Современное исследование о сопротивлении огню древесных материалов при добавлении углеродных нанотрубок

Добавление расширяемого графита и добавок углеродных нанотрубок для повышения огнестойкости древесных материалов демонстрирует существенный потенциал. Бартломей Мазела из Познаньского университета естественных наук, Польша, возглавляет исследовательский проект по этой теме – эта статья представляет собой резюме исследования, которое было представлено на прошлогоднем Международном симпозиуме по продукции из панелей в Уэльсе.

"Двухслойный древесный композит с огнестойким целлюлозно-углеродным сердечником" — так называлась исследовательская работа, вызвавшая интерес после ее представления на Международном симпозиуме по панельным изделиям в конце 2023 года.

Многолетние исследования представляют интересную возможную альтернативу традиционным методам повышения огнестойкости изделий из древесины.

Ведущий научный сотрудник Бартломей Мазела из Познаньского университета естественных наук (Польша) рассказал об исследовательском проекте, финансируемом Национальным центром исследований и разработок в качестве оператора программы «Прикладные исследования», реализуемой в рамках Норвежского финансового механизма на 2014–2021 годы.

Профессор, доктор наук Бартломей Мазела рассказал о нескольких существующих способах создания комбинированной системы обработки огнезащитным составом и консервантом для древесины.

Один из методов заключается в модификации существующего консерванта, пригодного для внутреннего или наружного применения, путем добавления антипирена. Этот процесс направлен на пропитку обычных консервантов для повышения огнестойкости.

Другой метод — модификация древесины неорганическими соединениями с целью образования древесно-неорганических композитов.

Стремительный рост популярности деревянных зданий и растущая ориентация производителей и потребителей на экологичные решения обуславливают необходимость повышения огнестойкости древесины и древесных материалов.

В строительной отрасли, особенно в деревянном домостроении, существует множество различных методов огнезащитной обработки древесины и древесных материалов.

Один из методов — это поверхностное покрытие. Второй и наиболее эффективный способ — это замачивание или обработка под давлением фанеры, а третий процесс — это добавление антипиренов в смолу.

Эти методы снижают возгораемость древесины и изделий из нее за счет задержки момента возгорания материала, снижения скорости распространения пламени по поверхности и снижения интенсивности горения легковоспламеняющихся материалов.

Самым популярным на рынке методом огнезащиты древесных плит является покрытие.

Преимущества следующие:

• Легкое применение
• Самое популярное решение по противопожарной защите на рынке
• Повышение пожарной классификации древесных материалов до класса В
• Доступно прозрачное покрытие.

Недостатки:

• Требуется несколько слоев покрытия
• Дорогой
• Нестабилен при использовании на открытом воздухе (вымывается)
• Не подходит для материалов толщиной менее 12 мм.
• Продукт высокой плотности (>700 кг/м3)

Что касается противопожарной защиты путем глубокой пропитки, то ее преимущества в том, что она недорогая, хорошо известна на рынке, повышает пожарную классификацию древесины до класса В и не меняет цвет и текстуру древесины.

Однако к недостаткам можно отнести необходимость использования дорогостоящего оборудования, неустойчивость при использовании на открытом воздухе (вымывание), непригодность для материалов толщиной менее 12 мм и высокую плотность продукта (>700 кг/м3).

Альтернативой использованию традиционных антипиренов являются антипирены, которые изменяют воспламеняемость древесины и древесных материалов, манипулируя химией конденсированной фазы. Добавки, способствующие образованию древесного угля при сгорании древесины, являются очень эффективными антипиренами.

Вспучивающийся EG — это низкоплотный углеродный материал с уникальными свойствами. Он имеет развитую удельную поверхность, устойчивость к агрессивным средам и низкую теплопроводность. Процесс расширения EG начинается при температуре выше 220°C.

При таком подходе древесина, покрытая или инкрустированная графитом, начинает защищаться посредством образования пены и дополнительного угля при температуре ниже 260°C, то есть ниже температуры возгорания древесины.

Другим решением является применение расширенного графита (расширяемого графита) в качестве антипирена. В частности, его использование в качестве антипирена для материалов и/или изделий, состоящих из или содержащих древесные волокна, целлюлозные волокна, древесный порошок, целлюлозный порошок, древесные гранулы, целлюлозные гранулы и/или материалы на основе полиолефинов. Он вносится в материалы или изделия для снижения воспламеняемости.

Изобретение также относится к средству, в котором расширенный графит используется отдельно или в сочетании со смесью борной кислоты/буры/щелочной соли.

Одним из перспективных наноматериалов в качестве источника дополнительного углерода являются углеродные нанотрубки (УНТ). УНТ являются популярной добавкой к полимерным композитам для улучшения механических свойств и огнестойкости.

УНТ, диспергированные в матрице полистирола и полиметилметакрилата, могут использоваться в качестве антипирена.

