Нетканые материалы: обзор свойств, пожарная опасность, применение

№111-1,

физико-математические науки

В статье приводится обзор нетканых материалов, пытающихся решить проблему возгорания и распространения неконтролируемого горения. Применение нетканых материалов для изготовленных изделий бытового или хозяйственного потребления из синтетических волокон может привести к пожарной опасности. Это производство синтетических волокон, таких как полиолефин, полиэстер или нейлон, которые являются сильно огнеопасными продуктами. На сегодняшний день этот вопрос является актуальным и требует решения. В первую очередь это относится к тканям, имеющих в своем составе некоторые вплетения из огнестойкого материала либо обработанные определенными химическими составами.

Похожие материалы

Нетканые материалы находят все больше применений, определяющих основные требования по огнестойкости. Как правило, это относится к тканям, имеющих в своем составе некоторые вплетения из огнестойкого материала либо обработанные определенными химическими составами. Многие производственные предприятия, как показывает рынок, производят синтетические волокна, такие как полиолефин, полиэстер или нейлон, которые представляют сильно огнеопасные продукты. Полипропилен, в частности, горит очень быстро с относительно низким количеством дыма и без выхода углеродного (коксового) остатка из-за его полностью алифатической углеводородной структуры. Температура самовозгорания около 570 °C и она сопоставима с древесиной и другими целлюлозными материалами.

Применение нетканых материалов для изготовленных изделий бытового или хозяйственного потребления из синтетических волокон может привести к повышенной пожарной опасности. На сегодняшний день этот вопрос является актуальным и требует решения. Существует тенденция к замене дорогостоящих материалов более дешевыми материалами, например, полипропиленом (см. рис 1).

Огнезащитный нетканый материал
Рисунок 1. Огнезащитный нетканый материал

Огнестойкость нетканых материалов может быть достигнута двумя способами:

  • аддитивным (механическое смешивание антипирена с полимером перед экструзией), причем сопоставимы с термопластом, термореактивом и естественными волокнами;
  • локальным (покрытие волокна или ткани химическим составом антипирена).

В процессе горения материалов выделяют несколько стадий: нагрев, разложение, воспламенение, распространение пламени и образование дыма. Сжигание приводит к получению тепла, которое подается внутрь и пиролизует полимер, производит больше топлива и поддерживает процесс горения.

Антипирены — это химические вещества, которые вмешиваются в одну или несколько стадий процесса горения. Это делается в четырех различных режимах:

  1. Реакция в газовой фазе,
  2. Реакция в конденсированной фазе,
  3. Эндотермический эффект,
  4. Эффект разбавления.

Огнезащитная добавка для нетканых материалов должна отвечать следующим требованиям:

  • сохранять естественный цвет или окраску волокна;
  • не выделять вредные вещества, в том числе дым во время производства волокна;
  • сохранять долговечность и надежность материала при его эксплуатации;
  • быть стоек к ультрафиолетовому излучению;
  • должен соответствовать современным стандартам на мировом рынке.

Процесс воспламенения и горения опишем коротко, как реакция газовой фазы. Исходя из фазы, вещество должно перейти в газовую фазу при горении. Как и любое твердое тело, текстильная ткань, подвергающаяся воздействию источника тепла, подвергается повышению температуры. Если температура источника (либо излучающего, либо газового пламени) достаточно высока и чистая скорость теплопередачи к ткани высока, то произойдет пиролитическое разложение волокнистой подложки. К продуктам этого разложения относятся горючие газы, негорючие газы и коксовый остаток. Горючие газы смешиваются с окружающим воздухом и кислородом. Смесь воспламеняется, образуя пламя, когда ее состав и температура благоприятны. Часть тепла, выделяемого внутри пламени, передается на ткань для поддержания процесса горения, а часть теряется в окружающей среде. Значительная пожароопасность, создаваемая текстильными изделиями как уже известно, является следствием большой площади поверхности волокон и легкости доступа к атмосферному кислороду. Цель замедления горения заключается в предотвращении реакции загорания ткани и последующего его распространения за счет химического и / или физического контакта в твердой, жидкой или газовой фазах. Антипирен может предотвратить горение на определенной стадии этого процесса, например, во время нагревания, разложения, воспламенения или распространения пламени.

