CC BY
35
УДК 614.841.41
ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ ЭКСПРЕСС-МЕТОДИК ОЦЕНКИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. Г. СПИРИДОНОВА, А. Л. НИКИФОРОВ, О. Г. ЦИРКИНА, С. Н. УЛЬЕВА
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
В данной статье освещен вопрос снижения пожароопасных свойств полимерных материалов на текстильной основе. Поднимается тема совершенствования огнезащитных свойств текстильных материалов. Приводятся основные виды огнезащитных составов, получивших широкое распространение в текстильной и других отраслях промышленности. Рассматриваются существующие методы нанесения антипиренов и актуализируется вопрос их совершенствования. Отмечены достоинства выпускаемых огнезащитных композиций. В качестве недостатков применяемых антипиренов обозначены токсичность, неустойчивость к воздействию влаги и проблемы нанесения таких составов на смесовые ткани. Анализируются изменения основных пожароопасных свойств текстильных материалов, таких, как кислородный индекс, воспламеняемость и способность к дымообразованию за счет применения огнезащиты.
В работе рассмотрена возможность применения новых методик быстрой оценки огнезащитных свойств тканей с нанесенными огнезащитными составами. Предложено использование нихромовой проволоки для проведения испытаний на прожигаемость образцов текстильных материалов. Приведена методика для оценки тканей, обработанных антипиреном, на горение, тление и распространение пламени по поверхности. Отражены основные результаты проведенных исследований для различных видов суровых и подготовленных целлюлозосодержащих тканей с различными физико-механическими свойствами с использованием разработанных экспресс-методов оценки.
Ключевые слова: текстильные материалы; антипирен; огнезащитная обработка; кислородный индекс; нихромовый тест.
APPLICATION OF THE DEVELOPED EXPRESS METHODS FOR EVALUATING THE FIRE-RESISTANT PROPERTIES OF TEXTILE MATERIALS
V. G. SPIRIDONOVA, A. L. NIKIFOROV, O. G. TSIRKINA, S. N. ULIEVA
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo Е-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
This article highlights the issue of reducing the fire hazard characteristics of polymer materials on a textile basis. The topic of improving the fire-resistant properties of textile materials is raised. The main types of flame retardants that are widely used in textile and other industries are given. The existing methods of applying flame retardants are considered and the issue of their improvement is updated. The advantages of the produced flame-retardant compositions are noted. The disadvantages of the used flame retardants are indicated as toxicity, instability to moisture and problems of applying such compositions to mixed fabrics. Changes in the main fire-hazardous properties of textile materials, such as the oxygen index, flammability, and the ability to smoke through the use of fire protection, are analyzed.
The paper considers the possibility of using new methods for rapid assessment of the fire-resistant properties of fabrics with applied fire-resistant compounds. The use of nichrome wire for testing the burnability of samples of textile materials is proposed. The methodology for the evaluation of fabrics treated with flame retardant, combustion, smoldering, and flame spread on the surface. The main results of the conducted research for various types of harsh and prepared cellulose-containing fabrics with different physical and mechanical properties using the developed express evaluation methods are presented.
© Спиридонова В. Г., Никифоров А. Л., Циркина О. Г., Ульева С. Н., 2020
77
Key words: textile materials; flame retardant; flame retardant treatment; oxygen index; nichrome
test.
В настоящее время полимерные материалы стали неотъемлемой частью повседневной жизни. Широкое распространение получили текстильные материалы различного происхождения и химического состава, поскольку они используются во всех сферах жизнедеятельности. Стоит отметить, что практически все текстильные материалы являются легковоспламе-няемыми. Исходя из этого, особую важность представляет определение их пожароопасных свойств для обеспечения пожарной безопасности объектов защиты.
Проблема придания огнезащитных свойств текстильным материалам решается различными методами. Существуют два основных способа нанесения огнезащитного состава на текстильные волокна, ткани и готовые изделия: поверхностная или объемная обработка с последующим образованием на поверхности труднорастворимых соединений, и химическая модификация волокон1. Технологическая часть нанесения огнезащитного состава не вызывает затруднений, однако есть проблемы, связанные с обеспечением нормативных требований в области пожарной безопасности для таких изделий.
