10.1. Защита древесины от огня

Обработка древесины для придания ей огнестойкости заключается в пропитке ее различными веществами, которые или легко плавятся при нагревании и покрывают поверхность плотной корочкой, прекращающей доступ кислорода к древесине, или разлагаются с выделением большого количества негорючих газов и этим также препятствуют доступу кислорода к древесине.

Кроме того, при горении обработанной антипиренами отнимается некоторое количество тепла, необходимое для плавления, испарения и диссоциации огнезащитного вещества.

Таким образом, механизм действия антипиренов определяется одним или несколькими из следующих факторов:

1. антипирен плавится при температуре ниже той, при которой древесина нормально горит, причем образуется глазурь, прерывающая связь древесины (или угля) с кислородом воздуха;

2. антипирен разлагается под влиянием тепла, давая инертные пары или газы; эти газы разбавляют газообразные продукты разложения древесины до такой степени, при которой смесь перестает воспламеняться;

3. при плавлении, испарении и диссоциации антипирена потребляется такое количество тепла, что это предупреждает возможность повышения температуры древесины до величины, при которой происходит ее разложение.

С этой точки зрения наилучшими огнезащитными веществами будут такие, которые разлагаются с выделением инертных паров или газов и дают защитную пленку. Например, фосфорнокислый аммоний при нагревании выделяет негорючий газ – аммиак (выделяющийся из пропитанной древесины во время горения) – и фосфорные кислоты, которые плавятся и покрывают древесину (или уголь) защитной пленкой.

На горение пропитанной антипиренами древесины может влиять комплекс указанных причин.

Кроме пропитки антипиренами, есть возможность защитить древесину от воспламенения путем покрытия ее огнеупорными красками. При действии постороннего источника тепла древесина под покрытием начинает разлагаться. Выделяющиеся при этом газы вследствие возникающего давления частично разрывают слой покрытия, выходят через разрывы и сгорают на значительном расстоянии от древесины, лишь немного повышая ее температуру.

10.2. Антипирены

Антипирены должны обладать высокой огнезащитной способностью, быть устойчивыми в химическом отношении (неизменяемость свойств и химического состава во время службы пропитанной древесины), слабо выветриваться и иметь малую гигроскопичность.

Они не должны содержать ядовитых для людей веществ, не оказывать разъедающего действия на древесину и металлы и не препятствовать последующей окраске и обработке (в частности склеиванию) древесины.

Кроме того, антипирены должны быть дешевыми.

Из множества различных химических веществ и их смесей, предлагавшихся в качестве огнезащитных, остановимся на тех немногих, которые нашли или могут найти применение на практике.

Наибольшее применение в качестве антипиренов получили некоторые соли аммония, щелочные щелочноземельные соли серной, борной , фосфорной и соляной кислот.

Соединения бора. Бура (Na₂B₄O₇ x 10H₂O) представляет собой очень хороший антипирен. При нагревании бура вспучивается, выделяет пары воды (при 350-400 С теряет всю кристаллизационную воду) и при дальнейшем нагревании (при 741 С) сплавляется в стекловидную массу.

Указанные свойства выделяют буру среди других антипиренов и благодаря им она часто употребляется в смесях с другими веществами.

Растворимость буры увеличивается при нагревании: например, при 10 С растворимость 3 части, при 30 С – 7 частей водной соли в 100 частях воды.

Борная кислота (H₃BO₃) и борат аммония (NH₄)2B₄O₇ также являются хорошими антипиренами.

Бура и другие соединения бора могут пока применяться лишь в очень ограниченном количестве.

Соли фосфорной кислоты. Фосфорнокислый аммоний (NH₄)₂ HPO₄ и NH₄H₂PO₄ очень хорошо защищают древесину от горения (главным образом снижают быстроту горения).

Он довольно хорошо растворим в воде, негигроскопичен, мало корродирует металлы и при эксплуатации пропитанной древесины слабо выветриваются.

При нагревании соль диссоциирует с выделением аммиака и фосфорных кислот, которые плавятся и покрывают материалы защитной пленкой. Хорошим антипиреном является и кислый фосфорнокислый магний – MgHPO₄.

Сама фосфорная кислота, применяемая в слабых растворах, также предохраняет древесину от воспламенения.

Соли соляной и бромистоводородной кислот. Хлористый аммоний NH₄Cl, но очень гигроскопичен и легко выветривается. При нагревании выше 385 С возгоняется, образуя большое количество паров (NH₃ и HCl).

Большая гигроскопичность и способность вызывать коррозию металлов препятствует его широкому распространению.

Хлористый цинк (ZnCl₂) обладает значительными огнезащитными свойствами и применим не только в качестве антипирена, но и в тех случаях, когда одновременно требуется защита и от огня и от грибов. Однако хлористый цинк гигроскопичен, вызывает коррозию металлов и значительно понижает прочность древесины. Хлористый цинк плавится при 365 С, при 730 С кипит.

