Міністерство освіти і науки України

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

жартовський сергій володимирович

удк 614.842.615

підвищення ефективності ВОГНЕЗАХИСТу

фанери ПРОСОЧУВАЛЬНими засобами

21.06.02 - пожежна безпека

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Академії пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України (м. Черкаси).

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Цапко Юрій Володимирович, Академія пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, доцент кафедри прогнозування і профілактики надзвичайних ситуацій та пожеж.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Беліков Анатолій Серафімович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри безпеки життєдіяльності;

- кандидат технічних наук, доцент Шналь Тарас Миколайович, Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри будівельних конструкцій та мостів.

Захист відбудеться “5 “ грудня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.01 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул.Сумська,40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул.Сумська,40.

Автореферат розісланий “ 2 “листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент | Т.М.Обіженко

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Фанера, як і більшість целюлозовмісних матеріалів, горючий легкозаймистий матеріал. Статистика засвідчує постійне зростання випадків займання, коли пожежним навантаженням є фанера. Об’єктами пожеж є пасажирські вагони, електро- та дизельпотяги, житлові будинки тощо. Відтак збитки складають сотні мільйонів гривень. На пожежах трапляються і людські жертви, причиною яких переважно є токсичні продукти горіння.

За пожежними і будівельними нормами та правилами, залежно від функціонального призначення об’єктів, дозволяється застосування конструкцій із фанери з показниками низької горючості, важкозаймисті, що не поширюють полум’я поверхнею, з незначною димоутворювальною здатністю, а за токсичністю продуктів горіння – малонебезпечні. Це свідчить про те, що фанера, як матеріал, повинна бути пожежобезпечна. Проблему можна вирішити через розв’язання низки наукових та практичних задач спрямованих на вирішення комплексу технічних питань щодо підвищення ефективності протипожежного захисту об’єктів різного призначення шляхом застосування в них фанери, яку відносять до групи важкогорючих матеріалів із пониженим рівнем токсичності продуктів горіння.

Враховуючи вищенаведене, тема дисертаційної роботи “Підвищення ефективності вогнезахисту фанери просочувальними засобами” є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися в рамках заходів щодо виконання Державної програми забезпечення пожежної безпеки на період до 2010 року, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01.06.2002 р. №870; Концепції наукової діяльності Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України на 2005 – 2010 роки науково-дослідної роботи в УкрНДІПБ МНС України за темою “Розробити проект Державного стандарту України “Речовини вогнезахисні для деревини. Загальні технічні вимоги і методи випробувань” (державний реєстраційний № 0103U007969) (особистий внесок – проведення аналітичних та експериментальних досліджень).

Мета роботи – підвищення ефективності вогнезахисту фанери шляхом просочення її засобами на основі неорганічних і органічних речовин.

Задачі досліджень. Для виконання поставленої мети необхідно було розв’язати наступні задачі:– 

провести аналіз сучасного стану вогнезахисту фанери;– 

провести дослідження процесів займання вогненезахищеної та вогнезахищеної фанери;– 

провести дослідження процесів поширення полум’я поверхнею вогненезахищеної та вогнезахищеної фанери;– 

розробити засоби і способи вогнезахисту фанери просоченням композицією на основі неорганічних і органічних речовин;– 

провести комплекс експериментальних досліджень ефективності вогнезахисту та експлуатаційних властивостей вогнезахищеної фанери; 

провести дослідження придатності вогнезахищеної фанери для використання її на об’єктах масового перебування людей.

Ідея роботи полягає у використанні композиції сольових антипіренів, полімерного антисептика, кремнійорганічного полімерного гідрофобізатора та застосуванні прискорюючих фізико-хімічних процесів просочення фанери.

Об’єкт досліджень – процеси займання вогненезахищеної та вогнезахищеної фанери, умови й механізми їх уповільнення.

Предмет досліджень – вогненезахищена та вогнезахищена фанера, вогнезахисні просочувальні засоби.

Методи дослідження. У роботі використано комплекс методів досліджень, що вміщує теоретичні дослідження процесів займання та поширення полум’я поверхнею вогненезахищеної та вогнезахищеної фанери; експериментальні методи дослідження ефективності вогнезахисту фанери; числові методи математичного аналізу; фізико-хімічні методи досліджень (газова хроматографія, оптична спектроскопія та термогравіметричний аналіз); методи лабораторних випробувань, регламентовані діючими стандартами.

Наукова новизна отриманих результатів. Підвищення ефективності вогнезахисту фанери полягає у встановленні закономірностей взаємозв’язку процесів піролізу і горіння фанери із фізико-хімічними властивостями просочувального засобу з антипірена, полімерного антисептика, гідрофобізатора (флегматизуванням, інгібуванням та ізолюванням полум’я), а також у вдосконаленні моделей займання і визначення швидкості поширення полум’я поверхнею вогненезахищеної та вогнезахищеної фанери, а саме:

- теоретично встановлено й експериментально визначено зміни умов вогнезахисту фанери, які відображають взаємозв’язок процесу вогнезахисту фанери із властивостями просочувального засобу з антипірена, полімерного антисептика, гідрофобізатора під дією температури виділяти негорючі гази та знижувати константи швидкості реакцій окиснення в газовій фазі, що призводить до перетворення легкозаймистого матеріалу на важкогорючий із новими фізико-хімічними характеристиками, зокрема відсутністю температури займання та самозаймання.