Исходя из вышесказанного, актуальной задачей является разработка и совершенствование технологических процессов и оборудования для выпуска огнезащищенных тканей и оценка их пожароопасных свойств с учетом требований нормативных документов. Следует отметить, что решение данной проблемы может быть осуществлено за счет разработки новых огнезащитных композиций и способов их закрепления на материале совместно с созданием новых методик оценки огнезащитных свойств текстильных материалов, позволяющих оценить эффективность действия нанесенных антипиренов.
Как показали исследования процессов термической деструкции полимерных материалов в присутствии замедлителей горения, наибольший огнезащитный эффект дают вещества, замедляющие массо-теплопередачу за счет разложения с эндотермическим эффектом в узком температурном интервале, совпадающем с началом интенсивного разложения обрабатываемого полимера [1-3].
1 Способы и средства огнезащиты текстильных материалов. Руководство МЧС России. Введ. 2004-01-21. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2004. 48 с.
В настоящее время на территории России производятся препараты марки Тезагран. Технология огнезащитной отделки тканей заключается в следующем: в реактор, снабженный лопастной или пропеллерной мешалкой, при температуре рабочей зоны помещения последовательно вводят в расчетных количествах воду, нитрилотриметилфосфоновую кислоту и мочевину.
В течение длительного времени за рубежом для поверхностной обработки целлюлозных тканей применялся метод РгоЬап с использованием в качестве замедлителя горения хлорида тетра(гидроксиметил)фосфония. Основным недостатком указанного метода является снижение на 30% прочности ткани и повышение жесткости материала. Кроме того, имеются данные о высокой токсичности продуктов горения целлюлозных материалов, модифицированных данным препаратом. При термолизе ткани при температурах 200-3000С наблюдается выделение фосфина [1-7].
В качестве огнезащитного состава применяется не содержащее галогенов соединение Пекофлам NPР. Препарат рекомендуется для отделки целлюлозных волокон и их смесей, при этом он не оказывает негативного воздействия на гриф и оттенок материала. Для нанесения продукта используются обычные пропиточные машины непрерывного действия с отжимом, применяемые в отделке текстиля. Одним из недостатков Пекофлама можно считать неустойчивость к стирке.
Швейцарская фирма С№а выпускает препарат Pyrovatex-CP, применяемый для отделки целлюлозных тканей [8]. При обработке целлюлозных тканей по методу Pyrovatex-CP огнезащитные свойства достигаются при содержании 2,0 % препарата в материале. Существенным недостатком огнезащищенных тканей, обработанных указанным составом, является токсичность продуктов пиролиза этих материалов. Показано, что при температуре 300-4000С происходит выделение значительного количества метанола, что исключает возможность применения огнезащищенных тканей в замкнутых пространствах [5, 7].
Аналогом состава Pyrovatex-CP является отечественный препарат Пирофикс. Исследования процессов огнезащитной обработки тканей из смеси хлопка и полиэфирных волокон с использованием составов РгоЬап, Pyrovatex-СР и на основе Пирофикса показали, что с увеличением в материале доли синтетического волокна более 15 % получить огнезащищенные
ткани не удается [5]. Между тем ткани из указанной смеси волокон в настоящее время широко используются, и проблема снижения горючести этих тканей остается актуальной.
Сложность разработки замедлителей горения для смесовых тканей связана с тем, что температурные интервалы разложения целлюлозной составляющей и полиэфира не совпадают. Если термодеструкция хлопка начинается в интервале 250-3000С, то для полиэфира процесс разложения сдвигается в более высокотемпературную область (350-4000С) [1-7]. Для получения ткани с пониженной горючестью из смеси целлюлозных и полиэфирных волокон (в соотношении 67:33) может быть использован
состав, включающий фосфоразотсодержащий замедлитель горения Т-2.
При оценке пожароопасных свойств полимерных материалов на текстильной основе учитывается значение кислородного индекса -минимального содержания кислорода в кислородно-азотной смеси, при котором возможно свечеобразное горение материала в условиях специальных испытаний2. Получаемые ткани из смеси целлюлозных и полиэфирных волокон с пониженной горючестью характеризуются кислородным индексом 28-30 %, при этом содержание антипирена Т-2 не превышает 10-12 %. Результаты оценки огнезащитных показателей тканей до и после обработки антипи-реном Т-2 представлены в табл. 1.