Хорошими огнезащитными свойствами обладает также хлористый магний.

Хлористый кальций (CaCl₂ x 6H₂O) гигроскопичен, огнезащитные свойства его невысоки. Он плавится при 29,5 С, при дальнейшем нагревании переходит в безводное соединение, плавящееся при 774С.

Бромистый аммоний (NH₄Br) очень хороший антипирен, но вследствие дороговизны и малой доступности применяется редко.

Соли серной кислоты. Сернокислый аммоний (NH₄)₂SO₄ - хороший антипирен. Он хорошо растворим в воде, выветривается слабее, чем хлористый аммоний, но вызывает значительную коррозию металлов. При 357 С плавится и при дальнейшем нагревании разлагается на аммиак и сернистый газ.

Из сернокислых солей употребляются в практике также сернокислый магний (MgSO₄ x 7H₂O) и сернокислый натрий (Na₂SO₄ x 10H₂O), огнезащитные свойства которых невысоки.

Квасцы аммониевые |Al₂(SO₄)₃x(NH₄)₂SO₄x24H₂O|, калийные |Al₂(SO₄)₃xK₂SO₄x10H₂O| и натриевые |Al₂(SO₄)₃xNa₂SO₄x24H₂O| применялись в качестве антипиренов еще в древности. По свойствам они близки друг другу и незначительно предохраняют древесину от возгорания. В воде квасцы растворяются слабо, они вызывают коррозию металлов; при эксплуатации пропитанной древесины квасцы выветриваются.

В качестве антипиренов предлагаются и органические соединения, главным образов фосфаты (фосфат мочевины, трифенилфосфат и др.), сульфаты (нафталинсульфокислый цинк, сульфадициандиамидин и др.), ацетаты органических и неорганических соединений (ацетат целлюлозы, ацетальдегид, ацетат цинка, ацетат алюминия и др.), а также хлорированные органические соединения в чистом виде и в смесях с неорганическими антипиренами (хлорированный нафталин, хлоркаучук, тетрахлорметан и др.).

Предлагается применять в качестве антипиренов и органические кислоты: щавелевую, молочную, салициловую и т.п., а также мочевину, дициандиамид, формальдегид и т.д. Однако огнезащитные свойства указанных органических кислот изучены слабо.

На практике очень часто применяются не отдельные антипирены, а их смеси. Например, рекомендуется употреблять смеси сернокислого и фосфорнокислого аммония (в отношениях от 3:7 до 7:3) в 10-20%-ном водном растворе; сульфата аммония (20%) и буры (5%) в водном растворе; сернокислого аммония (20%), фосфорнокислого натрия (10%) и фтористого натрия (2%) в водном растворе. Составлением подобных смесей стараются восполнить недостатки одной соли свойствами другой или удешевить пропиточное вещество.

Однако ни одно из известных огнезащитных веществ не является идеальным, поскольку не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к антипиренам. В частности, все описанные вещества растворимы в воде и, следовательно, могут быть легко вымыты из древесины, поэтому путем последовательных пропиток различными веществами стараются образовать в самой древесине нерастворимые вещества с хорошими огнезащитными свойствами.

К таким веществам относится, например, борат цинка. При нагревании он легко плавится и защищает древесину от возгорания. Чтобы получить в древесине борат цинка, ее пропитывают раствором буры, подсушивают до содержания влаги в 10% и вторично пропитывают раствором хлористого цинка. В древесине путем обменных реакций получаются борат цинка и хлористый натрий. После промывке в проточной воде хлористый натрий удаляется и в древесине остается борат цинка.

Такие способы обработки древесины называются минерализацией. В таких случаях обычно образуется одна нерастворимая, а другая растворимая соли. Под действием влаги древесина теряет растворимую соль, и сопротивляемость огню будет определяться только нерастворимой солью.

Воспламеняемость и тление древесины снижаются при пропитках, в результате которых в древесине образуются фосфорнокислые соли магния наряду с соединениями аммония или без них. При этом применяется, например, пропитка смесью хлористого магния с одноосновным фосфорнокислым аммонием с последующей обработкой аммиаком. В результате в древесине образуется трудно растворимые в воде соединения.

В качестве нерастворимого антипирена рекомендуется также сернокислый кальций (гипс), предложенный для защиты древесины в рудниках и шахтах. Для получения гипса в древесине применяется последовательная пропитка растворами хлористого кальция и серной кислоты или растворами других хорошо растворимых сернокислых солей.

Огнезащитные свойства гипса обусловлены тем, что при нагревании при температуре около 200 С он начинает диссоциировать с поглощением тепла и выделением водяных паров. При температуре пожара (около 1000 С) сернокислый кальций подвергается дальнейшей диссоциации с выделением негорючих окиси кальция и сернистого газа. Процесс этот протекает со значительным поглощением тепла.