Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 13
1.1. Состояние вопроса 13
1.2. Снижение горючести и методы получения огнезащищен-ных текстильных материалов на основе натуральных и синтетических волокон и их смеси 19
1.3. Методы исследования и критерии оценки пожароопасно-сти текстильных материалов в зависимости от их функционального назначения 28
1.4. Обоснование выбора исследований 41
2. Исследование процесса горения текстиль ных материалов, подвергнутых огнезащит ной обработке 46
2.1. Объекты исследований 46
2.2. Исследование основных зависимостей влияния плотности, химического состава, структуры на воспламенение и распространение горения по текстильным материалам 47
2.3. Результаты исследования сравнительной эффективности действия огнезащитных составов «МС-Т» и «ОСТМ-2000» на тканях из натуральных, смесовых и полиэфирных волокон 60
2.4. Исследование специфики процессов термодеструкции и термоокисления огнезащищенных текстильных материалов методами комплексного и совмещенного термического анализа 71
2.4.1. Изучение закономерностей термоокислительного разложения огнезащищенных целлюлозных тканей 74
2.4.2. Изучение закономерностей термоокислительного разложения огнезащищенных тканей из смесовых и полиэфирных волокон 83
3. Особенности оценки эффективности и вы бора средств огнезащиты для обеспечения пожаробезопасности тм различного назна чения 97
3.1. Комплексная оценка огнезащитной эффективности тка ней для специальной защитной одежды 97
3.1.1. Выбор методов оценки пожаробезопасности материалов для специальной защитной одежды 98
3.1.2. Комплексные исследования по разработке смесовых тканей для изготовления специальной защитной одежды с целью получения высокого огнезащитного эффекта при поверхностной обработке 104
3.2. Оценка эффекта огнезащиты тканей, используемых для изготовления элементов мягкой мебели 113
3.2.1. Классификация элементов мягкой мебели по вос пламеняемости 115
3.2.2. Особенности огнезащиты ТМ, используемых при из готовлении мягкой мебели 122
3.3. Оценка эффекта огнезащиты текстильных материалов для постельных принадлежностей 128
3.3.1. Классификация воспламеняемости материалов для постельных принадлежностей 129
3.3.2. Исследования влияния огнезащитной обработки на основные эксплуатационные свойства тканей 136
4. Разработка системы и методов контроля качества огнезащиты текстильных мате
Риалов 143
Выводы 151
Список использованной литературы 153
- Снижение горючести и методы получения огнезащищен-ных текстильных материалов на основе натуральных и синтетических волокон и их смеси
- Исследование основных зависимостей влияния плотности, химического состава, структуры на воспламенение и распространение горения по текстильным материалам
- Исследование специфики процессов термодеструкции и термоокисления огнезащищенных текстильных материалов методами комплексного и совмещенного термического анализа
- Комплексные исследования по разработке смесовых тканей для изготовления специальной защитной одежды с целью получения высокого огнезащитного эффекта при поверхностной обработке
Введение к работе
Производство текстиля и одежды относится к одной из древнейших технологий. Текстильные материалы (ТМ), в основе которых лежат природные или химические полимеры органической природы, являются горючими материалами.
ТМ, используемые в одежде, в обустройстве дома, в технике могут быть и реально являются источниками возгорания. По статистике значительная доля причин возгорания при пожарах связана с текстильными материалами. Особенно возрастает риск возгорания и тяжесть его последствий в местах общественного назначения: магазины, больницы, гостиницы, концертные залы, детские учреждения, железнодорожный транспорт, самолеты, автомобили и д.р., где широко используются ТМ (занавеси, напольные покрытия, настенные покрытия и др.).
Все ТМ в основе своей содержат органические полимеры, разлагающиеся при температуре выше 300 С с образованием газообразных продуктов, часть из которых горючие и поддерживают горение при определенных условиях.
Все ТМ горят, но их способность к возгоранию и скорость горения разная и определяется тремя основными характеристиками: химическим строением волокно-образующих полимеров (ВОП), физической структурой волокон и ТМ в целом, условиями окружающей среды. Целлюлозные волокна и материалы из них быстро распространяют пламя по поверхности, шерстяные материалы обладают значительно меньшей горючестью, трудно загораются, горят медленнее, гаснут при удалении из пламени. Многие синтетические термопластичные волокна в пламени сначала плавятся, а затем расплав загорается. Между термостойкостью полимеров и их горючестью существует взаимосвязь. Термостойкие волокна обладают большей огнезащищенностыо.