Таблица 1. Огнезащитные показатели тканей из смеси целлюлозных и полиэфирных волокон до и после обработки антипиреном Т-2
Содержание полиэфирного волокна в ткани, % Содержание фосфора в ткани, % Кислородный индекс, % Воспламеняемость по ГОСТ 50810-953 Способность к дымообразованию Дгор/Дпир
до обработки после обработки до обработки после обработки до обработки после обработки
6 1,45 20,4 30,8 легковосп трудновосп 11/272 -/146
7 1,61 21,1 34,0 легковосп трудновосп -/196 40/102
14 1,26 20,9 31,2 легковосп трудновосп -/166 41/73
33 1,40 19,0 28,4 легковосп трудновосп - -
* Дгор - коэффициент дымообразования в процессе горения, м2/кг; Дпир - коэффициент дымообразова-ния в процессе пиролиза, м2/кг.
Высокая эффективность огнезащитного действия антипирена Т-2 объясняется ингиби-рованием процессов, протекающих как в конденсированной, так и в газовой фазах при термолизе и горении текстильных материалов. Высокая скорость карбонизации при термолизе волокнообразующего полиэфира исключает каплепадение при горении синтетических волокон.
2 ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) «Система стандартов безопасности труда. Пожаровзры-воопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» (утв. постановлением Государственного комитета СССР по управлению качеством продукции и стандартам от 12 декабря 1989 г. №3683). URL: https://base.garant.ru/2321321/ (дата обращения 03.02.2020).
ГОСТ Р 50810-95 «Пожарная безопасность текстильных материалов. Ткани декоративные. Метод испытания на воспламеняемость и классификация» (утв. постановлением Госстандарта РФ от 29 августа 1995 г. №454). URL: https://base.garant.ru/198774/ (дата обращения 13.01.2020).
При изучении эффективности огнезащитных составов на текстильных материалах в качестве объектов исследования использовались суровые и подготовленные целлюлозосо-держащие ткани с различными физико-механическими свойствами. В качестве огнезащитных составов применялись наиболее распространенные в настоящее время антипи-рены отечественного и зарубежного производства - Пробан (средний расход 100-230 г/л), Пекофлам NPP (средний расход 300-400 г/л) и Тезагран Л1 (средний расход 200-230 г/л + 100120 г/л карбамида). Основные характеристики использованных в работе материалов приведены в табл. 2.
При испытании обработанных антипи-ренами текстильных материалов к действию высоких температур и открытого пламени были использованы оригинальные методики экспресс-оценки огнезащитных свойств к действию высоких температур (нихромовый тест) и к действию открытого пламени газовой горелки.
Таблица 2. Основные характеристики испытываемых тканей
№ п/п Ткань Артикул Волокнистый состав, соотношение Ширина ткани, см Поверхностная плотность исходной ткани, г/м
1 Брезент 11-235 ХВ-Лен 60/40 95 330
2 Брезент 11-235 ХВ-Лен 55/35 95 380
3 Молескин 3277 ХВ 95 210
4 Авизент 6700 ХВ 102,5 410
Проведение нихромового теста заключалось в следующем: готовые образцы складывались пополам по длинной стороне и устанавливались складкой на нихромовую проволоку, через которую пропускали электрический ток, при этом проволока нагревалась до температуры 200, 300, 400 и 5000С. В результате фиксировалось время до прогорания образца. Схема установки для проведения нихромового теста представлена на рис. 1.
огнезащитными составами ПТМ-121 и ПТМ-5123 проходили сушку при температуре 1200С на традиционном сушильном оборудовании.
В табл. 3 приведены значения для прожигаемости выбранных нами тканей при Т = 5000С в зависимости от состава использованного антипирена.