Различные современные методы применяются для доказательства огнезащитных и воспламеняющих свойств материалов. Первый метод заключается в использовании по своей сути полимеров снижающих горение. Второй способ заключается в химическом модифицировании существующего полимера для синтеза полимера с антипиреном. Третий способ заключается в использовании антипиренов и / или частиц (микро — или нанодисперсных), непосредственно включенных в материалы (например, термопласт, термореактивные материалы или синтетические волокна) или в покрытии, покрывающем их поверхность (например, конструкционная сталь или текстиль).

Здесь опишем только механизм действия антипиренов. Различные способы, которыми может действовать антипирен, не происходят по отдельности, они рассматриваются в комплексе как сложные процессы, как правило, многостадийных, с одной доминирующей (например, использование гидроксидов вызывает эндотермическое разложение, охлаждение субстрата и разбавление воспламеняющейся газовой смеси за счет образования инертных газов, связанных с образованием оксидного защитного барьера).

Существует несколько способов, с помощью которых процесс горения может быть замедлен физическим воздействием:

  1. Образование защитного слоя — под действием внешнего теплового потока добавки могут образовывать экран с низкой теплопроводностью, что позволяет уменьшить теплопередачу от источника тепла к материалу;
  2. Охлаждение — реакции разложения добавки могут играть определенную роль в энергетическом балансе горения. Добавка может деградировать эндотермически, что охлаждает субстрат до температуры ниже той, которая необходима для поддержания процесса горения.
  3. Разбавление — включение инертных веществ (например, наполнителей, таких как тальк или мел) и добавок, образующих инертные газы при разложении, разбавляет топливо в твердой и газовой фазах таким образом, что нижний предел воспламенения газовой смеси не превышается.

Химическое действие наиболее значимых химических реакций, мешающих процессу горения, происходят в конденсированной и газовой фазах:

  1. Реакция в конденсированной фазе. Здесь могут иметь место два типа реакции: во-первых, распад полимера может быть ускорен огнезащитным составом, вызывающим выраженный поток полимера и, следовательно, его вывод из сферы влияния пламени, которое отрывается; во-вторых, огнезащитный состав может вызвать образование на поверхности полимера слоя углерода (обугливание), керамической структуры и/или стекла.
  2. Реакция в газовой фазе. Радикальный механизм процесса горения, происходящего в газовой фазе, прерывается огнезащитным составом или продуктами его разложения.

Таким образом, противопожарные аддитивные системы могут использоваться отдельно или совместно с другими системами в полимерных материалах для получения синергетического эффекта, т.е. защитный эффект выше, чем предполагается от добавления отдельных эффектов каждой системы.

Различные подходы для огнезащитных нетканых материалов

Большинство волокон обладают высокой горючестью (за исключением высокоэффективных волокон) и воспламеняемость производных тканей во многом зависит от конструкции и плотности ткани. Несколько подходов можно использовать для того чтобы увеличить поведение нетканых материалов при горении (как правило, в условиях пожара), используемых или самостоятельно или в смесях с другими волокнами:

  1. Покрытия и/или отделочные обработки могут применяться для защиты тканей от источников тепла и предотвращения испарения горючих материалов. Они могут принимать форму простых защитных покрытий или, более часто, обработки тканей неорганическими солями, которые плавятся и образуют стекловидное покрытие при воздействии источников зажигания.
  2. Термически неустойчивые химикаты, обычно неорганические карбонаты или гидраты, включены в материал, часто как покрытие для сохранения поверхностных характеристик ковра или ткани.
  3. Материалы, способные рассеивать значительное количество тепла, слоятся вместе с тканью или иным образом включаются в составную структуру. Они могут быть такими же простыми, как металлические фольги или другие тепловые проводники, или такими же сложными, как различные фазовые материалы, которые поглощают большое количество тепла, когда они разлагаются или улетучиваются. Если из точки воздействия удаляется достаточное количество тепла, то условия для воспламенения не достигаются.
  4. Материалы с повышенной химической обработкой, которые могут быть реактивными или нереактивными для того чтобы произвести огнегашение и/или предотвращение распространения пламени.
  5. Химические вещества, способные высвобождать агенты захвата свободных радикалов, как правило, галогенорганические соединения (часто броморганические или хлорорганические соединения), могут быть включены в ткань.
  6. В частном случае синтетических волокон (перечисленные выше подходы применимы как к натуральным, так и к синтетическим волокнам), прямое введение добавок (микронаполнителей и/или наночастиц) или сополимеризация определенных групп.