Источником, вызывающим возникновение горения, могут служить физические, химические и микробиологические процессы, происходящие в системе и способствующие образованию тепла.
Интенсивность развития процесса горения зависит от количества поступающего воздуха, интенсивности его продвижения, а также свойств материала и его положения в тепловом потоке.
Чем больше площадь охвата тепловым потоком, создаваемым горящей частью материала или внешним источником нагрева, тем интенсивнее при прочих равных условиях становится процесс горения.
Нагревание материалов и их воспламенение могут происходить различными путями:
при непосредственном соприкосновении материала с источником тепла (открытое пламя, нагретая поверхность, искра);
радиацией, т.е. при воздействии лучистого тепла от источника нагрева, конвекцией (при передаче тепла материалу посредством воздуха или иного газа, находящегося в движении);
при химическом или микробиологическом процессе, происходящим с выделением тепла.
Принципиально повышать устойчивость к горению ТМ (придавать им огнезащитные свойства) можно двумя путями:
создавать огнестойкие ВОП;
использовать специальные препараты — антипирены, снижающие горючесть ТМ.
В настоящее время в нашей стране придание ТМ огнезащитных свойств происходит, в основном, за счет обработки материалов антипирена-ми, препятствующими процессу распространения пламени по ткани или изделию. Это наиболее перспективное направление для широкого спектра их использования. Оно экономически более выгодно, чем получение, например, ТМ из термостойких волокон или модифицированных термостойких материалов.
Данная ситуация требует конструктивного решения проблемы не только за счет модификации уже известных методов защиты ТМ, но и совершенствованием экспериментальной и нормативной баз оценки их огнезащитной эффективности.
Кроме подбора методов оценки эффективности огнезащитных свойств текстильных материалов, обработанных замедлителем горения, необходимо учитывать область дальнейшего использования конкретного материала или изделия из него.
При оценке эффективности огнезащитного состава на конкретном типе применяемой ткани необходимо учитывать влияние возможной чистки, а при необходимости стирки на сохранение огнезащитных свойств текстильного материала, поэтому в нормативной документации на состав должна быть отражена информация о кратности сухой или влажной стирки с сохранением огнезащитного действия.
В данной работе, с учетом проведенных исследований, выявлены основные закономерности огнезащиты текстильных материалов (ТМ), пути ее улучшения и оценки, а также предложены пути усовершенствования нормативной базы контроля качества огнезащиты.
Цель работы:
Целью настоящей работы является изучение закономерностей возникновения горения ТМ в зависимости от их плотности, структуры и химического состава. Разработка системы комплексной оценки эффективности огнезащиты текстильных материалов (ТМ) различной области применения и контроля ее качества.
Для достижения указанной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
-исследовать основные зависимости воспламенения и распространения пламени огнезащищенных ТМ от состава и структуры волокон при воздействии источников зажигания;
-выбрать лабораторные методы оценки и установить критерии эффективности огнезащиты ТМ в зависимости от функционального назначения;
-исследовать сравнительную эффективность фосфорсодержащих огнезащитных составов в зависимости от их вида и концентрации, а также от типа и структуры ТМ на основе полиэфирных (ПЭ), целлюлозных (Ц) и смеси полиэфирных и целлюлозных (ПЭ/Ц) волокон;
исследовать эффективность действия нового огнезащитного состава «ОСТМ-2000», являющегося аммонийной солью фосфоновой кислоты, на тканях из Ц, ПЭ и ПЭ/Ц волокон;
исследовать термоаналитические (ТА) характеристики ТМ на основе ПЭ, Ц, термостойких и смешанных ПЭ/Ц волокон, обработанных различными огнезащитными составами (ОС);
оценить возможность применения ТА методов для оценки эффективности огнезащитного действия средств и контроля качества огнезащитной обработки ТМ;
разработать экспресс-методы оценки контроля качества ОС на объектах;
- разработать нормативные документы по сертификации огнезащитных
средств для ТМ и контроля качества огнезащиты. .