- встановлені граничні умови переведення легкозаймистих виробів із фанери у важкозаймистий стан шляхом їх оброблення вогнезахисною сумішшю на основі неорганічних і органічних речовин, виявлено вплив компонентів просочувальної суміші фосфатів та сульфату амонію з полімерним антисептиком “Гембар” на зменшення кількості горючих газів у сумішах летких продуктів термодеструкції вогнезахищених зразків фанери: метану – у 4,6 рази, водню – у 5 разів, оксиду вуглецю – у 3 рази, кількість азоту зросла більше, ніж у 30 разів.

- визначено оптимальне співвідношення складу суміші для вогнезахисту та експериментально підтверджено, що, залежно від кількості компонентів просочувальної суміші у фанері (антипірену не менше за 45,0 кг/м3, антисептика – 0,4 кг/м3), займисті вироби із фанери переходять до груп за показниками пожежної небезпеки: важкогорючі та важкозаймисті, які не поширюють полум’я поверхнею, з помірною димоутворювальною здатністю, а за токсичністю продуктів горіння – помірно небезпечними згідно з ДБН В.1.1-7, що дозволяє застосовувати будівельні конструкції з вогнезахищеної фанери на об’єктах різного призначення.

- показано, що розроблена вогнезахищена фанера вміщує формальдегіду менше ніж у три рази, порівняно з вогненезахищеною.

Практичне значення отриманих результатів полягає у розробленні засобів захисту фанери, які дозволяють отримати вироби з фанери із ефективнимим вогнебіозахистними властивостями та з помірною токсичністю, не погіршуючи експлуатаційні та естетичні показники. За умови дотримання необхідних вимог, продукція з вогнезахищеної фанери може використовуватися на об’єктах масового перебування людей, зокрема для виготовлення перегородок, настилів для підлоги, підвісних стель, обшивки даху. Використання таких матеріалів знижує ризик виникнення і можливості розвитку пожежі, а також збільшує тривалість експлуатації виробів із фанери. Отримано спеціальний дозвіл на застосування вогнезахищеної фанери для будівництва та ремонту (реконструкції) пасажирського рухомого складу, дизель- та еклектропотягів. Розроблено нормативно-технічну документацію у вигляді технічних умов, технологічного регламенту на виготовлення вогнезахищених виробів із фанери.

Реалізація висновків і результатів роботи здійснена шляхом їхнього використання під час виконання робіт із виготовлення вогнезахищеної фанери, що проводяться ПП “Вогнезахист-Фандеталь” та ЗАТ “Фанплит”, при розробленні технологічного регламенту отримання важкогорючої фанери, а також при виготовленні будівельних конструкцій для внутрішнього облаштування об’єктів масового перебування людей (театри, готелі, ресторани, житлові та адміністративні будівлі). Зокрема фанеру, оброблену вогнебіозахисною сумішшю, використовують для виготовлення дерев’яних елементів пасажирських вагонів залізничного транспорту.

Особистий внесок здобувача: проведено огляд і аналіз літературних джерел, які висвітлюють питання вогнезахисту фанери, виконано теоретичні дослідження щодо моделювання процесу займання поверхні фанери та швидкості поширення полум’я її поверхнею, експериментально встановлено умови вогнебіозахисту фанери і здійснено лабораторні дослідження з визначення її вогнезахисних властивостей, визначено оптимальний склад компонентів просочувальної суміші для ефективного захисту фанери.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідались на симпозіумі “Проблеми вдосконалення транспортної медицини” (м. Одеса, 10–11 травня 2007), науково-практичних заходах у рамках спеціалізованої виставки “Пожежна та техногенна безпека України – 2007” (м. Київ, 25–26 квітня 2007), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (м. Мінськ, 6–7 червня 2007).

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 11 робіт, з яких 6 наукові статті у виданнях, внесених до переліку ВАК України, тези 3 доповідей на науково-практичних конференціях та семінарах, 3 деклараційних патенти на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 141 найменування; містить 190 сторінок друкованого тексту, 26 таблиць, 22 ілюстрації і 6 додатків.

основний зміст роботи

у вступі обґрунтовано вибір та актуальність теми дослідження, сформульовано мету роботи, задачі досліджень, відзначено наукову новизну, практичну значимість роботи та особистий внесок здобувача.

у першому розділі проаналізовано сучасний стан проблемних питань отримання вогнезахищеної фанери.

Поглиблено розглянуто процеси, які супроводжують горіння фанери, умови та механізми їх уповільнення і припинення. Аналіз пожежної небезпеки целюлозовмісних матеріалів засвідчує про те, що при нагріванні таких матеріалів високомолекулярні речовини, які входять до їх складу (целюлоза, лігнін, пентозани, гексозани) при високих температурах виявляються малостійкими і розкладаються. Загальний напрямок цього розкладання такий, що зі складних речовин, які володіють високою молекулярною масою, утворюються більш прості і стійкі речовини. Полуменеве горіння целюлозних матеріалів обумовлюється тим, що вони виділяють горючі гази в такій кількості, яка відповідає нижній концентраційній межі займання. Полум’я, яке утворюється при цьому, випромінює досить велику кількість енергії, що відіграє важливу роль у поширенні вогню. Змінити механізм утворення горючих газів можна за рахунок оброблення фанери вогнезахисними просочувальними засобами. Введення в деревину антипіренів зменшує утворення горючих летких продуктів (СН4, Н2, СО та ін.), інгібує газофазні реакції полум’я і виключає безполуменеве горіння карбонізованого залишку.