Огнезащитные волокна для нетканых материалов для изготовления огнезащитных волокон можно рассмотреть несколько подходов:

  1. Введение добавки (ов) огнегасителей в расплав полимера или в раствор перед экструзией,
  2. Сополимеризация или химическая прививка молекул огнегасителя к основной полимерной цепи,
  3. Польза полупрочной или прочной отделки.

Единственными кандидатами на применение первых двух подходов являются синтетические волокна, которые достаточно широко распространены должны отвечать определенным критериям огнестойкости, соответствующей их химическому составу. Большинство волокон включают полимолочную кислоту (PLA), полиэфир, полиамид и полипропилен. Все эти волокна используются для изготовления нетканых материалов.

Мультифиламенты были связаны и воспламеняемость изучена с помощью конусной калориметрии при внешнем тепловом потоке 35 кВт/м2. В зависимости от нагрузки глины, пиковое значение RHR уменьшено до 38% демонстрируя улучшенное представление пожара этих волокон PLA. Образование кокса наблюдается в случае нанокомпозитов, предполагающих механизм образования конденсированной фазы.

Полиэфирные волокна являются основными синтетическими волокнами, используемыми в промышленном производственном секторе, могут быть найдены в нескольких областях применения. Поскольку полиэфирные волокна легко воспламеняются, огнестойкость является значительной проблемой.

Полипропилен (ПП) в настоящее время является одним из наиболее быстро растущих волокон для технического использования различных продуктов, где высокая прочность на растяжение в сочетании с низкой стоимостью являются существенными особенностями.

Приемлемый огнезащитный состав для полипропилена, особенно волокнообразующих марок, должен иметь:

  1. Термическую стабильность до нормальной температуры обработки ПП,
  2. Хорошую совместимость с PP и отсутствие вымещения добавок,
  3. Свойства огнегашения и дальнейшего распространения пламени за счет присутствия добавок в волокне,
  4. Эффективность на относительно низком уровне (типично меньше чем 10 весов.%) свести к минимуму его влияние на свойства волокна/ткани, а также стоимость.

В целях обеспечения безопасности населения в отношении пожаров постоянно обсуждаются и изменяются стандарты, правила и требования к различным материалам. Часто разработки новых безопасных материалов, проявляющих эффективные огнезащитные свойства либо дороги в производстве, либо продукт дороже аналогов, которые, к сожалению, не проявляют таких свойств, известно, что производство нацелено в первую очередь на выработку продукции по спросу. Гармонизация данной проблемы решается и поиск путей снижения стоимости новых огнезащитных материалов, не увеличивающих их стоимость и не снижающих качественных свойств, продолжается, а спрос на нетканые материалы увеличивается.

Список литературы

  1. Моисеева Е.Ю., Бутман М.Ф., Кропотова Н.А. Разработка негорючих сорбентов на основе Аl-пилларированного природного монтмориллонита // Современные пожаробезопасные материалы и технологии: сборник материалов II Международной научно-практической конференции, посвященной Году культуры безопасности, Иваново, 19 сентября 2018 г. — Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018. — С. 20 — 24.
  2. Моисеева Е.Ю., Кропотова Н.А. Оценка огнестойкости нанокомпозитов «полимер-слоистый силикат» // Современные пожаробезопасные материалы и технологии: сборник материалов II Международной научно-практической конференции, посвященной Году культуры безопасности, Иваново, 19 сентября 2018 г. — Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018. — С. 63 — 68.