Обоснованность научных положений, выводов, сформулированных в диссертационной работе, подтверждена достаточным количеством экспериментальных исследований, апробацией методик, соответствием результатов лабораторных и стендовых испытаний.
Экспериментальные исследования проведены применительно к ТМ различного функционального назначения: портьеры, шторы, занавеси, мебельные и постельные композиции, материалы специальной защитной одежды.
В диссертационной работе использованы термоаналитический и композиционный анализ, стандартные методы определения пожароопасности, исследования основных эксплуатационных свойств ТМ — гигроскопичности, прочностных характеристик.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Получены зависимости возникновения горения от физико-
химических свойств ТМ
2. Выбраны методы и разработаны методики классификационной
оценки эффекта огнезащиты ТМ в зависимости от функционального назна
чения (шторы, занавеси, материалы специальной защитной одежды, элемен
ты мягкой мебели, постельные принадлежности);
определены методики комплексных, совмещенных ТА--
исследований, позволяющие объективно исследовать влияние огнезащитной обработки на термодеструкцию текстильных материалов;
- установлены особенности термоокислительного разложения тканей
из ПЭ, Ц, термостойких волокон и смеси ПЭ/Ц волокон с поверхностной об
работкой аммонийной солью фосфоновой кислоты, заключающиеся в изме
нении величины карбонизованного остатка, скорости окисления коксового
остатка, тепловыделения и параметров динамики выделения горючих газов;
2. - выявлена зависимость способности к распространению пламени тканей из смешанных волокон от их соотношения в составе материала и текстильной структуры;
- установлены закономерности изменения термоокислительной
деструкции тканей, обработанных ОС, в зависимости от соотношения в
смеси Ц и ПЭ волокон;
- определены ТА критерии оценки эффективности огнезащитных
составов различной природы и концентрации для тканей из ПЭ, Ц и смеси
ПЭ/Ц волокон;
- определены оптимальные соотношения полиэфирных волокон с
хлопком для смесовых тканей, обработанных ОС, обуславливающие получе
ние материала пониженной горючести;
- разработан инструментальный метод оценки качества огнезащиты на
микрообразцах;
- разработаны экспериментальные методики контроля качества
огнезащиты ТМ на объектах.
Практическая значимость работы.
- разработаны методики классификационной оценки огнезащитной
эффективности ТМ в зависимости от функционального назначения (шторы,
занавеси, материалы специальной защитной одежды, элементы мягкой мебе
ли, постельные принадлежности);
-установлены ТА критерии оценки эффективности огнезащиты и контроля качества огнезащитными составами для тканей на основе ПЭ, Ц и смеси ПЭ/Ц волокон;
разработан инструментальный метод оценки качества огнезащиты на микрообразцах и экспериментальные методики контроля качества огнезащиты ТМ на объектах;
разработаны текстильные материалы пониженной горючести на основе смесовых (ПЭ/Ц) волокон путем огнезащитной обработки и выбора оптимального соотношения компонентов;
-предложен состав «ОСТМ-2000», обеспечивающий эффективную огнезащиту для тканей из ПЭ, Ц и смеси ПЭ/Ц волокон, апробированный в опытно-промышленных условиях ООО «Герметстрой». Обработанные указанным составом текстильные изделия (шторы, тюль, элементы мягкой мебели и постельных принадлежностей) при проведении крупномасштабных экс-
11 периментов во ВНИИПО МЧС России обеспечили не распространение пожара по макету комнаты гостиничного номера.
Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились при непосредственном участие автора в ФГУ «Всероссийский ордена знак Почета научно-исследовательский институт противопожарной обороны» (ФГУ ВНИИПО МЧС России) с 1999 года при выполнении ряда Государственных программ и плана НИОКР ФГУ ВНИИПО МЧС России.
Выводы и рекомендации реализованы при разработке следующих нормативных документов для задач сертификации огнезащитных средств ТМ и контроля качества огнезащиты:
1. НПБ 257-2002 «Материалы текстильные. Постельные принадлежно
сти. Мягкая мебель. Шторы. Занавеси. Методы испытаний на воспламеняе
мость».