Питання підвищення ефективності вогнезахисту целюлозовмісних матеріалів досліджувались у роботах Бєлікова А.С., Жартовського В.М., Калниньша А.Я., Левитес Ф.А., Леоновича А.А., Тичино О.М., Цапка Ю.В., Шналя Т.В., Яковлєвої Р.А. та інших. Однак у цій галузі ще існує ряд невирішених задач.

У цьому розділі значну увагу приділено аналізу ефективності вогнезахисту фанери за допомогою просочувальних речовин, а саме застосування комбінованих просочувальних сумішей з антипірену й антисептика. Для забезпечення пожежної безпеки на об’єктах будівництва та захисту від пожеж, розроблено та введено в дію ДБН В.1.1-7, згідно з яким, дерев’яні елементи горищних покриттів (крокви, лати) будинків повинні оброблятися засобами вогнезахисту, які забезпечують І групу вогнезахисної ефективності згідно з ГОСТ 16363. З огляду на важливість застосування вогнезахищеної фанери в підвищенні рівня пожежної безпеки об’єктів, оброблення її проводиться облицьованням металевими або азбестовими листами, але перші не давали необхідної ефективності, а другі – шкідливі для людини. Велика кількість робіт присвячена пошуку ефективних антипіренів та способів їх введення в фанеру. Більшість антипіренів виявилась малоефективними для вогнезахисту фанери шляхом поверхневого просочення. До того ж вони відносяться до шкідливих токсичних речовин, це солі важких металів. Найбільш вдалою можна вважати розробку спеціалістів, яка базується на формуванні фанерних плит з просоченням кожної шпонини антипіреном на основі рідких комплексних мінеральних добрив з визначеним спвівідношенням N:Р:К (азот, фосфор, калій). Необхідно відзначити, що це дуже складна технологія з великою вірогідністю отримання неякісної продукції. Справа в тім, що на поверхні просоченої шпони після сушіння утворюється шар сольових антипіренів, який перешкоджає адгезії клеєвого матеріалу до целюлози шпони під час формування плит. Виникає дилема в тому, що при оптимальній концентрації сольового антипірену відбувається неякісне склеювання шпони, яке в свою чергу призводить до погіршення фізико-механічних властивостей фанерних плит (вони розтріскуються), а при зменшенні концентрації антипірену призводить до погіршення вогнезахисних властивостей фанерних плит, але до покращення фізико-механічних властивостей.

На підставі проведеного аналізу літературних джерел сформульовано задачі досліджень та основні напрямки їх розв’язання.

Другий розділ присвячено теоретичним дослідженням умов вогнезахисту фанери з застосуванням просочувальної суміші на основі неорганічних і органічних речовин.

Проаналізовано особливості утворення ізолюючої перешкоди для виходу летких продуктів і переносу тепла до фронту піролізу фанери в результаті перетворення її поверхні при нагріванні. Такою ізолюючою перешкодою є утворення модифікованого шару коксу за рахунок присутності антипіренів у фанері.

Для розробки практичних рекомендацій із запобігання займання фанери, необхідно мати можливість прогнозу критичного стану, коли її температура досягне критичного рівня температури займання, вище якого система здатна до самоприскорення процесів обміну й переходу в стан теплового займання, який є імпульсом до початку ланцюгової реакції окиснення (горіння).

Динаміка розподілу температури при нагріванні та займанні фанери прогнозується шляхом математичного моделювання процесів теплопередачі в однорідному твердому тілі й базується на математичній моделі Зельдовича Я.Б.

(1)

де  – густина фанери, кг/м3;

ср – питома теплоємність фанери, Дж/(кгК);

Tг – температура горіння фанери, К;

t – час, з моменту дії теплового потоку на фанеру, с;

? – теплопровідність фанери Вт/(мК);

x – просторова координата, м;

j – коефіцієнт форми об’єму досліджуваного об’єкта; – 

передекспоненціальний множник реакції окиснювання, с-1; – 

частина теплоти реакції окиснювання, що витрачається на згоряння матеріалу (глибина проникнення реакції), яка залежить від швидкості вигоряння матеріалу, Дж/кг;

Q – тепловий ефект реакції окиснювання, Дж/кг;

E – енергія активації, Дж/моль;

R – універсальна газова постійна, R=8,314 Дж/(мольК); – 

початкова температура матеріалу, К;

? – коефіцієнт теплообміну між поверхнею матеріалу й навколишнім середовищем, Вт/(м2К);

Тн – температура навколишнього середовища, К.

У безрозмірному виді для пластини, яка находиться під впливом теплового потоку, маємо

(2)

, (3)

, (4)

з граничними умовами при =0; =0; а при =2; , (6)

де  – безрозмірна температура

– безрозмірна координата (h – товщина пластини), – 

параметр, що визначає область горіння (окиснення) шару фанери.

У зв’язку з тим, що на одній стороні пластини підтримується постійна температура (Ві ), то розрахунок критичної товщини шару фанери можна розрахувати за наступною залежністю:

, (8)

де .