Таблица 3. Зависимость времени прожигания ткани (при 5000С по нихромовому тесту) от состава использованного антипирена
Анти-пирен t, с
Молескин Авизент Брезент 11-235 Брезент 11-237
Без обработки 1,5 2,5 2,0 2,5
ПТМ-121 13,5 18,5 20 21
ПТМ-5123 10 12 15 13
0 0
Рис. 1. Схема установки для нихромового теста, где 1 - груз для натяжения нихромовой проволоки; 2 - медь-константановая термопара; 3 - реостат для регулирования температуры разогрева нихромовой проволоки; 4 - скользящий заземленный контакт нихромовой проволоки
В ходе проведения эксперимента определились наиболее эффективные составы огнезащитной обработки. Было выбрано два основных состава: состав ПТМ-121 - представляет собой смесь Пекофлама NPP, Тезаграна Л1 и мочевины в пропорции 1:2:1 и оптимизированный состав ПТМ-5123 - включает в себя 250 г/кг Пекофлама NPP, 600 г/кг Тезаграна и 150 г/кг мочевины. Образцы с нанесенными
Дополнительно проводились испытания образцов ткани на прожигаемость, горение и тление. С помощью предлагаемой экспресс-методики оценивалась устойчивость тканей, пропитанных раствором огнезащитного препарата, к действию открытого пламени. Для этого обработанный и высушенный образец ткани размещался на алюминиевой рамке размерами 20 на 10 см. При оценке прожигаемости ткани рамка устанавливалась вертикально. Пламя горелки располагалось по оси образца на расстоянии 5 см от нижнего узкого края рамки. Испытуемую ткань вводили в пламя на один сантиметр. До начала опыта пламя горелки отсекалось от испытуемого образца алюминиевым экраном. Отсчет времени воздействия пламени на ткань начинался с момента удаления экрана. Схема установки для испытания образцов ткани на прожигаемость, горение и тление представлена на рис. 2.
Рис. 2. Схема установки для испытания образцов ткани на прожигаемость, горение и тление, где 1 - камера (вытяжной шкаф); 2 - экран; 3 - испытываемый образец ткани; 4 - рамка; 5 - горелка; 6 - газовый вентиль; 7 - газовый баллон
Продолжительность воздействия пламени варьировалась от 3 до 30 с. Проведенные испытания показали, что для всех тканей с изнаночной стороны при воздействии открытого пламени наблюдается изменение цвета -потемнение (результат термодеструкции целлюлозы). Для «молескина» изменение цвета фиксировалось через 2 с; для «авизента» -через 3,5-4 с; для «брезентов» - через 6-7 с. При этом наблюдалось различие в размерах сгоревших участков ткани - с увеличением поверхностной плотности образца уменьшалась площадь его прогорания. Для всех испытуемых тканей, прошедших огнезащитную обработку выбранными составами, остаточного горения и тления не наблюдалось. Начиная с 4-5 секунды для большей части образцов отмечено слабое дымообразование. Для образцов, обработанных Тезаграном, дымообразование было наиболее интенсивным.
Оценка устойчивости ткани к распространению пламени оценивалась по аналогичной методике. В данном случае образец располагался горизонтально. Пламя горелки располагалось по оси в 5 мм от края. Воздействие открытого пламени на ткань в данном случае ограничивалось 15 с. После гашения пламени горелки фиксировалось, продолжается ли самостоятельное горение или тление, а также замерялись зоны выгорания ткани как вдоль, так и поперек образца. Схема установки, используемая для проведения испытаний на устойчивость ткани к распространению пламени, изображена на рис. 3.
Рис. 3. Схема установки для испытания образцов ткани на устойчивость к распространению пламени, где 1 - камера (вытяжной шкаф); 2 - горелка; 3 - газовый вентиль; 4 - газовый баллон; 5 - испытываемый образец ткани; 6 - рамка
Как и в предыдущем случае ткани, обработанные огнезащитными составами, не поддерживали самостоятельного горения и тления. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 4.
Таблица 4. Оценка образцов тканей на распространение пламени
Огнезащита Ткань Длина обугленного участка вдоль оси, мм Длина обугленного участка перпендикулярно оси, мм
Пекофлам Молескин 34 25
Авизент 31 23
Брезент 11-235 25 12
Брезент 11-237 22 12
Тезагран Молескин 30 22
Авизент 27 22
Брезент 11-235 21 10
Огнезащита Ткань Длина обугленного участка вдоль оси, мм Длина обугленного участка перпендикулярно оси, мм
Брезент 11-237 19 10
ПТМ-121 Молескин 32 24
Авизент 30 22
Брезент 11-235 22 12
Брезент 11-237 22 11
Таким образом, в представленной работе:
- рассмотрены основные огнезащитные составы, применяемые для обработки текстильных материалов различного состава и назначения. Отмечены основные достоинства и недостатки существующих антипиренов;
- разработаны оригинальные методики для экспресс-оценки огнезащитных свойств текстильных материалов, в частности, методи-
Список литературы
1. Беленький Л. И. Физико-химические основы отделочного производства текстильной промышленности. М.: Лег. индустрия,1979. 262 с.