2. «Руководство по огнезащите текстильных материалов».
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались на I международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного района» (Санкт-Петербург, 2001), XVI Научно-практической конференции «Крупные пожары: предупреждение и тушение» ( Москва, 2001), VII Научно-практической конференции «Техносферная безопасность» (Ростов-на Дону, 2002), Международном симпозиуме «Комплексная безопасность России — исследования, управление, опыт» (Москва, 2002).
Публикации: по материалам выполненных диссертационных исследований опубликованы 11 печатных работ.
Объем и структура работы: работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Материалы изложены на 142 страницах машинописного текста, включающего 28 таблиц и 38 рисунков.
Автор выражает признательность руководству ФГУ ВНИИПО МЧС России за предоставленную возможность в проведении исследований, а также особую благодарность: д.т.н., проф. Копылову Н.П., д.т.н. Смирнову Н.В.,
д.хим.н. Зубковой Н.С., к.хим.н. Дудерову Н.Г., к.т.н. Михайловой Е.Д., к.хим.н. Бутылкиной Н.Г., к.т.н. Молчадскому О.И., к.т.н. Логинову В.И., Те-решиной Н.А., Нагановскому Ю.К., Семибратовой И.С. за оказанную консультативную и практическую помощь при работе над диссертацией и проведении исследований.
Снижение горючести и методы получения огнезащищен-ных текстильных материалов на основе натуральных и синтетических волокон и их смеси
Существует ряд подходов к определению способности полимеров к горению, основанных на данных по химическому составу, физическим и теи-лофизическим свойствам полимеров, изучены основные закономерности их термоокислительного разложения и горения, на основании чего разрабатываются способы и средства снижения пожароопасности.
В случае карбонизирующихся полимеров на поверхности твердой фазы происходит накопление коксового остатка, что приводит к непрерывному изменению условий тепло- и массообмена в конденсированной фазе, т.е. уменьшается выход легколетучих горючих углеводородов в продуктах пиролиза, а образующийся кокс экранирует полимер от теплового потока и пла мени, снижает температуру поверхности материала, затрудняет выход горючих газообразных продуктов в зону горения /15/.
При термоокислительном разложении ряда полимеров образуется значительное количество летучих, в том числе горючих, продуктов, попадающих в газовую фазу горения. В результате интенсивного протекания окислительных процессов в газовой фазе выделяется значительное количество тепла, способствующего устойчивому горению полимера. Следовательно, для ингибирования процесса горения необходимо уменьшить возможность протекания окислительных процессов в газовой фазе за счет уменьшения количества выделившейся энергии и концентрации горючих продуктов термолиза, а также обеспечения ингибирования радикальных процессов при горении /16,17/.
Кроме состава и структуры ТМ, на его пожароопасные свойства существенное влияние могут оказывать такие параметры как плотность ткани, толщина и структура волокон, состав возможных технологических обработок (например, аиретирование и др.).
Па основании существующих представлений о горении текстильных материалов можно сформулировать основные направления исследований для решения проблемы создания огнезащищенных текстильных материалов: 1. Разработка термостойких текстильных материалов: использование высокотермостойких волокнообразующих органических полимеров; использование неорганических волокон. 2. Разработка новых типов эффективных замедлителей горения, кото рые могут быть использованы: в качестве аддитивных добавок в прядильные растворы или расплавы полимеров при формовании волокон; для обработки волокон и тканей с образованием на их поверхности труднорастворимых соединений: для химической модификации волокон с образованием ковалентных связей между замедлителем горения и макромолекулой волокнообразующего полимера.
В России в основном разрабатываются методы защиты материалов на основе использования антипиренов, т.к. это экономически более выгодно. Антипирены могут вводиться в химические волокна на стадии их производства в прядильный раствор или расплав. Этот путь наиболее рационален и широко применяется на практике, хотя требует использования веществ нерастворимых (при методе формования волокон) и химически не изменяющихся в условиях высокотемпературного формования из расплава и термических обработок. На стадии синтеза исходных полимеров в их состав также может вводиться определенное количество фосфор-, фосфор-азот или гало-гензамещенных соединений. Реже применяется метод прививки таких антипиренов. Однако, более экономически целесообразным и технологически рациональным вариантом является введение антипиренов в готовые ТМ, на стадии отделочного производства, когда огнезащищающая обработка совмещается с процессами отделки готовых полотен.