При цьому величину шару поверхні фанери, в якій під дією теплового потоку проходить процес втрати маси (вигоряння), можна отримати з рівняння виду:

, (9)

де кр критична товщина шару фанери за умови несиметричного теплообміну, в якій під дією теплового потоку проходить процес піролізу з виділенням горючих газів (при > 0, = 0), мм;

- параметр, що характеризує горіння матеріалу;

- параметр, що характеризує вигоряння матеріалу;

f() функція, яка враховує втрату матеріалу в процесі горіння.

Враховуючи те, що процес нагрівання фанери проходить при відносно великих температурах, критерій Ві розраховували з урахуванням втрати тепла за допомогою сумарного коефіцієнта тепловіддачі :

, (12)

де , (13)

де h – товщина зразка деревини, м

, п – теплопровідність деревини та повітря відповідно, Вт/(мК)

стала Стефана-Больцмана, Вт/(м2К4)

g, , aп – прискорення сили тяжіння, кінематична в’язкість і температуропровідність повітря.

З урахуванням вищенаведеного, для розрахунку використано рівняння запропоноване Горшковим В.І.:

, (14)

де f(?, ?0) = f1(?)·f2( ?) функція, яка характеризує вплив густини теплового потоку й вигоряння зразка і має вигляд:

f1(?) = ?0,6, f2( ?) = 1 + 0,3·? , (15)

де ? – параметр, який характеризує температурний вплив на матеріал.

Товщину шару поверхні фанери, що зайнялася визначали за таким рівнянням:

(16)

Процес займання фанери проходить при перевищені критичної температури. При цьому займання продуктів піролізу наступає не миттєво, а через деякий проміжок часу. У зв’язку із цим час індукції займання матеріалу можна визначити за залежністю запропонованою Зельдовичем Я.Б.:

, (17)

де а=1+2 – період індукції при адибатичних умовах горіння;–

функція, яка характеризує температурну межу займання матеріалу;

= /кр – відносне значення межі займання;–

функція, яка враховує характер теплообміну плоскої пластини (у нашому випадку – фанери).

З урахуванням вогнезахисту розрахунок параметра, який характеризує вигоряння матеріалу, можна провести за наступною залежністю

(18)

де k – коефіцієнт впливу просочувальних засобів на вигоряння фанери (0,6 ? 0,65).

Необхідно зазначити, що товщина і теплозахисні властивості коксу, які утворюються під дією теплового потоку на вогнезахищену фанеру, суттєво впливають на її займання.

Оцінювання коефіцієнта теплопровідності проведено з моделі передавання тепла до фронту обвуглювання фанери:

, (19)

де ? – сумарний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2·К);

hк – товщина утвореного шару коксу, м.

Відповідно змінюється і питома теплоємність обвугленого шару фанери:

, (20)

де ?к – густина модифікованого коксу, кг/м3.

Зменшення густини і теплоємності обвугленого шару фанери знижує її теплову активність, показуючи високі теплоізолюючі якості за рахунок акумуляції тепла.

На рис. наведено залежність часу займання поверхні фанери від густини теплового потоку (в нашому випадку дію теплового потоку характеризує число Ві) для різних значень параметра ?, що характеризує вплив вогнезахисних речовин на матеріали. Із збільшенням параметра ?, час займання поверхні фанери збільшується в 4 – 5 разів.

Діючи на фанеру тепловим потоком критичної величини, утворюється зона хімічної реакції, яка в результаті переносу тепла й активних центрів розповсюджується поверхнею від однієї зони до іншої. Зона швидкої хімічної реакції та значного градієнта температур і концентрації утворює фронт полум’я, поширення якого визначають процеси теплопровідності від продуктів згоряння до горючої речовини, коли концентрація її сягає нижньої концентраційної межі розповсюдження полум’я вздовж поверхні, а також дифузії легкозаймистих газів та пари продуктів піролізу. Молекули продуктів реакції можуть слугувати активними центрами, тому швидкість їх переносу виявляє рішучий вплив на швидкість поширення полум’я. Тому необхідно розглядати горіння фанери не тільки в глибину, а і поширення полум’я поверхнею.

Розглянемо рух плоского фронту полум’я по фанері (рис. 2). До температури В йде повільна реакція прогрівання, потім відбувається швидка хімічна реакція займання матеріалу.

В загальному вигляді горіння фанери можна виразити рівняннями у безрозмірному вигляді з граничними та початковими умовами:

(21)

(22)

= 0 = 0, = 1 = 1, = 0 (23)

(24)

де = Т/Та – безрозмірна температура

= Ск/С – безрозмірна концентрація летких продуктів піролізу

- безрозмірний час;

- безрозмірна відстань;

;

;

uн – швидкість поширення зони реакції

– товщина зони горіння;

k0 – передекспоненціальний множник в реакції горіння.