2. Интенсификации процесса подготовки хлопчатобумажных и льняных тканей / Э. А.. Коломейцева [и др.] // Текстильная промышленность: сб. статей. 1981. № 2. С. 21.
3. Мельников Б. Н., Захарова Т. Д., Кириллова М. Н. Физико-химические основы процессов отделочного производства. М.: Лег. и пищ. пром-сть, 1982. 280 с.
4. Малотоксичные препараты для заключительной отделки целлюлозосодержащих тканей / О. М. Месник [и др.] // Текстильная химия. 1993. № 2. С. 26-30.
5. Егоров Н. В. Отделка хлопчатобумажных тканей: справочник. М.: Легпромбыт-издат, 1991. 240 с.
6. Переволоцкая В. К., Афанасьева В. А., Мочалов Т. В. Отделка льносодержа-щих тканей с помощью современного экологически безопасного препарата «ФЛИР» // Рос. хим. ж. 2002. т. TLVI. № 2. С. 43-46.
7. Мельников Б. Н. Прогресс текстильной химии. М.: Легпромбытиздат, 1988. 239 с.
8. Браун В. Диэлектрики. М.: Иностранная литература. 1961. 812 с.
References
1. Belen'kij L. I. Fiziko-himicheskie osno-vy otdelochnogo proizvodstva tekstil'noj promysh-
ка испытания образцов на прожигание с использованием нихромового теста и методика испытания образцов на горение, тление и распространение пламени по поверхности.
Полученные данные позволили наиболее полно оценить пожароопасные свойства испытываемых текстильных материалов в зависимости от нанесенного огнезащитного состава.
lennosti [Physicochemical fundamentals of finishing production of the textile industry]. M.: Leg. in-dustriya,1979. 262 p.
2. Intensifikacii processa podgotovki hlopchatobumazhnyh i l'nyanyh tkanej [Intensification of the preparation of cotton and linen fabrics] / E. A. Kolomejceva [and etc.]. Tekstil'naya promyshlennost': sb. statej, 1981, issue 2, p. 21.
3. Mel'nikov B. N., Zaharova T. D., Kiril-lova M. N. Fiziko-himicheskie osnovy processov otdelochnogo proizvodstva [Physico-chemical fundamentals of finishing processes]. M.: Leg. i pishch. prom-st', 1982. 280 p.
4. Malotoksichnye preparaty dlya zaklyuchitel'noj otdelki cellyulozosoderzhashchih tkanej [Low-toxic preparations for the final finishing of cellulose-containing tissues] / O. M. Mesnik [and etc.]. Tekstil'naya himiya, 1993, issue 2, pp. 26-30.
5. Egorov N. V. Otdelka hlopchatobuma-zhnyh tkanej: spravochnik [Finishing Cotton Fabrics: A Guide]. M.: Legprombytizdat, 1991. 240 p.
6. Perevolockaya V. K., Afanas'eva V. A., Mochalov T. V. Otdelka l'nosoderzhashchih tkanej s pomoshch'yu sovremennogo ekologicheski be-zopasnogo preparata «FLIR» [Finishing flax-containing fabrics using the modern environmentally friendly preparation «FLIR»]. Ros. him. zh., 2002, vol. TLVI, issue 2, pp. 43-46.
7. Mel'nikov B. N. Progress tekstil'noj himii [Textile Chemistry Progress]. M.: Legprom-bytizdat, 1988. 239 p.
8. Braun V. Dielektriki [Dielectrics]. M.: Inostrannaya literatura. 1961. 812 p.
Спиридонова Вероника Гербертовна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
адъюнкт
E-mail: [email protected] Spiridonova Veronika Gerbertovna
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
postgraduate student
E-mail: [email protected]
Никифоров Александр Леонидович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник E-mail: [email protected] Nikiforov Aleksandr Leonidovich
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
doctor of technical sciences, professor, senior researcher E-mail: [email protected]
Циркина Ольга Германовна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор, доцент
E-mail: [email protected]
Tsirkina Ol'ga Germanovna
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
doctor of technical sciences, professor, associate professor E-mail: [email protected]
Ульева Светлана Николаевна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, доцент кафедры
E-mail: [email protected]
Ulieva Svetlana Nikolaevna
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State
Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of
Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, associate professor
E-mail: [email protected]