Этому виду огнезащитной обработки в настоящее время уделяется наибольшее внимание. Нанесение огнезащитных составов весьма доступная и простая операция. Этот метод создает более широкие возможности по огнезащитной обработке тканей на основе целлюлозы (из вискозного волокна, хлопка, льна), полусинтетических (полиэфир+хлопок) и синтетических (100% полиэфир, полиамид и др). Процесс может быть осуществлен на оборудовании красильно-отделочного производства, что обеспечивает более широкое распространение этого способа получения огнезащищенных текстильных материалов.
Подход к выбору замедлителей горения для различного состава ТМ может быть разный. В основном все замедлители горения для целлюлозных материалов делятся на две группы: - огнезащитные составы, представляющие различные комбинации буры и борной кислоты, диаммонийфосфаты и другие неорганические соединения.
Этот класс соединений находит применение для обработки целлюлозных материалов, не требующих стирки. Однако существенным недостатком таких материалов является постепенная миграция замедлителей горения на поверхность, что приводит к ухудшению внешнего вида ткани. Поэтому, несмотря на довольно широкое применение средств огнезащиты указанного класса для обработки тканей, используемых при изготовлении театральных декораций, пошиве спецодежды и различных драпировок, ведутся поиски путей создания огнезащищенных материалов, лишенных указанных недостатков; - замедлители горения, образующие на поверхности текстильного материала нерастворимые соединения, обеспечивающие устойчивость огнезащитного эффекта к многократным стиркам. В качестве наиболее применяемых в данном случае соединений относятся фосфор -, фосфоразот - и фос-форгалогенсодержащие соединения, которые взаимодействуют с макромолекулой целлюлозы с образованием прочной химической связи.
Из первого ряда соединений наиболее распространен способ получения огнезащитных ТМ с применением пропиточного состава МС-Т, представляющего собой водный раствор неорганических солей фосфорной и серной кислот со специальными добавками. Огнезащитная обработка хлопчатобумажных тканей проводится на плюсовочном оборудовании и проходит закрепление на сушильных барабанах. Такой метод, например, применяется для огнезащитной обработки тканей декораций и сценического оборудования в производственных мастерских Государственного Академического Большого театра России.
Наиболее интересны соединения из второго ряда, нашедшие применение в промышленности.
В настоящее время в промышленном масштабе реализован метод ОП /18/, основанный на применении ортофосфорной кислоты и азотсодержащих соединений (дициандиамида, карбамида, меламина, гуаницина и т.д.). По этому способу ткань обрабатывают составом, включающим фосфорную кислоту и одно из перечисленных азотсодержащих соединений, а затем подвер гают термообработке, в результате которой трицианмочевина и метафос-форная кислота взаимодействуют с образованием труднорастворимой соли. Для указанного типа обработки предложено использовать большое количество полифункциональных или ненасыщенных соединений, содержащих фосфор, галоген и азот
Исследование основных зависимостей влияния плотности, химического состава, структуры на воспламенение и распространение горения по текстильным материалам
В настоящее время наметилась тенденция роста производства полиэфирных волокон, в связи с чем достаточно большой объем тканей различного назначения, выпускаемых текстильной промышленностью, занимают ткани из полиэфирных и смешанных (полиэфир/хлопок, полиэфир/вискоза) волокон. Для обоснования требований к средствам огнезащиты ТМ необходимо получение экспериментальных данных о закономерностях процесса воспламенения и распространения пламени по поверхности ТМ. химическим составом и строением; физическими характеристиками материала; геометрической структурой ТМ (толщина нити, линейная плотность нитей по утку и основе) и тонкой физической структурой волокно-образующего полимера; характером горения материала в зависимости от условий окружающей среды и ориентации источника зажигания.
Состав и структура ТМ является основным параметром, влияющим на его пожароопасные свойства, поскольку характер термической деструкции у различных типов полимеров существенно отличается.