Для адіабатичних умов горіння фанери (Ре = РеD) система рівнянь (21-24) набуває вигляду

. (25)

Знаходимо значення параметра Ре, при якому вирішення рівняння відповідає граничним умовам. Для цього розіб’ємо область інтегрування на дві зони підігріву І і реакції ІІ. У зоні І проходить підігрів фанерної плити за рахунок теплопровідності від фронту полум’я, в якій не відбувається тепловиділення, і рівняння (25) перетворюється у

. (26)

Нижня межа зони підігріву лежить при = -, де d/d = 0. Верхня межа відповідає 1, з якої тепловиділення виявляє значний вплив, тобто друга похідна має максимум. У цій зоні вирішення рівняння (24) набуває такого вигляду

. (27)

Для того, щоб відбулося займання фанери за певний проміжок часу, необхідно, щоб температура займання була достатньо значна, тобто в , а саме: в = 1- RTa/E. За таких умов рівняння (25) має вигляд

. (28)

Вирішення рівняння (28) з граничними умовами при = d/d = 0 після інтегрування

. (29)

Очевидно, що при неперервності температури полум’я, теплові потоки на межі розділення зон повинні бути однаковими

. (30)

Підставляючи в рівняння (30) вирази (27, 29), отримаємо значення числа Ре

. (31)

У зв’язку з тим, що тепловиділення проходить у зоні горіння, для визначення швидкості поширення полум’я при горінні фанери проведено за залежністю

. (32)

Загоряння фанери, здебільшого супроводжується появою полум’я, в якому відбувається екзотермічна реакція взаємодії газоподібних продуктів матеріалу з киснем. Враховуючи результати досліджень із визначення кінетики горіння деревини, а саме частки летких горючих речовин в загальній кількості продуктів розкладу та кінетичних констант процесу розкладу деревини рівняння (32) набуло такого вигляду

(33)

або у розмірному вигляді . (34)

Передекспоненціальний множник (k0) враховує характер горіння матеріалу і для вогненезахищеної деревини він становить 0,416 с-1. Вогнезахист зменшує горіння деревини шляхом зменшення кількості горючих газів в продуктах піролізу нижче нижньої концентраційної межі займання і значення цього множника наближається до нуля, а тому коефіцієнт, який враховує ефективність вогнезахисту описується рівнянням:

Ке=1/k0

і становить значення більше за 2,4.

На рис. 3 наведено результати розрахунку швидкості поширення полум’я по поверхні фанери (uн) залежно від впливу температури та експериментальні дані. Добре співпадання експериментальних результатів з теоретичними розрахунками свідчить про адекватність розробленої моделі.

Третій розділ містить результати експериментальних досліджень з розроблення способу вогнезахисту фанери і визначення вогнезахисних властивостей фанери після оброблення її сумішами неорганічних і органічних речовин.

Проведено дослідження з визначення групи горючості фанери згідно з ГОСТ 12.1.044 товщиною від 5, 10, 15 та 20 мм, результати із визначення втрати маси зразків (m, %) та приросту максимальної температури газоподібних продуктів горіння (t, оС) фанери наведено на рис. 4.

За результатами досліджень (рис. 4), усі зразки фанери згідно з ГОСТ 12.1.044 характеризуются як легкозаймисті й горючі матеріали.

Для вогнезахисту фанери використали запатентований нами просочувальний засіб для деревини ДСА-2, який складається із сольового антипірену (суміш діамонійфосфату і сульфату амонію) та полімерного антисептика “Гембар” (полігексаметиленгуанідінфосфат). Відомі способи просочення деревини (поверхневе просочення, глибоке просочення: гаряча-холодна ванна, вакуум-тиск в автоклавах, електрогідравлічний метод) не вдалося використати для вогнезахисту фанери, бо сендвічна структура фанерної плити, коли шар дерев’яної шпони товщиною 1,5 – 2 мм черегується шарами полімерного клею з карбамідо(фенол)формальдегідної смоли товщиною в декілька мікрометрів, не дозволила цього зробити. Використання високої температури (70-80 °С), високого вакууму та тиску приводило до руйнування адгезійних сил між деревиною і полімерною смолою, що призводило до погіршення фізико-механічних властивостей вогнезахищеної фанери. Знадобилось провести дослідження з розроблення способів виготовлення вогнезахищеної та підвищеної водостійкості фанери. Було розроблено спеціальне обладнання та вакуумні ванни, відпрацьовано технологічний процес. Для покращення гідрофобних властивостей поверхні фанери встановлена доцільність використання полімерного кремнійорганічного покриття “Сілол”.

Вогнезахисні властивості важкогорючої фанери досліджувалися під час з’ясування можливостей застосування їх у машинобудуванні. До матеріалів і конструкцій, які використовують для внутрішнього облаштування пасажирських вагонів, висувають вимоги стосовно пожежної безпеки: вони повинні бути важкогорючими, з повільним поширенням полум’я, з помірною димоутворювальною здатністю та за токсичностю продуктів горіння – помірно небезпечними. Ці показники визначали за методиками, що наведено в ГОСТ 12.1.044. Проведено дослідження з визначення групи горючості вогнезахищеної фанери товщиною від 5 мм до 30 мм, які було оброблено сумішшю ДСА-2 з гідрофобізувальним покриттям “Сілол” та без нього. Результати визначення втрати маси зразків та приросту максимальної температури газоподібних продуктів горіння вогнезахищеної фанери наведено в табл. 1.

За результатами досліджень (табл. 1), усі зразки фанери згідно з ГОСТ 12.1.044 зхарактеризовані як важкогорючі. До того ж зі збільшенням товщини фанери важкогорючі властивості покращуються. Додаткове оброблення зразків кремнійорганічним гідрофобізатором “Сілол” до певної міри зменшує ефективність вогнезахисту, проте зразки відносяться до групи важкогорючих матеріалів.

