛОС). Следовательно, недорогие, экологически чистые соединения фосфора действуют как антипирены в материалах, содержащих большое количество кислородоподобной целлюлозы. Это сделало соединения фосфора наиболее изученными антипиренами для древесины на протяжении многих лет.

Бор, хорошо известный продукт, используемый в различных сельскохозяйственных и промышленных применениях, таких как производство стекловолокна и обработка материалов, является вторым по популярности антипиреном для древесины. Соединения бора долговечны из-за их глубокого проникновения в древесину. Антипирены на основе соединений бора являются лучшими антипиренами для целлюлозных материалов [5]. 

За прошедшие годы было проведено множество исследований, подтверждающих эффективность соединений бора как антипиренов. В большинстве случаев используются два вида соединений бора: бура и борная кислота. Эти два соединения действуют как эффективные антипирены на деревянных поверхностях и из-за их дополнительных характеристик обычно используются вместе. Одним из преимуществ буры является подавление распространения пламени, но ее главный недостаток – развитие тления. И наоборот, борная кислота является эффективным средством подавления тления, но ее способность подавлять распространение пламени невысока.

 Бура также используется в качестве антипирена с другими химическими веществами, такими как карбонат калия и вольманит. Исследователями эти три химиката наносились на картон с ориентированной стружкой кистью или окунанием. Результатом такого сравнения стало то, что бура имеет наивысшую проникающую способность и является одним из лучших вариантов пожаротушения в плитах с ориентированной стружкой [5].

 Соединения бора присутствуют в различных формах, таких как чистые соединения или минералы, и имеют много преимуществ при нанесении на твердую древесину и изделия на ее основе. Соединения бора просты в использовании и обладают различными преимуществами, такими как высокая термическая и биологическая стойкость, низкая стоимость, низкая токсичность, экологичность [6].

Полиэтиленгликоль появился много лет назад как антипирен. По сравнению с вышеупомянутыми антипиренами полиэтилен не является широко известным антипиреном. В 90-х годах прошлого века было проведено исследование использования полиэтиленгликоля с фосфатом в качестве антипирена. Изначально результаты были положительными,  но когда температура достигла 80°C, фосфат начал разлагаться и стал менее стабильным[7].

 В 2013 году была проверена огнестойкость полиэтиленового композита и предпринята попытка определить, является ли композит подходящим антипиреном, не содержащим галогенов. По этой теме было проведено множество исследований, и результаты показали, что полиэтиленовый композит снижает теплоотдачу [7]. 

Испытания на термоциклирование дали такие же результаты.   Они доказали, что полиэтиленовый композит обладает термической надежностью в случае хранения тепловой энергии, а также обладает хорошей способностью замедлять скорость теплового горения; следовательно, как антипирен он показал хорошие результаты [8]. 

Через три года исследование, проведенное Ван и Ши, было сосредоточено на влиянии молекулярной массы полиэтиленгликоля (ПЭГ) на термическую и огнестойкость пентаэритритолфосфата (PEPA). Были использованы четыре типа ПЭГ с разной молекулярной массой: ПЭГ 150, ПЭГ 200, ПЭГ 400 и ПЭГ 600. Результаты испытаний огнестойких покрытий и теста коэффициента вспучивания показали, что ПЭГ 600 не обладает эффективностью в отношении огнестойкости. Однако ПЭГ с низкой молекулярной массой были более эффективными в качестве антипиренов для вспучивающегося покрытия. 

Что касается термической деструкции, то поведение огнестойких покрытий показало, что способность вспучивающихся покрытий к обугливанию может быть улучшена, если ПЭГ имеет низкую молекулярную массу.  Соответственно, ПЭГ 400 – недорогой, экологически чистый антипирен, обладающий термической стабильностью и негидролизирующими свойствами, что делает его отличным антипиреном [9].

Характеристики любого материала зависят от химического состава компонентов самого материала. Для древесины полимеры клеточной стенки, такие как целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, представляют собой модифицированные компоненты после антипиреновой обработки. Химическая модификация этих компонентов изменяет характеристики древесины. Эта идея распространяется также на массивную древесину и изделия на ее основе. Подходы к модификации клеточной стенки многочисленны и зависят от изменяемых характеристик. Например, для достижения цели огнестойкости химические группы могут быть связаны в полимеры клеточной стенки, содержащие антипирены или подавители пламени[8]. 