Для проведения исследований по выявлению основных закономерно стей возможности воспламенения от малокалорийных источников зажигания и скорости распространения горения по текстильному материалу в зависимо « сти от плотности, структуры и состава ткани был использован метод опреде ления воспламеняемости согласно ГОСТ Р 50810-95 /43/, который позволяет определить способность текстильных материалов (тканей, нетканых полотен) сопротивляться воспламенению от малокалорийного источника зажигания (эквивалентного горящей спичке), устойчивому горению и используется для оценки их огнезащиты. По результатам испытаний по вышеуказанному методу /43/ текстиль ные материалы подразделяют на легковоспламеняемые и трудновоспламе няемые. Ткань классифицируется как легковоспламеняемая, если при испы таниях выполняются следующие условия: время остаточного пламенного горения составляет более 5 с у любого из образцов, испытанных при зажигании с поверхности; зафиксировано прогорание до одной из кромок у любого из образцов, ис-пытанных при зажигании с поверхности; загорание хлопчатобумажной ваты под любым из испытанных образцов; поверхностная вспышка наблюдается у любого из образцов, распространяющаяся более чем на 100 мм от точки зажигания с поверхности или кромки; средняя длина обугливающегося участка более 150 мм наблюдается у любого из образцов, испытанных при воздействии пламени с поверхности или кромки. Для испытаний материалов по /43/ изготавливались образцы размером 220x170 мм в количестве шестнадцати штук — восемь в направлении утка и восемь в направлении основы, испытания проводились в вертикальном положении образца ткани. Если ткань имеет различные поверхности, то образцы испытывались с двух сторон.
Для проведения исследований были выбраны текстильные материалы разного функционального назначения, представляющие собой драпировочные, гардинные, мебельные ткани, ткани для специальной защитной одежды, постельных принадлежностей и штор, отличающиеся по химическому составу, структуре, поверхностной и линейной плотности. Все они представляют собой три основные группы
Целлюлозные ткани относятся к типу карбонизирующихся полимеров, где в результате воздействия пламенем на поверхности твердой фазы происходит накопление коксового остатка и его постепенное термоокисление. Интенсивность процесса термоокисления зависит от условий тепло- и массооб-мена в конденсированной фазе, на которые оказывают влияние многие факторы (температура окружающей среды, влажность воздуха , доступ кислорода в зону горения и его скорость и т.д.).
Полученными экспериментальными данными установлено, что у материалов из натуральных волокон скорость распространения пламени по различным текстильным направлениям (уток и основа) практически не меняется и ее численные значения составляют, соответственно, для тканей «Парусина полульняная», «Юнона» и «Тик матрасный» по основе - 5,5 мм/с, 10,2 мм/с, 11,0 мм/с, а по утку - 5,8мм/с, 8,8мм/с, 9,1мм/с. Полученные данные свидетельствуют о том, что у одинаковых по химическому составу и линейной плотности нитей по утку и основе тканей («Парусина полульняная», «Тик матрасный») линейная скорость в указанных текстильных направлениях нитей не меняется. Наблюдается снижение скорости распространения пламени по поверхности и увеличение общего времени пламенного горения образцов более плотной ткани (рис.2.2). Имеются некоторые отличия в характере горения тканей. Парусина полульняная, представляющая собой более плотный материал с тройным плетением нитей, распространяет пламя по поверхности практически в два раза медленнее, чем хлопчатобумажная ткань, и общее время пламенного горения в условиях испытаний по ГОСТ Р 50810-95 составляет в среднем около 2 минут. Образец тика матрасного, имеющий одно-ниточное саржевое плетение, поддерживает пламенное горение в среднем 55 секунд, а остаточное тление может составлять более трех минут. Это связано с различием структуры целлюлозных материалов и их поверхностных плотностей. Некоторое отличие линейных скоростей у ткани «Юнона» по утку и основе может быть связано с наличием вискозной составляющей утка, линейная плотность которой превышает практически в 3 раза линейную плотность хлопчатобумажной основы (табл. 2.1). Однако, характер основных зависимостей возникновения и распространения горения по целлюлозным материалам практически одинаков - они легковоспламеняемы, быстро распространяют пламя по поверхности (линейная скорость распространения пламени в среднем может составлять 10 мм/с, полностью сгорают (100% потеря массы), у хлопчатобумажных тканей развивается остаточное тление.
