CC BY
11УДК 691.11
А.А. СТЕНИН, инженер ([email protected]), А.М. АЙЗЕНШТАДТ, д-р хим. наук, А.А. ШИНКАРУК, Т.А. МАХОВА, кандидаты хим. наук,
Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (Архангельск)
Формирование огнезащитных свойств строительных материалов из древесины с использованием высокодисперсного базальтового наполнителя
Древесина является старейшим строительным материалом, который обладает наряду с положительными свойствами (низкая средняя плотность, высокие прочностные показатели, низкая теплопроводность) и отрицательными характеристиками, например высокой гигроскопичностью и пожароопасностью.
В настоящее время для модификации поверхности строительных материалов и конструкций из натуральной древесины популярны такие способы, как поверхностная и глубокая пропитка разными специальными составами, содержащими антипирены, а также нанесение огнезащитных покрытий, обычно лакокрасочных, вспучивающегося (интумесцентного) типа и др. [1, 2]. Такие покрытия при относительно небольшой толщине проявляют высокую эффективность, позволяют использовать современные механизированные способы нанесения на защищаемый объект и в то же время способны сохранять исходную текстуру древесины и ее эстетический вид. Однако еще в [3] отмечено, что более глубокое проникновение огнезащитного раствора в поверхностные слои древесины обеспечивается при таких методах пропитки, как применение горяче-холодных ванн, а также обработка их в автоклавах в режиме последовательного увеличения давления или чередования вакуума и повышенного давления.
Вместе с тем общим серьезным недостатком в используемых рецептурах защитных пропиточных составов является присутствие химических соединений, негативно сказывающихся на экологичности готовой продукции (производные фосфорной и фосфоновой кислот, аммонийные соли серной и соляной кислот, хлориды щелочных и щелочно-земельных металлов и пр.), что значительно сужает сферу их применения. Кроме того, компоненты пропиточных растворов гигроскопичны или растворимы в воде, поэтому в атмосферной среде с влажностью 70% или при прямом контакте с водой защитные функции пропиток древесины могут быть полностью или частично утрачены [1].
В исследованиях [4—5] показана возможность модифицировать поверхность строительных материалов из древесины минеральным наполнителем на основе высокодисперсного композита состава базальт-сапонит-оксид кальция по автоклавной технологии. Кроме того, в данных работах предложена технологическая схема и отработаны основные режимные параметры процесса модификации древесины. В статье [6] на основании исследования энергетических свойств высокодисперсного композита базальт (средний размер частиц d=206+57 нм) — сапонит ^=361+96 нм) установлен оптимальный состав (в мас. %) компонентов, водная суспензия которых (рН=9) характеризуется наибольшим адгезионным взаимодействием с поверхностью материалов из древеси-
ны (90% базальт и 10% сапонит). Однако для усиления пленкообразующего эффекта минерального композита в работе [4] показана эффективность добавки оксида кальция в количестве 7% от общей массы сухих веществ в суспензии модификатора.
Целью исследований, представленных в данной работе, являлось получение модифицированных образцов древесины на сконструированной опытно-лабораторной установке и изучение огнезащитных свойств данных образцов.
Для исследований был выбран пиломатериал древесины сосны (сухощепка) из тайги Архангельской области. Изготавливались опытные образцы размером 30x10x17 см. Влажность исходного древесного материала определялась весовым методом и составила для исходных образцов 14%. Опытные образцы помещались в сушильный шкаф и выдерживались в течение 6 ч при температуре 103оС, после чего взвешивались. Доведение массы образца до постоянного значения осуществлялось путем дальнейшей сушки и взвешивания через каждые 2 ч до момента достижения образца постоянной массы (влажность 2—3%). Средняя плотность древесины сосны, определенная по ГОСТ 16483.1—84, составила 520 кг/м3.
В качестве сырья для получения базальтовой составляющей наполнителя использовалась базальтовая крошка карьера Мяндуха (Плесецкий район, Архангельская обл.). Крошка предварительно измельчалась до размера 4+1 мм и высушивалась до постоянной массы при температуре 105оС. В качестве других компонентов наполнителя использовались сапонит-содержащий материал (многотоннажный отход алмазодобывающей промышленности) и оксид кальция. Процесс диспергирования горных пород и контроль над степенью помола проводился на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100 и анализаторе Delsa Nana Series Zeta Potentialand Submicron Particle Size Analyzers [6]. Подготовка пропиточного состава (суспензии) по принятой рецептуре производилась в стеклянном сосуде цилиндрической формы объемом 50 л, оборудованном перемешивающим устройством — WiseStir® мешалкой вертикальной роторной (HT-120AX).
