Таблица 5. Состав неконденсирующихся газов, образующихся при деструкции древесины
| Состав газов | Выход газов %, при температурах, ° С | |||||
| 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | |
| Выход газов на1 00 кг древесины,м3 | 0,4 | 5,6 | 9,5 | 12,8 | 143 | 16,0 |
| Состав, % объем | ||||||
| СО2СОСН4С2Н4Н2 | 75,025,0 | 56,0740,173,76 | 49,3634,014,30,861,47 | 43, 2029,0121,123,682,34 | 40,9827, 2023,425,742,66 | 38,5625, 1924,948,502,81 |
При разложении 1 кг древесины выделяется 800г газообразных продуктов. При низкой температуре преобладают СО2, СО, при боле< высоких: водород, метан и др.
Процесс разложения сопровождается выделением тепла и теплота сгорания березовой древесины равна 18343,3 КДж/моль, табл.6 [7].
Таблица 6. Теплота сгорания продуктов сухой перегонки березовой древесины
| Вид продукта | Выход на 100 кг абсолютно сухой древесины, кг (В) | Теплота сгорания, КДж | |
| 1 кг | В*2/100кг | ||
| КоксСмолаСНзСООНМетиловый спиртАцетонС02СОСН4С2Н4Другиеорганические в-ваВодаИТОГО: | 31,815,87,081,60, 199,963,32.0,540, 1910,0319,49100,00 | 32154,629642,514276,922231,932489,510173,916202,9 | 10225,04683,51010,8355,761,7337,71668,918343,3 |
При 150°С уголь, образующийся при разложении древесины, содержит 54,7% С; 5,9% Н2 и 49,9% связанного кислорода, а при 450° С - 84,9% С и 3,1% Н2 и 12%О2 [9].
Разложение целлюлозных материалов сопровождается выделением тепла, поэтому при малой скорости теплопроводности возможно самонагревание и горение. Самый высокий тепловой эффект разложения (1088 Дж/кг) у древесины, поэтому необходимо следить за тем, чтобы она не нагревалась при плотной упаковке в больших массах выше 100° С.
Массовая скорость выгорания составляет для: древесины (конструкции зданий, мебель) - 0,48 кг/м2 *мин., пиломатериалы в штабеле - 7-8,0 кг/м *мин., бумаги - 0,48 кг/м.
Перемещение фронта пламени по поверхности твердых веществ называется распространением горения и характеризуется скоростью распространения горения (м/мин)
g= I/t, (1), [1]
где
I - расстояние, пройденное фронтом пламени, м;
t - время, мин.
Температура воспламенения древесины 230-250°С. При соприкосновении древесины с источником огня происходит быстрое нагревание тонкого поверхностного слоя, испарение влаги и деструкция. Продукты разложения древесины, полученные при температуре < 250°С содержат в основном водяной пар и СО2, а также незначительное количество горючих газов, поэтому гореть они не способны; при температуре 250-260° С - выделяются горючие СО, метан и они воспламеняются и с этого момента древесина горит самостоятельно.
После воспламенения температура верхнего слоя древесины повышается за счет тепла, излучаемого пламенем, и достигает 290-300°С. При этой температуре выход газообразных продуктов максимальный и высота факела наибольшая. В результате разложения верхний слой древесины превращается в уголь, который в данных условиях гореть не может, так как кислород, поступающий из воздуха, весь вступает в реакцию в зоне горения пламени. Температура угля на поверхности к этому времени достигает 500-700 °С. По мере выгорания верхнего слоя древесины и превращения его в уголь нижележащий слой древесины прогревается до 300°С и разлагается. Таким образом, пламенное горение при образовании на её поверхности небольшого слоя угля ещё не прекращается. Однако скорость выхода продуктов разложения начинает уменьшаться. В дальнейшем рост слоя кокса и уменьшение выхода продуктов разложения приводит к тому, что пламя остается только у трещин угля и кислород может достигать поверхности кокса и с этого момента начинается горение кокса и одновременно продолжается горение продуктов разложения. Толщина слоя кокса достигшая к этому моменту 2-2,5 см остается постоянной, так как наступает равновесие.
Так как основным компонентом древесины является целлюлоза (50 - 58%), то при рассмотрении деструкции древесных материалов прежде всего изучается термодеструкция целлюлозы.
Термическая и термоокислительная деструкция целлюлозы изучены довольно подробно. В данном разделе будут кратко рассмотрены причины легкой воспламеняемости целлюлозных материалов.
Процессом горения ПМ предшествуют процессы деструкция, в результате которых образуются разнообразные, в том числе, летучие горючие продукты, являющиеся "топливом" для процесса горения. К основным факторам, влияющим на деструкцию полимеров, относятся структура и строение макромолекул, структурные дефекты, примеси и т.п. Особенностью ее строения является наличие реакционноспособных гидроксильных групп, обусловливающих сильное межмолекулярное взаимодействие за счет водородных связей, а также высокая энергия межатомных и химических связей в макромолекулах, связанная со строением глюкопиронозного кольца целлюлозы. Пиролиз целлюлозы протекает по радикально-ценному механизму.