Как следует из анализа полученных экспериментальных результатов, динамика распространения фронта пламени по вертикальному образцу целлюлозы носит регулярный характер, определяемый термодинамическими
Исследование специфики процессов термодеструкции и термоокисления огнезащищенных текстильных материалов методами комплексного и совмещенного термического анализа
Учитывая опыт применения термического анализа (ТА), в частности, во ВНИИПО, в процессе работ по снижению горючести материалов, проведены исследования термолиза и горения текстильных материалов с целью установления механизма и эффективности действия огнезащитных составов.
Для количественной оценки процессов, протекающих в конденсиро ванной и газовой фазах, при термолизе и горении текстильных материала, и Щ отражающих механизм и эффективность действия антипиренов, проведены комплексные термоаналитические (ТА) исследования. Методами термического анализа проведены сравнительные испытания различных образцов текстильных материалов на основе хлопка, полиэфира, вискозы, как чистых, так и смесовых - с различным соотношением (процент ным содержанием) компонентов, обработанные и не обработанные огнезащитными составами (МС-Т, ОСТМ). Проводились исследования по изучению закономерностей термолиза этих материалов и основных аспектов действия различных замедлителей горения, входящих в состав огнезащитных составов, на термодеструкцию тканей. Применялись следующие методы ТА: термогравиметрия (ТТ) и термогравиметрия по производной (ДТГ), позволяющие получать информацию о диапазонах и скоростях разложения материала и его газификации; дифференциально-термический анализ (ДТА) для получения данных о динамике тепловыделения или поглощения тепла (в процессах f термоокисления пиролиза, плавления и других), определения характерных температурных точек тепловых процессов. Кроме того, применялся совмещенный анализ выделенного горючего газа (АГТ), позволяющий определять природу продуктов и получать данные о количестве и динамических характеристиках выделения горючих газов (ГТ) в ходе термического анализа.
Щ материалов проводились с использованием комплексной термо аналитической системы (ТАС) "Du Pont-9900", совмещенной с системой анализа горючих газов (АГГ) Система АГГ устанавливается на выходе термовесов (ТГА-951 ). Газовый блок системы АГГ состоит из ячейки детектора, сочетающего в себе два принципа детектирования по теплопроводности (катарометр) и по теплоте сгорания (термохимический-ТХД). Детектор являлся составной частью газо вого хроматографа ТАЗОХРОМ 3101". Выходной сигнал с хроматографа в милливольтах (mV), пропорциональный концентрации горючих газов, через переходный модуль и интерфейс, служащий аналого-цифровым преобразователем (АЦП) термоаналитического комплекса "Du Pont -9900", направлялся на персональный компьютер "Texas Instruments" для записи динамики выделения горючих газов. Для исследования процесса коксообразования и влияния огнезащитной обработки на стойкость кокса к тепловому воздействию применялся композиционный термический анализ. В процессе ТА эксперимента проводился линейный нафев образца в среде инертного газа (азота) и фиксировались ТА характеристики пиролиза и коксообразования ТМ. Далее, по достижении температуры 500 С, проводилась смена среды в ТГ ячейке с азота на воздух, и фиксировались ТА характеристики термоокисления кокса.
Для обработки термоаналитических данных использовалось следующее программное обеспечение: General Analysis Utility Program- для обработки термоаналитических кривых (определение максимумов, конкретных точек, дифференцирование кривых, интегрирование пиков, экстраполяция); File Modification Utility Program- для проведения операций над термоаналитическими кривыми (сложение, вычитание, дополнительное редакти-ровние); User Programmability- для сглаживания термоаналитических кривых и перевода файлов данных в операционную систему MS-DOS. По термоаналитическим кривым с использованием перечисленных программ обработки фиксировались следующие ТА параметры материала: По ТТ и ДТГ кривым: температурные интервалы (С) деструкции; потеря массы в % при фиксированных значениях температуры (100,200, 300,400, 500 С); температуры (С) потери 5,10,20,50 % массы; зольный остаток (%) при температуре окончания процесса деструкции; точки максимумов ДТХ кривой (Т,С, А,%мин" ); температуры начала разложения (ТнрО — отклонение потери массы от горизонтального хода кривой потери массы, Тнрэ — экстраполированная точка начала разложения — пересечение касательных, проведенных к ТГ-кривой по определенной методике, рис 2.8). По ДТА кривой: относительные тепловые (эндо, экзо) эффекты в С& мин/ мг; точки максимумов тепловых эффектов: температура (С) и их от носительная амплитуда
Комплексные исследования по разработке смесовых тканей для изготовления специальной защитной одежды с целью получения высокого огнезащитного эффекта при поверхностной обработке
Проблема защиты от возгорания одежды работающих на предприятиях, на которых имеется реальная опасность возникновения пожара, является достаточно актуальной. Сложность решения данной проблемы связана не только с получением высоких огнезащитных свойств текстильных материалов, но и с сохранением их основных эксплуатационных характеристик, т.е. существует задача комплексного решения данной проблемы.