Исследования и испытания

Целью исследования является разработка тонких двухслойных композитных материалов (максимальная толщина 5 мм), имеющих потенциал для классификации Bs1,d0 в соответствии с EN 13501-1.

Объем работ включает изготовление двухслойного композита. Внутренний слой композита состоит из целлюлозного носителя, содержащего расширенный графит и углеродные нанотрубки, остальные слои — сосновый шпон.

Для изготовления двухслойного композита целлюлозные волокна были погружены в деионизированную воду на 24 часа для улучшения дефибрилляции во время производства целлюлозных листов.

Графит и углеродные нанотрубки добавлялись непосредственно перед производством листа в целлюлозные волокна водной стадии (концентрация 5%). Производственный процесс включал следующие этапы: перемешивание клея и целлюлозных волокон, флотация волокон, удаление воды вакуумом и вакуумная сушка конечного продукта.

Наружный шпон склеивался крахмально-уксусным клеем в горячем прессе.

Крахмально-уксусный клей изготавливался следующим образом: взвешивалось 10 г картофельного крахмала, затем к нему добавлялось 20 мл воды при интенсивном перемешивании. Стакан с 80 мл воды ставился на водяную баню и нагревался до 80°С. После достижения нужной температуры воды добавлялась суспензия крахмала в воде и интенсивно перемешивалась около 1 мин до получения густой массы. Затем добавлялось 10 мл уксусной кислоты и перемешивалось около 1 мин. Получалась густая масса с консистенцией геля.

Клей наносился кистью. Полученные листы целлюлозы склеивались с помощью крахмально-уксусного клея, нанесенного на поверхность модифицированного материала, и добавлялся слой шпона. Предварительно склеенный материал кондиционировался при комнатной температуре под нагрузкой в течение 1 часа, а затем прессовался при 85°C и давлении прессования 1,5 МПа также в течение 1 часа.

Для приведенных выше вариантов использовался сосновый шпон толщиной 0,64 мм и влажностью 4,48%, размерами 10х10 см.

Для тестирования были выбраны следующие варианты:

• Контрольные образцы – два слоя шпона, склеенные без среднего целлюлозного слоя.
• Контрольные образцы – два слоя шпона, склеенные с промежуточным слоем из листовой целлюлозы.
• Композитные образцы – два слоя шпонового клея со средним слоем из листа углеродных нанотрубок/графитированной модифицированной целлюлозы в соотношении 1:1:1

Результаты противопожарного тестирования

Анализ ISO 5660-1 был выполнен при тепловом потоке 50 кВт/м2 с искровым зажигателем, используемым в качестве предварительного испытания для сертификации по пожаробезопасности. Испытания проводились с использованием метода ISO 5660 на образцах размером 100x1200 мм и различной толщины. Образец располагался на расстоянии 25 мм от края конуса. Испытания проводились при температуре окружающей среды 17°C, барометрическом давлении 1001 гПа и влажности воздуха 39%.

Продолжительность теста составила 1200 сек.

Для испытания были выбраны следующие варианты: эталонный образец толщиной 1,73 мм, контрольный образец толщиной 1,82 мм и композитные образцы толщиной 3,68 мм.

Самая низкая скорость тепловыделения (HRR) наблюдалась для композитного образца и составила 219 кВт/м2. Это значение достигается через 30 секунд испытания.

Это значительное улучшение параметров воспламеняемости композита, а показатель HRR снижен примерно на 30% по сравнению с эталонными и контрольными образцами.

Одним из важнейших параметров является максимальная средняя скорость тепловыделения (MAHRE). Через 600 с для составного образца она составляет 89 кВт/м2. Эти параметры представляют собой снижение на 41% и 45% по сравнению с эталонным и контрольным образцами.

Модификация целлюлозы углеродами неорганического происхождения (ЭГ и УНТ) не повлияла на время воспламенения образца. Воспламенение наблюдалось в течение 16-18 секунд после начала испытания.

Примечательно, что контрольные и референтные образцы погасли примерно через 100 сек, а композит горел в два раза дольше. Таким образом, кинетика горения меняется, что подтверждается анализом газов, выделяющихся в ходе испытания.

Контрольные и референтные образцы выделяли значительно больше CO2, чем композит. С другой стороны, при сгорании композитов выделяется больше CO2. Выделение дыма композитом значительно ниже, чем у контрольных и референтных образцов.

Выводы

Разработка двухслойного композиционного материала толщиной около 4,5 мм повысила огнестойкость по сравнению с эталонными и контрольными материалами. Снижение общего дымообразования и общего дымовыделения (почти в четыре раза) доказывает высокую способность материала с участием ЭГ/УНТ удерживать углерод в структуре. Этот факт существенно влияет на разработку экологически чистых материалов и их классификацию.

Показатели HRR и MAHRE также позволяют предположить, что данный материал может быть отнесен к классу C по стандарту EN 13501-1. Скорее всего, необходимо нанести дополнительное покрытие для повышения огнестойкости тонкого композита до класса B.

Источник: www.ttjonline.com