Основным базовым элементом автоклавной лабораторной установки послужил электрошкаф сушильный вакуумный ШСВ-65/3,5 производства ЗАО «МИУС» (Россия), оборудованный контрольно-измерительными приборами (блок управления, манометр), запорной арматурой, соединительными гибкими рукавами высокого давления, влагосборником, вакуумным насосом (модель Ultimate Vacuum). Удаление суспензии из внутреннего пространства в маневровую емкость после оконча-
©teD'AÍZJlhrMS.
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2013
47
Продолжительность обработки, ч Гигроскопичность, % Теплопроводность +0,01, Вт/(м-К)
при исходной влажности при максимальной гигроскопичности
0 30+6 0,23 0,25
1 12+3 0,19 0,19
2 9+2 0,17 0,17
3 7+1 0,15 0,15
4 7+1 0,15 0,15
Таблица 2
Время обработки, ч Температура +2, оС Группа
воспламенения самовоспламенения горючести воспламеняемости
0 230 230 Г4 В3
1 249 260 Г3 В2
2 251 268 Г3 В2
3 275 273 Г2 В2
4 277 273 Г2 В2
Рис. 1. Электронная фотография поперечного микросреза автоклавно-модифицирован-ного образца древесины (100 мкм)
Рис. 2. Электронная фотография поверхностного слоя модификатора автоклавно-моди-фицированного образца древесины (200 мкм)
Рис. 3. Электронная фотография поверхности автоклавно-модифицированного образца древесины (100 мкм)
Рис. 4. Электронная фотография поверхности контрольного образца древесины сосны (10 мкм)
ния пропитки производилось с помощью перистальтического насоса (Masterflex model 77201-60).
После сушки образцы древесины укладывались в штабель в четыре ряда по два бруска в каждом, что обеспечивало более 80% площади открытой поверхности. Такой способ складирования позволяет на этапе разряжения извлечь большую часть остаточной связанной влаги из пор древесины, а в момент гидравлического удара при поступлении суспензии во внутреннюю среду автоклава за счет разряжения обеспечивает наиболее глубокое проникновение минеральных ком-
Таблица 1 понентов в свободные поры древесины. Дополнительно в автоклав помещали фиксирующий зажим, исключающий всплытие древесины при заполнении внутреннего объема суспензией.
После герметизации установки вакуумным насосом в течение 3 мин создавали разряжение в автоклаве, равное 0,08 МПа. Выдержка опытных образцов древесины в разряженной среде проводилась 2 ч. По истечении данного периода в рабочую камеру автоклава подавали суспензию, которая заполняла весь свободный объем рабочей зоны, после чего насосом создавалось избыточное давление 1,6 МПа. Данный прием способствует более прочному закреплению краеугольных частиц базальта в стенках пор древесины и созданию плотной пенки на поверхности.
Для определения оптимального времени выдержки образцов древесины в автоклаве варьировали продолжительность процесса от 1 до 4 ч с шагом в 1 ч, после чего производилось удаление суспензии из внутреннего пространства в маневровую емкость с помощью перистальтического насоса. По окончании пропитки образцы подвергались принудительной сушке в сушильном шкафу до постоянной массы.
Исследование поверхности опытных образцов древесины проводилось с помощью растровой электронной микроскопии в ЦКП САФУ «Арктика». Фотографии поверхности были получены на микроскопе SIGMA VP (ZEISS), причем для улучшения качества получаемых снимков каждый образец предварительно с помощью напылительной установки Q150T ES (Quorum) покрывался слоем смеси золота и палладия толщиной 5 нм. Затем образец помещался в рабочую камеру микроскопа. Для получения фотографий были подобраны следующие оптимальные параметры работы: ускоряющее напряжение электронной пушки 10 кВ; детектор, задействованный при получении изображения InLens.
Показатели пожароустойчивости (температуры воспламенения и самовоспламенения) модифицированных опытных образцов древесины определялись на испытательной установке «Воспламеняемость» по ГОСТ 30402—96 «Материалы строительные. Методы испытания на воспламеняемость» и ГОСТ 12.1.044—89 «ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения».
Дополнительно были определены следующие физические характеристики исходных и модифицированных образцов древесины: гигроскопичность по ГОСТ 23409.10—78 «Смеси формовочные и стержневые. Метод определения гигроскопичности» и теплопро-
научно-технический и производственный журнал Q'fffjyTf S JJbrlbJ" ~48 ноябрь 2013 Ь^ШШ'
водность по ГОСТ 21523.3.2—93 «Древесина модифицированная. Метод определения теплопроводности», который предусматривает использование с этой целью прибора ИТ-Х-400.
В табл. 1 представлены экспериментальные результаты измерений гидрофизических свойств исходной и модифицированной древесины при различном времени выдержки образцов в реакционной зоне автоклава.