Таблиця 1. Дані щодо визначення групи горючості вогнезахищених зразків фанери

№ зразка | Характеристика вогнезахищеного зразка фанери | Втрата маси зразка (m, %) | Максимальна температура газоподібних продуктів горіння (t, оС)

1 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2, товщиною 5 мм | 30,2 | 220,1

2 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 та сумішшю “Сілол”, товщиною 5 мм | 36,1 | 221,2

3 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2, товщиною 10 мм | 22,1 | 215,4

4 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2, товщиною 15 мм | 18,3 | 183,3

5 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 та сумішшю “Сілол”, товщиною 15 мм | 19,4 | 190,3

6 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2, товщиною 20 мм | 14,7 | 171,4

7 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2, товщиною 30 мм | 10,4 | 163,6

8 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 та сумішшю “Сілол”, товщиною 30 мм | 11,6 | 174,6

Такий широкий спектр визначення групи горючості вогнезахищеної фанери дав можливість зменшити коло досліджень із визначення індексу поширення полум’я. Експериментальні дані щодо дослідження фронту й індексу поширення полум’я поверхнею зразків вогнезахищеної фанери згідно з ГОСТ 12.1.044 наведено в табл. 2, 3.

Таблиця 2. Дослідження фронту поширення полум’я поверхнею зразків вогнезахищеної фанери

№ зра-зка | Трива-лість проходження фронтом полум’я нульової ділянки ?о, с | Тривалість i проходження фронтом полум’я і-ї ділянки, с | Відстань, на яку по-ширився фронт по-лум’я

L, мм

1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9

Фанера, необроблена товщиною 5 мм

1 | 12 | 3 | 4 | 5 | 3 | 3 | 4 | 5 | 3 | 3 | 289

2 | 9 | 5 | 12 | 7 | 5 | 5 | 2 | 7 | 5 | 5 | 306

3 | 9,5 | 5 | 2 | 4,5 | 12 | 5 | 2 | 4,5 | 2 | 1 | 295

4 | 11 | 2 | 3 | 14 | 2 | 4 | 3 | 4 | 2 | 4 | 295

5 | 9 | 3 | 5 | 3 | 4 | 3 | 5 | 3 | 6 | 1 | 310

Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 та сумішшю “Сілол” товщиною 5 мм

1 | 403 | 13 | - | - | - | - | - | - | - | - | 55

2 | 311 | 55 | - | - | - | - | - | - | - | - | 63

3 | 146 | 1 | 199 | - | - | - | - | - | - | - | 89

4 | 185 | 2 | 39 | 43 | - | - | - | - | - | - | 122

5 | 192 | 41 | - | - | - | - | - | - | - | - | 71

Результати досліджень із визначення вогнезахисних властивостей фанери показали, що вогнезахищені зразки відносяться до важкогорючих матеріалів, які не (повільно) поширюють полум’я поверхнею, порівняно з вогненезахищеною фанерою (табл. 1, 3).

Таблиця 3. Дослідження індексу поширення полум’я поверхнею зразків вогнезахищеної фанери

№ зразка | Характеристика вогнезахищеного зразка фанери | Індекс поширення полум’я

1 | Фанера необроблена, товщиною 5 мм | 47,4

1 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 товщиною 5 мм | 1,03

2 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 та сумішшю “Сілол” товщиною 5 мм | 5,02

3 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 товщиною 15 мм | 0

4 | Фанера, оброблена сумішшю ДСА-2 та сумішшю “Сілол” товщиною 15 мм | 0

Згідно з ГОСТ 12.1.044 визначено димоутворювальну здатність необроблених та оброблених зразків фанерної плити ( = 5 мм) обробленої ДСА-2 з гідрофобізувальним покриттям “Сілол”.

Дослідження показали (рис. 5) значне зменшення (у 5 разів) коефіцієнта димоутворення для вогнезахищених зразків та їх перехід із групи матеріалів з високою (для необроблених зразків) до групи матеріалів із помірною димоутворювальною здатністю.

Одним з показників пожежонебезпеки матеріалів, а саме фанери, є температура займання та самозаймання згідно з ГОСТ 12.1.044, які приймаються до уваги під час розроблення заходів щодо забезпечення пожежної безпеки різних об’єктів. Проведено дослідження з визначення температури займання та самозаймання вогнезахищеної фанери, за результатами яких побудовано криві залежності температури від часу займання. Результати досліджень наведено на рис. 6, 7.

На рис. 6, 7 бачимо, що при температурі близько 300 °С відбулося займання, а при значенні температури 450 °С самозаймання необроблених зразків фанери та просочених зразків із меншою кількістю антипіренів. Займання та самозаймання оброблених зразків фанери з необхідним рівнем вогнезахисту при температурі більше 600 °С не спостерігалося.

Оцінювання захисних властивостей фанери проведено по коефіцієнту ефективності:

, (33)

де ?н.ф. – час займання необробленого зразка фанери;

?в.ф. – час займання вогнезахищеного зразка фанери;

ТЗ н.ф. – температура займання необробленого зразка фанери;

ТЗ в.ф. – температура займання вогнезахищеного зразка фанери.

Як було встановлено у розділі 2 при розрахунку коефіцієнта ефективності для зразків вогненезахищеної деревини і фанери він дорівнює 2,4. Для фанери з недостатнім вогнезахистом він знаходиться в межах 5 ? 7, а для необхідного вогнезахисту повинен бути не менше 9,5 ? 10.

