Лабораторная работа № 2. «Определение эффективности огнезащитных свойств покрытий и пропитки древесины».

Цель: ознакомление с методикой приготовления и обработки древесины огнезащитными составами, экспериментальное определение их эффективности.

Чтобы успешно выполнить и защитить лабораторную работу, необходимо повторить (изучить) следующие положения.

В ряде случаев при использовании древесины в строительстве возникает необходимость в ее огнезащитной обработке. Это объясняется тем, что древесина, являясь органическим материалом, состоящим главным образом из целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз (пентозаны, гексозаны и уроновые кислоты) и экстрактивных веществ, при действии высокой темпера­туры или открытого пламени разлагается, что приводит к воспламенению продуктов терморазложения и последующему самостоятельному горению.

Как показала практика, использование огнезащитной обработки древесины значительно уменьшает вероятность ее воспламенения от маломощных источников зажигания, увеличивает время задержки воспламене­ния при действии более мощных источников и открытого пламени, а также замедляет процесс распространения пламени по поверхности деревянных конструкций.

Все применяемые для огнезащиты древесины методы можно подразделить на физические, химические и смешанные, а также на поверхност­ные, глубокие и комбинированные. К физическим методам следует отне­сти применение теплоизолирующих одежд, инертных красок и инертных обмазок, а к химическим способам – пропитку антипиренами.

Механизм огнезащитного действия всех способов направлен, прежде всего, на исключение одной из составляющих классического треугольника пожара (окислитель, горючее, источник зажигания) или, по крайней мере, на разрыв одной из связей данного треугольника, либо на изменение направления протекания процесса термодеструкции материала.

Так, теплоизолирующие материалы защищают поверхность древеси­ны от действия тепла источника зажигания и тем самым препятствуют протеканию процессов разложения древесины и воспламенению продуктов ее разложения. Краски и обмазки выполняют газоизоляционную функцию. Они препятствуют выходу продуктов разложения из древесины и проникновению к ним кислорода воздуха. В результате затрудняются условия образования горючей смеси в газовой фазе. Для объяснения механизма огне­защитного действия антипиренов для древесины в настоящее время пред­ложено несколько основных теорий:

газовая теория – огнезащита материала осуществляется за счет выделения различных газов, которые разбавляют летучие легковоспламеняемые продукты разложения древесины (применение аммониевых и кислых солей угольной кислоты и др.);

теория покрывающего слоя – образование на поверхности материала стеклообразного расплава, предотвращающего доступ кислорода к древе­сине (применение угленатриевой и углекалиевой солей, метафосфорная кислота и др.);

термическая теория - антипирены отводят тепло, поступающее от источника огня, с такой же скоростью, с какой тепло поступает к материалу (аммониевые, калиевые и натриевые квасцы и др.);

теория каталитической дегидратации – применение антипиренов, способных усиливать протекание процесса дегидратации целлюлозы с образо­ванием значительного количества карбонизованного остатка (фосфорная кислота, эфиры фосфорной и борной кислот и др.).

Как правило, механизм огнезащитного действия антипиренов объясняется с точки зрения нескольких теорий, т.е. антипирены обладают ком­плексным механизмом огнезащиты.

Применение красок и обмазок, содержащих антипирены, можно отне­сти к смешанным методам огнезащиты.

К поверхностным методам относится использование термоизолирующих одежд, всевозможных красок и обмазок, поверхностная пропитка антипиренами.

К методам глубокой огнезащиты относятся пропитка древесины в ав­токлавах под давлением и пропитка в горяче-холодных ваннах. К комбинированным – глубокая пропитка древесины антипиренами в горяче-холодных ваннах с последующей окраской атмосфероустойчивыми огнезащитными красками.