В табл. 2 приведены экспериментально определенные пожарно-технические характеристики опытных образцов древесины в зависимости от режимного временного фактора автоклавирования.
На рис. 1 приведена электронная фотография поперечного микросреза модифицированного образца древесины после трехчасовой обработки, которая показывает абсолютное заполнение пор и капилляров поверхности древесины твердой фазой суспензии на глубину 300—400 мкм. Электронная фотография поверхности автоклавно модифицированной древесины представлена на рис. 2, 3. На рис. 4 для сравнения приведена электронная фотография поверхности контрольного (не обработанного модификатором) образца.
Обсуждая результаты измерений гидрофизических характеристик при исходной влажности и максимальной гигроскопичности исследуемых образцов, можно сделать вывод, что при выдержке древесины в течение указанного времени происходит уменьшение гигроскопичности обработанных образцов с 30% (у необработанной древесины) до 7% (продолжительность выдержки в автоклаве 3—4 ч). Что касается теплофизиче-ских характеристик, то следует отметить незначительное увеличение теплопроводности необработанной древесины, насыщенной водой, по сравнению с образцом исходной влажности с 0,23 до 0,25 Вт/(м.К), т. е. на 8%. В то же время результаты по определению теплопроводности модифицированных образцов в состоянии исходной влажности и при максимальной гигроскопичности показали одинаковые значения данного параметра. Наилучшие результаты показали образцы, которые выдерживались в автоклаве в течение 3—4 ч. Однако после трехчасовой выдержки гидро- и тепло-физические свойства древесины не изменяются, поэтому оптимальная продолжительность обработки составляет 3 ч.
Анализ полученных данных по пожарно-техни-ческим характеристикам свидетельствуют о том, что образцы с модифицированной по сравнению с необработанной древесиной, улучшают свойства: по горючести — с группы Г4 (сильногорючие) до Г2 (умеренно горючие); по воспламеняемости — с группы В3 (легковоспла-меняемые) до В2 (умеренно воспламеняемые).
Данные РЭМ показывают, что модифицированная поверхность образца древесины покрыта однородной пленкой заполнителя. Проведенные исследования показали возможность применения смеси, состоящей из базальта, сапонита и оксида кальция, для обработки поверхности древесины с целью улучшения огнезащитных свойств. При оптимальной продолжительности выдержки обработанной древесины в автоклаве на поверхности древесины образуется минеральный защитный слой из смеси базальта и сапонита, который проникает в поры древесины на 300—400 мкм. Предложенная модификация древесины позволяет улучшить ее пожарно-технические свойства и уменьшить гигроскопичность (с 30 до 7%), что, в свою очередь, приводит к увеличению срока службы конструкций и зданий из древесины. Следует также отметить, что минеральные наполнители базальт и сапонит являются природными материалами, не образующими при горении древесины токсичных веществ, что увеличивает экологичность обработанной древесины.
На данной стадии проектируется промышленная установка (автоклав) для обработки доски и каркаса пирса естественного водоема. Малая партия готовой продукции прошла успешную апробацию в качестве декоративной отделки помещения сауны, пожарной разделки между печью-каменкой и стеной бревенчатой бани.
Ключевые слова: микродисперсный заполнитель, базальт, сапонит, огнезащитные свойства, гигроскопичность, теплопроводность.
Список литературы
1. Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства. Монография. М.: Академия ГПС МЧС России, 2010. 262 с.
2. Петрова Е.А. Снижение горючести древесины // Строительные материалы. 2011. № 11. С. 59—61.
3. Новицкий Г.И., Строгов В.В. Деревопропиточные заводы. М.: Трансжелдориздат, 1959. 316 с.
4. Стенин А.А., Айзенштадт А.М. Модификация поверхности древесного строительного материала минеральным наполнителем // XXII Slovak — Polish — Russian Seminar «Theoretical Foundation of Civil Engineering», Slovakia. 2013. С. 587-592.
5. Стенин А.А., Тутыгин А.С., Фролова М.А., Айзенштадт А.М., Махова Т.А., Лесовик В.С. Способ обработки строительных материалов из древесины. Патент РФ № 2466861. Опубл. 20.11.2012 Бюл. № 32.
6. Айзенштадт А.М., Махова Т.А., Фролова М.А., Тутыгин А.С., Стенин А.А., Попова М.А. Проектирование состава нано- и микроструктурированных строительных материалов // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 10. С. 14-18.
( ) БЕЛГОРОДСКАЯ ТОРГОВО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПАЛАТА
S> БЕЛ Э КС ПОЦЕ НТР
Т./ф.: (4722) 58-29-51 58-29-48, 58-29-41 E-mail; [email protected]; www.belesipocentr.ru г. Белгород, ул. Победы, 147а
Ы ®
научно-технический и производственный журнал
ноябрь 2013
49