При разработке специальной защитной одежды представляется целесообразным уделить большое внимание изучению особенностей процесса термодеструкции, прежде всего, самих текстильных материалов, содержащих в своём составе волокна хлопка и полиэфирных или термостойких волокон, поскольку результаты данных исследования являются основой при разработке подобных материалов пониженной горючести.
Большой интерес представляет создание тканей пониженной горючести на базе смесей волокон натурального происхождения (целлюлозных, вискозных) и синтетических волокон. Использование данного направления является приоритетным при получении доступных и сравнительно недорогих с хорошими физико-механическими показателями текстильных материалов для производства различных типов специальной одежды. Удовлетворительные физико-механические свойства тканей достигаются при введении в их состав полиэфира (ПЭ), что, однако, создаёт дополнительные сложности при получении материалов с требуемым уровнем огнезащиты. Причиной этого являются различия в термостабильности и в поведении на разных промежуточных стадиях процесса термодеструкции и химического строения целлюлозной составляющей и ПЭ. Так, например, температура разложения хлопка составляет 250-300 С, а для ПЭ данная температура находится в области более высоких температур 350-400 С.
Снижение горючести вышеуказанных материалов связывают, прежде всего, с подавлением процессов разрыва связей между звеньями макромолекул и усилением процессов внутримолекулярной дегидратации, а также выходом карбонизованного остатка. Однако при выборе замедлителей горения для целлюлозных материалов и ПЭ, как уже было сказано выше, необходимо учитывать тот факт, что они обладают различной термической стабильностью и имеют разный химический состав.
Известно, что наиболее распространённым способом снижения горючести текстильных материалов является обработка их антипиренами с одновременным выбором количественного соотношения состава волокон. Однако, как показали результаты исследований, в зависимости от состава тканей (хлопок, хлопок - ПЭ и т.д.) замедлители горения могут выборочно обеспечивать высокий уровень огнезащиты /7,141,144/. Таким образом, возникает необходимость также определять оптимальное соотношение компонентов, входящих в состав ткани, при котором наблюдается наибольший огнезащитный эффект от применения определённого антипирена.
Были проведены исследования на образцах различных материалов рабочей одежды, отличающихся между собой содержанием в составе материала хлопка и полиэфира (100% - хлопок; 60%- хлопок + 40% - полиэфир; 35% -хлопок + 65% - полиэфир; 20 % — хлопок + 80% - полиэфир; 100% - полиэфир). Все исследуемые образцы были обработаны антипиреном аммоний-метилфосфонатом (ОСТМ-2000) с одинаковым расходом с помощью шпосо-вочно-термофиксационного метода.
Оценка огнезащитной эффективности была проведена с использованием комплекса методов, описанных в разделе 3.1.1. Результаты испытаний по ГОСТ Р 50810 - 95, представленные на рис. / 3.3, показали, что графическая зависимость длины обугленного участка от состава ткани имеет экстремальный характер.
Все испытуемые образцы с огнезащитой имели длину обугленного участка менее 150 мм. Кроме этого, при испытаниях также фиксировали следующие показатели: наличие самостоятельного горения, прогорание до кромки образца, наличие поверхностной вспышки и воспламенения хлопчатобумажной ваты. По данным результатов испытаний текстильные материа лы можно классифицировать как трудновоспламеняемые согласно требова ниям ГОСТа