Ряд исследователей считает, что модификация поверхности путем уплотнения и пропитки смолой может считаться улучшением в области снижения горбючести  древесины. Модификация поверхности служит той же цели, что и объемная модификация, но обработка ограничивается только несколькими первыми поверхностными слоями древесины.  Также была протестирована модификация поверхности древесины с помощью плазменной полимеризации, которая часто используется в текстильной промышленности.  Цель исследования – защитить древесину при использовании на открытом воздухе от грибка, погодных условий, возгорания и пр [9].

Другим подходом для снижения пожарной опасности древесины и других органических материалов является использование водорастворимых олигомерных антипиренов, содержащих в своих макромолекулах одновременно элементы фосфора и бора. Их синтез основан на реакции взаимодействия диметилфосфита с борной кислотой при различном молярном соотношении реагентов и температуры. Обработка древесины сосны водным составом P, B, содержащего антипирены, позволяет повысить кислородный индекс древесины с 20–23 до 53 [2]. Примером второго подхода является разработка состава КСД–А (марка 1) НПО «Ловин-Огнезащита» [1]. Отмечается, что введение в пропиточный состав дигидроксиароматического соединения в оптимальном соотношении с диаммонийфосфатом позволяет усилить обугливание при поверхностного слоя древесины и эффективно защитить нижележащие её слои. В результате пропитки древесины составом КСД–А (марка 1) материал переводится в разряд слабогорючих (Г1) по ГОСТ 30244–94 (метод II) и не распространяющих пламя по поверхности [1].

Высокую эффективность огнезащиты ДКК показало также вспучивающееся покрытие «Феникс ДП» с укрывным лаком «Феникс ДП ТОП». По своему составу оно отличалось от «Протерм Вуд» соотношением компонентов в ПВХ латексе и наличием дополнительных добавок. На ДКК панели лак наносили в три слоя. По показателям пожарной опасности образцы ДКК с покрытием «Феникс ДП» отнесены к группам Г1, В1, Д2, Т2 при расходе 320 г/м2.

Таким образом, противопожарная защита имеет много аспектов и может быть связана со многими факторами, помимо типа используемого антипирена; Поскольку древесина является ортотропным материалом, концентрация антипиренов также может иметь значение. Шероховатость поверхности дерева также может повлиять на огнестойкость. 

Технология огнезащитной обработки древесины способна превратить горючую древесину в огнестойкий материал. Такое преобразование возможно только при добавлении в древесину химических веществ. Лучший антипирен должен обладать множеством полезных свойств, включая высокую эффективность, экологичность и долговечность, а также обеспечивать их низкую стоимость и низкую токсичность. Экономическая эффективность обработки антипиреном зависит не только от характеристик и использования, но и от распределения этих обработок в самой древесине. Поэтому выбор подходящего метода нанесения имеет решающее значение как в обеспечении уровня защиты древесины,  так и в снижении затрат на обработку древесины.