Важное условие эффективности и надежности любого метода огнезащитной обработки древесины – строгое соблюдение технологии, регламентируемое соответствующими нормативными документами. В регламенте указываются все материалы и вещества, которые следует применять для данного метода обработки, а также их возможные заменители; количественный состав исходных материалов и способ приготовления огнезащиты (поверхностное нанесение или глубокая пропитка); оборудование для про­ведения огнезащитной обработки; нормы расхода огнезащитного состава на единицу поверхности или объема обрабатываемой древесины; количе­ство наносимых слоев и условия сушки при поверхностной обработке; эф­фективность огнезащиты древесины применяемым методом. Кроме этого, в регламенте могут быть оговорены особые условия проведения и приме­нения обработки: влагосодержание обрабатываемой древесины, темпера­тура и влажность окружающего воздуха, химическая агрессивность среды и т.п. В частности, большинство огнезащитных красок и обмазок следует наносить при температуре окружающего воздуха не ниже 10 °С и влажно­сти не более 70 %.

Покрытия по механизму огнезащитного действия, толщине и функ­циональному назначению подразделяются на огнезащитные обмазки, крас­ки и лаки.

Огнезащитные обмазки, представляют собой штукатурные растворы, в которых песок заменен легким наполнителем (перлит, вермикулит и др.). Количество и природу вяжущего вещества (цементы различных марок, гипс, известь, глина, жидкое стекло и др.) выбирают в зависимости от ус­ловий эксплуатации, влажности, требуемой прочности слоя и т.п. Наибо­лее известными являются следующие виды обмазок: суперфосфатная и известково-глиносолевая обмазка. Вышеуказанные огнезащитные обмазки относятся к средствам огнезащиты II группы эффективности по ГОСТ 16363-98 с указанными расходами. Обмазки могут применяться внутри са­раев, чердаков и т.д. В связи с недостаточной долговечностью и низкой де­коративностью, огнезащитные обмазки, несмотря на относительную деше­визну, в настоящее время применяются крайне редко.

Более широкое применение для огнезащиты древесины нашли огне­защитные краски, эмали и лаки. Они предназначены одновременно для де­коративной отделки, задержки воспламенения и уменьшения распростра­нения пламени по поверхности материала. Кроме того, огнезащитные со­ставы в отдельных случаях должны обладать и бактерицидными свойства­ми, необходимыми для медицинских учреждений, жилых и спортивных зданий и сооружений. Огнезащитные краски и эмали выполняют декора­тивные цели, но при этом скрывают текстуру древесины. Они представля­ют собой смесь связующего, пигмента и наполнителя, способную к само­произвольному твердению.

Декоративные огнезащитные лаковые покрытия сохраняют текстуру древесины и обеспечивают декоративный вид. Представляют собой смесь связующего на основе различного рода полимеров и функциональных до­бавок. Огнезащитные лаки обладают высокой эластичностью и адгезией к поверхности. Как правило, эти лаки при тепловом воздействии вспучиваются, создавая на поверхности теплоизолирующий слой.

В зависимости от области применения покрытия подразделяют на не атмосфероустойчивые, которые эксплуатируются только в закрытых помещениях с относительной влажностью воздуха не более 70 % и атмосфероустойчивые. Комбинированные покрытия представляют собой комбина­цию нескольких слоев, нанесенных на поверхность защищаемого материа­ла с целью, например, достижения атмосфероустойчивости основного по­крытия.

Огнезащитная краска может применяться для защиты деревянных, древесноволокнистых, древесностружечных, фанерных поверхностей от возгорания как внутри помещений, так и в условиях атмосферных воздействий.

Наиболее эффективными для огнезащиты деревянных конструкций являются вспучивающиеся покрытия. Данные покрытия являются многокомпонентными системами, состоящими из связующего, антипирена и пе­нообразователей – вспучивающих добавок. Важным преимуществом вспучивающихся покрытий и составов является возможность применения их в виде относительно тонких защитных слоев, толщина которых растет лишь в процессе высокотемпературного нагрева. Огнезащитный эффект при использовании покрытий данного типа достигается созданием на защищаемой поверхности теплоизолирующего барьера, препятствующего прогреву древесины до критических температур, выхода горючих продуктов разло­жения и доступу кислорода воздуха к защищаемой поверхности.

Проблема создания данных покрытий связана, прежде всего, как с обеспечением вспучиваемости и стабильности угольного слоя при дейст­вии высоких температур, так и адгезии к древесине, сохранения декора­тивных и огнезащитных свойств при длительной эксплуатации.

