Дипломная работа: Модифицирующее вещество для пропитки древесины, придающее огнестойкость композиции

Прочность древесины довольно высока: по удельной прочности при растяжении вдоль волокон ее можно сравнить со сталью, табл.1. Она хорошо работает на изгиб, растяжение, несколько хуже на сжатие и кручение.

Таблица 1.1 Удельная прочность при растяжении некоторых строительных материалов

Материал	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительная плотность,	Удельная прочность,
Высокопрочная сталь	2000	7,85	255
Стеклопластик	400	2	200
Древесина сосны с 12% -ной влажностью	115	0,53	213

Примечание: Удельная прочность - отношение прочности к относительной плотности.

В таблице 2 приводится сопоставление показателей плотности и прочности древесины хвойных и лиственных пород, произрастающих в нашей стране [1,2].

По своей удельной прочности древесина может конкурировать с другими конструкционными материалами, однако использовать ее высокую прочность весьма затруднительно. Это объясняется наличием отклонений или дефектов (пороков) древесины, возникающих в процессе роста дерева, обработки и хранения лестных материалов, а также при эксплуатации строительных конструкций. Дефекты ухудшают механические свойства древесины и ее декоративные качества. При определении сортности и назначения древесины учитывают пороки, которые подразделяются на следующие группы: трещины, сучки, пороки формы ствола, пороки строения древесины, химические окраски, грибные повреждения насекомыми, инородные включения, деформации. Отдельные пороки на ограниченной длине ствола можно удалить, что позволит повысить сортность древесины. В некоторых случаях древесину из-за пороков нельзя использовать для получения досок, но ее можно применять как строительные бревна.

Таблица 2. Средние показатели механических свойств (в МПа) древесины хвойных и лиственных пород при 15%-ной влажности.

дерево	Плотность, кг/м3	При сжатии вдоль волокон	При статическом изгибе	При растяжении вдоль волокон	При скалывании
					В радиаль- ном направ- лении	В танген- сальном направ- лении
Сосна	530	44	79	115	7	7,5
Кедр	440	35	64,5	78	5,5	6
Береза	640	45	100	120	8,5	11
Дуб	720	52	94	129	8,5	10,5
Липа	510	39	68	116	7	8
Осина	500	37,5	77	131	6	8
Листвен- ница	680	51,5	97	129	11,5	12,5

1.2 Горение древесины

Химический состав твердых веществ очень разнообразен, так органические вещества состоят в основном из углерода, кислорода и азота, но в них могут входить также С1, Р, 81 и другие химические элементы [4].

В условиях большинства пожаров горят в основном твердые вещества, которые широко используются в быту и в различных отраслях промышленности. К ним в первую очередь относятся изделия и материалы,

состоящие из целлюлозы или изготавливаемые на ее основе: х/б ткани, бумага, хлопок, древесина.

По структуре древесина представляет собой пористый материал с множеством ячеек, заполненных воздухом, табл.З. Стенки ячеек состоят из целлюлозы и лигнина [5].

Таблица 3. Объем твердого вещества и пустой породы

Показатели	Береза	Дуб	Ель	Сосна
Масса 1 м3 плотной древесины, кг/м3	560	650	420	460
Объем твердого вещества, %	37,4	43,4	28,0	30,7
Объем пустот, %	62,6	56,6	72,0	69,3

Целлюлозные материалы, как видно из табл.4, содержат кислород, который участвует в процессе горения, так же как и кислород воздуха. Кроме того, поры и полости волокнистых материалов заполнены воздухом, табл.2 [5].

Таблица 4. Состав целлюлозных материалов

Вид целлюлозного материала	Элементарный состав, %				Содержание, %	Содержание, %
	С	Н	О	N
Древесина:
Дуб Сосна	46,08 46,00	5,50 5,50	38,18 39,2	1,14 0,90	7,0 7.0	2,1 1,4
Солома	39,06	4,70	42,2	1,04	8,0	5,0
Хлопок	42,40	5,92	46,6	0,58	4,0	0,5

Поэтому объем воздуха необходимого для их горения значительно меньше, чем для горения веществ, в состав которых кислород не входит. Этим же объясняется и низкая теплота сгорания целлюлозных материалов и способность их к тлению. Горение происходит без образования сажи.

Характерным свойством целлюлозных материалов является их способность при нагревании разлагаться с образованием паров, газов и КО количество которых зависит от температуры и режима нагревания. Медленное разложение древесины начинается при 160 - 170° С, а заметный выход газообразных продуктов происходит при 280-300° С. Состав этих продуктов представлен в табл.5 [6].

Таблица 5. Состав неконденсирующихся газов, образующихся при деструкции древесины

Состав газов	Выход газов %, при температурах, ° С
	200	300	400	500	600	700
Выход газов на 1 00 кг древесины, м3	0,4	5,6	9,5	12,8	143	16,0
Состав, % объем
СО2 СО СН4 С2Н4 Н2	75,0 25,0	56,07 40,17 3,76	49,36 34,0 14,3 0,86 1,47	43, 20 29,01 21,12 3,68 2,34	40,98 27, 20 23,42 5,74 2,66	38,56 25, 19 24,94 8,50 2,81

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
Кокс Смола СНзСООН Метиловый спирт Ацетон С02 СО СН4 С2Н4 Другие органические в-ва Вода ИТОГО:	31,8 15,8 7,08 1,6 0, 19 9,96 3,32. 0,54 0, 19 10,03 19,49 100,00	32154,6 29642,5 14276,9 22231,9 32489,5 10173,9 16202,9	10225,0 4683,5 1010,8 355,7 61,7 337,7 1668,9 18343,3

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.

1.3 Деструкция целлюлозы

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).

1.4 Снижение горючести древесины и изделий на е основе

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9