Список источников

  1. Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б., Сахаров А.М., Сахаров П.А., Кулаков В.С., Крашенинникова Н.Н. Эффективность и механизм действия двух огнезащитных систем для древесины // Пожаровзрывобезопасность. 2007. № 5. С. 23–30.
  2. Бондаренко С.Н., Каблов В.Ф., Кейбал Н.А., Крекалева Т.В. Синтез и применение фосфорборсодержащих олигомеров // «Олигомеры – 2009»: Тезисы докладов Х Международной конференции по химии и физикохимии олигомеров. Волгоград : ВГТУ, 2009. С. 199.
  3. Гаращенко Н.А. Результаты огневых испытаний клеёнодере- 228 вянных конструкций со вспучивающимися покрытиями // Пожаровзрывобезопасность. 2006. № 2. С. 12–16
  4. Леонович А.А., Шелоумов А.Н. Снижение пожарной опасности древесных материалов, изделий и строительных конструкций // СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. – 59 с.
  5. Нигматуллина Д.М., Сивенков А.Б., Полищук Е.Ю. Физико-механические и пожароопасные свойства древесины с глубокой пропиткой огнебиозащитными составами // Пожаровзрывобезопасность. – М. – 2017. – Т. 26, № 6. – с. 43-52
  6. Тычино И.А Огнезащита и биозащита строительной древесины посредством капиллярной пропитки // М.: ООО «Пожнаука», 2004, -107с.
  7. Shi, G. Wang Influence of molecular weight of PEG on thermal and fire protection properties of PEPA-containing polyether flame retardants with high water solubility Prog. Org. Coat., 90 (Jan. 2016), pp. 390-398
  8. -Y. Xu, W. Han, C.-W. Cheng, H.-Q. Zhang, J.-M. Cao, G.-B. Ji Synthesis of single crystalline CdS nanowires with polyethylene glycol 400 as inducing template Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 16 (1) (2006), pp. 105-109
  9. Raghu, M. Rajasekhar, B.C.O. Reddy, C.S. Reddy, B.S. Reddy Polyethylene glycol (PEG-400): A mild and efficient reaction medium for one-pot synthesis of 3-hydroxy-3-(pyridin-2-ylmethyl) indolin-2-ones Tetrahedron Lett, 54 (27) (2013), pp. 3503-3506

References

  1. Aseeva R. M., Serkov B. B., Sivenkov A. B., Sakharov A.M., Sakharov P. A., Kulakov V. S., Krasheninnikova N. N. Efficiency and mechanism of action of two fire-retardant systems for wood / / Pozharovzryvobezopasnost. 2007. No. 5. pp. 23-30.
  2. Bondarenko S. N., Kablov V. F., Keibal N. A., Krekaleva T. V. Synthesis and application of phosphorus-containing oligomers / / “Oligomers-2009”: Abstracts of the X International Conference on Chemistry and Physicochemistry of Oligomers. Volgograd : VSTU, 2009. p. 199.
  3. Garashchenko N. A. Results of fire tests of kleenodere-228 dried structures with bulging coatings // Fire and explosion safety. 2006. No. 2. pp. 12-16
  4. Leonovich A. A., Sheloumov A. N. Reduction of fire danger of wood materials, products and building structures / / St. Petersburg: Publishing House of SPbGPU, 2002. – 59 p.
  5. Nigmatullina D. M., Sivenkov A. B., Polishchuk E. Yu. Physico-mechanical and fire-hazardous properties of wood with deep impregnation with fire-protective compounds // Fire and explosion safety. – M.-2017. – Vol. 26, No. 6. – pp. 43-52
  6. Tychino I. A. Fire protection and biosecurity of construction wood by means of capillary impregnation / / Moscow: Pozhnauka LLC, 2004, – 107c.
  7. Yu. Shi, G. Wang The influence of the molecular weight of PEG on the thermal and fire-fighting properties of PEP-containing polyester flame retardants with high solubility in water Prog. Org. Coat., 90 (January 2016), pp. 390-398
  8. G. – Yu Xu, V. Han, S.-V. Cheng, H.-K. Zhang, J.-M. Cao, G.-B. Ge Synthesis of single-crystal CDs nanowires with polyethylene glycol 400 as an inducing Trans template. Non-Ferrous Metals. Soc. China, 16 (1) (2006), pp. 105-109
  9. M. Raghu, M. Rajasekar, B. S. O. Reddy, S. S. Reddy, B. S. Reddy polyethylene glycol (PEG-400): a soft and effective reaction medium for the one-component synthesis of 3-hydroxy-3-(pyridine-2-ilmethyl) indoline-2-one tetrahedron Lett, 54 (27) (2013), pp. 3503-3506

Для цитирования: Покровская Е.Н. Экономические аспекты применения огнебиозащитных материалов для предохранения древесины от возгорания // Московский экономический журнал. 2021. № 8. URL: https://qje.su/ekonomicheskaya-teoriya/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-8-2021-37/

© Покровская Е.Н., 2021. Московский экономический журнал, 2021, № 8.