В общем виде термическая деструкция целлюлозы сопровождается двумя группами реакций: деструкцией полимера и промежуточных продуктов, синтезом (конденсационные процессы), приводящих к образованию новых типов связей углерод-углерод.
При термораспаде целлюлозы в результате разрыва кислород углеродных связей происходит три основных процесса: дегидратация, деполимеризация и затем глубокая деструкция с разрушением циклов и
на основании представлений о механизме разложения целлюлозы для огнезащиты ЦМ необходимо создать условия, способствующие изменению направления распада целлюлозы и приводящих к снижению образования левоглюкозана, повышению дегидратации целлюлозы, полимеризации продуктов термораспада (образование КО) и ингибированию процесса тления, что может быть достигнуто введением замедлителей горения (ЗГ).
В соответствии с требованиями пожарной безопасности деревянные конструкции зданий и сооружений должны быть подвергнуты огнезащитной обработке. Наиболее часто используемыми для этих целей и не лишёнными определенных недостатков являются водные растворы буры, поташа, фосфатов аммония, ацетата натрия и др.
В настоящее время огнезащита древесных материалов осуществляется, в основном, пропиткой древесины огнезащитными составами. На сегодняшний день учёными продолжается поиск относительно дешёвых и экологически чистых огнезащитных материалов (антипиренов) для пропитки и обработки древесины.
В Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии был разработан [16] способ изготовления огнезащитных древесно-стружечных плит. При их изготовлении в качестве антипирена использовали амидофосфат путём нанесения его водного раствора на древесные частицы в количестве 10-30% по сухому веществу. Высушенные древесные частицы смешивали с карбамидоформальдегидной смолой, в которую для связывания выделяющегося аммиака предварительно добавляли формальдегид в виде формалина в количестве 15% от абсолютно сухого амидофосфата. Для ускорения отверждения в смолу среднего слоя дополнительно вводили муравьиную кислоту в количестве 0,1-0,5% по сухой смоле. Изготовленные плиты соответствуют требованиям ГОСТ 10632-89, имеют класс эмиссии по формальдегиду Е-1 и являются трудногорючим материалом с малой дымообразующей способностью.
Известен [17] также способ изготовления огнезащитных древесностружечных плит (ОДС+П), по которому в процессе производства на поверхности плиты создавали защитный слой. В качестве огнезащитного средства для создания покрытия использовали вермикулит, который смешивали с карбамидоформальдегидной смолой (КФС) и послойно формировали ковёр с таким расчётом, чтобы толщины покрытия составляла 2-6 мм. Отрицательными сторонами способа являются укрывистость древесной поверхности вертикулитом, невозможность калибровки и исследования плит
С целью проверки огнезащитного действия образцы древесины были обработаны водными растворами из ацетатного отхода [15]. Было установлено, что обработка древесины 15-25%-ными водными растворами ацетатного отхода позволяет перевести по горючести её в класс трудновоспламеняемых. Этому способствовало, по мнению исследователей, высокая теплота плавления кристаллогидрата (около 214 кДж/кг) и высокое содержание кристаллогидратной воды. Таким образом, указанным методом повышается огнезащитность природного полимера - древесины, решается задача утилизации отхода (экологический аспект) и дополнительного привлечения ресурсов (экономический аспект).
По другому способу [18] ОДС+П получали, смешивая древесные частицы с порошкообразным антипиреном. В качестве антипирена использовали модифицированный фосфогипс, который вводили в количестве 5-20% от абс. сухой древесины. Недостатком является неравномерное распределение антипирена по объёму плиты, а также потери сыпучей массы при транспортировке стружечно-клеевой смеси.
Известен [19] также способ изготовления ОДС+П, основанный на совместном введении водного раствора антипирена с карбамидоформальдегидным связующим. В качестве антипирена использовали водный раствор гидроортофосфата аммония в количестве 10% от массы древесных частиц по сухому веществу. Недостатками способа являются снижение физико-механических свойств и повышение влажности структурно клеевой смеси, что может привести к расслоению плиты.
Предложен способ получения трудногорючих ДСП и ДВП на основе амино- или фенолоформальдегидных смол, где в качестве антипирена использовались полифосфаты аммония и фосфат магния [20]. Применение данного полифосфата аммония снижает прочность и водостойкость плит, что обусловлено выделением аммиака в процессе горячего прессования. С целью улучшения условий отверждения и повышения прочности плит по данному патенту предусматривалась частичная замена полифосфата аммония на фосфат магния, что обеспечивает сокращение негативного действия выделяющегося аммиака. Однако фосфат магния практически нерастворим и по этой причине обладает низким огнестойким действием, поскольку не является кислотообразователем в условиях возгорания древесины. Кроме того, использование суспензии фосфата магния в растворе полифосфата аммония связано с технологическими сложностями из-за неустойчивости композиции. Предлагаемая пресс-композиция требует операции сушки частиц после нанесения всех композитов, в том числе и связующего. Последнее ухудшает адгезионное взаимодействие связующего с древесными частицами и требует прессования высокоплотного материала.