Таким чином, визначивши температуру та час займання необроблених та просочених зразків фанери можна встановити ефективність їх вогнезахисту.

З урахуванням результатів термогравіметричних досліджень, проведено термодеструкцію зразків фанери в умовах, за яких утворення газоподібних продуктів відбувається з найбільшою швидкістю. Основна кількість (понад 80 %) продуктів піролізу надходила в газозбірник у діапазоні 220–370 С, у якому, за даними термогравіметричного аналізу, деструкція відбувалася за механізмом відщеплення летких продуктів, також проведено їх газохроматографічний аналіз (табл. 4).

Згідно з ГОСТ 12.1.044 одним з основних небезпечних факторів пожежі, що впливають на людей, є токсичні продукти горіння. Під час виникнення пожежі вплив токсичних продуктів горіння може значно випереджувати дію інших факторів. Метод визначення токсичних продуктів горіння базується на принципі статичної дії продуктів горіння на піддослідних тварин в експозиційній камері.

Таблиця 4. Якісний і кількісний склад газоподібних продуктів термічної деструкції фанери

Компонент | Вміст компонентів у летких продуктах деструкції матеріалу, % об.

фанери | фанери, обробленої сумішшю фосфатів та сульфату амонію і полімерним антисептиком

CO | 48,10 | 16, 22

CO2 | 36,30 | 4,12

CH4 | 7,28 | 1,56

C2H6 + C2H4 | 0,50 | сліди

C3H8 | 0,11 | не виявлено

C3H6 | 0,10 | не виявлено

Н2 | 4,55 | 0,89

О2 | 0,65 | не виявлено

N2 | 2,41 | 77,21

Спільно з відділом гігієни та токсикології Інституту медицини транспорту МОЗ України було проведено відповідні токсикологічні випробування (табл. 5) фанерної плити ( = 5 мм) обробленої ДСА-2 з гідрофобізувальним покриттям “Сілол”.

Таблиця 5. Результати токсикологічних випробувань продуктів горіння обробленої фанери сумішшю ДСА-2 та гідрофобізатором “Сілол”

Матеріал | 400 оС | 750 оС

HCL50, г/м3 | HbCO, % | HCL50, г/м3 | HbCO, %

Фанера + ДСА-2 | 64,1 | 60,7 | Не досягнуто | Не виявлено

Фанера + ДСА-2 + “Сілол” | 58,6 | 59,2 | Не досягнуто | Не виявлено

Встановлено наявність карбоксигемоглобіну в крові лабораторних тварин, що було причиною їх загибелі. Це свідчить про спричинення смертельного ефекту дією монооксиду вуглецю. Мінімальне значення показника HCL50, визначене за температури 400 оС, складає для фанерної плити ( = 5 мм), обробленої ДСА-2 та гідрофобізатором “Сілол” – 58,6 г/м3, для фанерної плити ( = 5 мм), обробленої ДСА-2, – 64,1 г/м3 відповідно. Для встановлення величини показника токсичності продуктів горіння використано класифікацію згідно з ГОСТ 12.1.044. За цим показником досліджені матеріали відносять до помірно небезпечних матеріалів.

Для дослідження важкогорючих властивостей фанери, яку отримано шляхом просочення сумішами на основі фосфатів та сульфату амонію і полімерного антисептика “Гембар”, проведено математичне планування шляхом реалізації повнофакторного експерименту за методом Бокса-Уілсона. Факторами було обрано товщину фанери, кількість антипіренів та кількість “Гембару”, при якому досягається мінімальна втрата маси зразків у досліді на горючість. Експериментальними дослідженнями підтверджено результати розрахунку оптимальної концентрації компонентів у вогнезахищеній фанері (табл. 6), здатній перевести фанеру у важкогорючий стан, яка не поширює полум’я поверхнею (ГОСТ 12.1.044).

Проведено дослідження експлуатаційних властивостей фанери, а саме визначено: границю міцності під час сколювання по клеєному шару згідно з ГОСТ 9624, границю міцності при статичному згинанні вдовж волокон лицьових шарів згідно з ГОСТ 9625 та вміст формальдегіду згідно з ГОСТ 27678. Встановлено, що границя міцності під час сколювання по клеєному шару після оброблення вогнезахисною сумішшю не зменшилася і становить 2,54 МПа (за норми не менше 1,5 МПа) відповідно - границя міцності при статичному згинанні становить 61,2 МПа (за норми не менше 55 МПа), а вміст формальдегіду зменшився з 13,8 мг на 100 гр фанери до 4,1 мг, що призвело до покращення якості фанери (переведення з класу емісії формальдегіду Е2 до Е1).