Одними из наиболее применяемых для поверхностной пропитки древесины длительное время оставались такие составы как МС, ПП и ряд дру­гих. Рецептура состава МС следующая: аммоний фосфорнокислый двузамещенный (диаммонийфосфат) - 20 %, сернокислый аммоний (сульфат аммония) - 5 %, керосиновый контакт - 3 %, вода - 72 %. Рецептура соста­ва ПП: калий углекислый (поташ) - 25 %, керосиновый контакт - 3 %, вода - 72 %. При расходе вышеуказанных пропиточных составов 500 г/м² обеспечивается II группа огнезащитной эффективности.

Проникновение антипирена в древесину определяется многими факторами, в частности влажностью древесины, частью пропитываемой древесины (ядро, заболонь), особенностями строения, породой древесины и т.д.

Наиболее эффективными способами обработки древесины являются методы глубокой пропитки в горяче-холодных ваннах и в автоклаве (более подробно данные способы огнезащиты будут рассмотрены на лекции).

Все огнезащитные составы, применяемые в настоящее время и вновь разрабатываемые, подвергаются комплексным испытаниям. При этом определяют их адгезионные, прочностные, санитарно-гигиенические свойства стабильность, декоративность, побочное влияние на древесину, а также ряд других свойств, которые могут быть важны при использовании конкретного огнезащитного состава. Главным свойством огнезащитного состава является эффективность огнезащиты, т.е. способность замедлять процессы воспламенения и самостоятельного горения древесины.

Методика испытания.

Определение эффективности огнезащитных средств для древесины проводят по ГОСТ 16363-98 «Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств», и НПБ 251-98 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний».

Сущность метода состоит в определении среднего значения потери массы, серии образцов древесины, обработанных огнезащитным составом, при огневом воздействии. Для испытания берется 10 образцов. Эти образцы изготовлены в виде прямоугольных брусков сечением 30×60 мм и длиной вдоль волокон 1501 мм мм.

Перед обработкой огнезащитным покрытием, образцы выдерживают при температуре 20°С и относительной влажности воздуха 42% до постоянной массы, что обеспечивает влажность древесины 8±1%. Затем их со всех сторон защищают испытываемым покрытием. Обработанные образцы выдерживают при комнатной температуре и относительной влажности воздуха не более 70%.

Оборудование и материалы: установка «керамическая труба» (рис.2), лабораторные весы, секундомер, алюминиевая фольга, образцы огнезащитной древесины, газ, вытяжной шкаф с принудительной вентиляцией.

Испытания проводят на приборе «керамическая труба». При этом на образец воздействуют пламенем газовой горелки в течении двух минут.

Рисунок 2 – Схема установки для определения огнезащитной эффективности составов и веществ для древесины

По результатам испытаний вычисляют потерю массы образца:

где: m – потеря массы образца в ходе испытаний, %;

m₁ – масса образца до испытаний, г;

m₂ – масса образца после испытаний, г;

За результат принимают среднеарифметическое значение 10 испытаний.

Далее определяется группа огнезащитной эффективности:

m < 9% - 1 группа средств (трудносгораемая древесина)

9% < m < 25% - 2 группа средств (трудновоспламеняемая древесина)

m > 25% - средство не является огнезащитным (не обеспечивает огнезащиту древесины).

Данные о результатах испытаний заносят в таблицу (табл. 3).

Таблица 3 – результаты огневых испытаний.

Номер образца	Средство огнезащиты	Масса образца, г		Потеря массы образца mi, %	Среднее значение потери массы mср, %	Группа огнезащитной эффективности
		m1	m2

Контрольные вопросы:

1. Каково назначение огнезащитной обработки древесины?

2. Перечислите основные методы огнезащитной обработки древесины, отметьте, в чем заключается механизм огнезащитного действия каждого из них.

3. Каковы основные технологические требования к огнезащитной обработке древесины?

4. Как осуществляется оценка огнезащитной эффективности составов и веществ для древесины?

5. Как классифицируются по эффективности средства огнезащиты для древесины?

Литература:

1. ГОСТ 16363-98 «Средства огнезащитные для древесины. Методы определения огнезащитных свойств».

2. НПБ 251-98 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний».

3. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре: Учебник - М.: Академия ГПС МЧС России, 2003 г.- 656 с.

13