Таблиця 6 Оптимальна кількість антипірену та полімерного антисептика на 1 м3 фанери

Товщина фанерного листа, мм | Кількість м2 поверхні фанери в 1 м3 | Витрата антипірену,

кг/м3 | Витрата антисептика,

кг/м3

5 | 400 | 65 | 1,60

7 | 285,6 | 63 | 1,14

8 | 250 | 62 | 1,00

10 | 200 | 60 | 0,80

12 | 166 | 58 | 0,70

15 | 133 | 55 | 0,54

16 | 125,2 | 52 | 0,50

18 | 110,6 | 50 | 0,44

20 | 100 | 48 | 0,40

22 | 91,2 | 45 | 0,36

Четвертий розділ присвячено практичній реалізації розроблених способів вогнезахисту фанери. З урахуванням екпериментальних досліджень розділу 3 на ЗАТ “Фанплит” створено виробництво вогнезахищеної фанери потужністю 100 м3 на місяць. Розроблено нормативно-технічну документацію, а саме “Технологічний регламент” і технічні умови ТУ У 20.2-33741429.001:2006 “Деталі фанерних палит вогнезахищені”. Проведено сертифікаційні випробування важкогорючої фанери та одержано сертифікат відповідності. В інституті екогігієни і токсикології ім. Л.І. Медведя МОЗ України проведено випробування цієї продукції і надано “Висновок державної санітарно-епідемологічної експертизи”, який дозволяє використовувати важкогорючу фанеру на об’єктах з масовим перебуванням людей. Крім того Головним санітарним лікарем на залізничному транспорті України надано Дозвіл на застосування вогнезахищеної фанери при будівництві та ремонті пасажирського рухомого складу, дизель- і електропоїздів.

Проведено випробування з поширення полум’я поверхнею вертикально розташованих декоративно-оздоблювальних та облицювальних будівельних матеріалів у горизонтальному напрямку за ДСТУ Б В.2.7-19, що застосовується для всіх однорідних та шаруватих горючих будівельних матеріалів, а також комбінацій з них, які використовуються для оздоблювання та облицювання вертикальних поверхонь будівельних конструкцій та встановлено, що зразки фанери, в тому числі оброблених ламінатом, відносяться до групи РПв3 (повільно поширюють полум’я). Визначено також димоутворювальну здатність вогнезахищеної фанери обробленої ламінатом згідно з ГОСТ 12.1.044 та встановлено, що вони відносяться до матеріалів з помірною димоутворювальною здатністю (значення коефіцієнта димоутворення в режимі тління становить 269,5 м2/кг). Для випробувань використовували зразки фанери товщиною 5 мм, а також оброблених ламінатом за умови поглинання маси просочувальної суміші в сухому стані 271 г/м2. Проведено дослідження з визначення групи поширення полум’я поверхнею вогнезахищеної фанери згідно з ДСТУ Б В.2.7-70 (ГОСТ 30444). Встановлено, що зразки вогнезахищеної фанери відносяться до групи РП2 (локально поширюють полум’я поверхнею), а необроблені - до РП4 (значно поширюють полум’я поверхнею). Проведено випробування з визначення пожежонебезпечних властивостей матеріалів: визначення займистості, згідно з НАПБ В.03.003 “Норми пожежної безпеки для пасажирських вагонів” зразки вогнезахищеної фанери класифікуються як важкогорючий матеріал, що повільно поширює полум’я поверхнею, з помірною димоутворювальною здатністю та за токсичністю продуктів горіння відноситься до класу помірно небезпечних матеріалів.

Визначено біологічну стійкість фанери до дії мікрофлори лісового ґрунту, враженого культурами грибів роду Ceratocystus, Sporodemiam, Penicilliam, протягом двох календарних місяців за нормальних умов у лабораторії хімічної обробки та захисту деревини і клеїв УкрНДІ “Ресурс”. Встановлено, що суміш фосфатів та сульфату амонію і антисептика “Гембар” підвищує рівень біостійкості (згідно з ГОСТ 26603) оброблених зразків фанери (порівняно з необробленими) більш ніж в 20 разів за показником біоруйнування.

Таким чином, фанера оброблена ДСА-2 з гідрофобізувальним покриттям “Сілол” відноситься до важкогорючих матеріалів, які повільно поширюють полум’я поверхнею, з помірною димоутворювальною здатністю, за токсичністю продуктів горіння - помірнонебезпечні. За цими показниками пожежної небезпеки, фанера, яка оброблена ДСА-2 з гідрофобізувальним покриттям “Сілол”, як матеріал, дозволяється до застосування в машинобудуванні, а саме виробництві вагонів залізничного транспорту та пасажирських вагонів міського транспорту.

Висновки

Дисертаційну роботу спрямовано на вирішення актуального науково-технічного завдання підвищення ефективності вогнезахисту фанери просочувальними засобами, яке впроваджено для підвищення протипожежного захисту об’єктів масового перебування людей.

Основні наукові й практичні результати за дисертаційною роботою такі:

1. Одержано математичну залежність часу займання та швидкості поширення полум’я поверхнею вогненезахищеної та вогнезахищеної фанери за рахунок дії просочувальних вогнезахисних речовин. Теоретично встановлено й експериментально визначено зміни умови вогнезахисту фанери, які відображають взаємозв’язок процесів піролізу і горіння фанери із фізико-хімічними властивостями просочувального засобу з антипірену, поліполімерного антисептика, гідрофобізатора (флегматизуванням, інгібуванням та ізолюванням теплопередачі), які спричиняють перетворення легкозаймистого матеріалу на важкогорючий із новими фізико-хімічними характеристиками, зокрема відсутністю температури займання та самозаймання, що визначає ефективність вогнезахисту матеріалу.

2. Встановлено, що просочувальна композиція уповільнює термічний розклад матеріалу; переводить екзотермічні ефекти деструкції в область низьких температур; під дією теплового потоку утворюється ізолююча перешкода для виходу летких продуктів і переносу тепла до фронту піролізу фанери більше, ніж у