Попытка объяснения механизма действия антипиренов

№111-1,

химические науки

В статье приводится попытка объяснения механизма действия антипирена, распространение которое за последнее время увеличивается в масштабах. Применение антипиренов в составе различных материалов: тканые и нетканые волокна, стальных конструкций и полимеров применяются в качестве химических добавок и пропиток, огнезащитных составов, т.д. для решения проблемы снижения их пожарной опасности, поскольку большинство их являются сильно огнеопасными продуктами и выделять токсичные вещества при горении.

Похожие материалы

Современные требования к различным материалам: дерево, сталь, полимер, ткань, искусственное волокно постоянно повышаются, сосредотачивая внимание общества на качестве продукции для потребителя и его безопасность для здоровья и жизни. Поэтому решение вопросов пожарной безопасности на сегодняшний день является актуальной. Широкое развитие науки и техники способствует возникновению различных методов и методик получения безопасных продуктов и материалов: безопасная одежда, персонал аварийных служб и специальных подразделений, пожарные и военные, строительные и отделочные материалы, применяемые в быту и на производстве, авиационные и космические материалы.

Большинство современных материалов включает в свой состав антипирены — активные вещества для снижения его горючести. Применение различных материалов подвергающихся воздействию открытого пламени, высокотемпературного теплового потока способны привести к воспламенению пиролизу, деструкции. Поэтому для решения вопросов снижения горючести применяют антипирены (рис. 1, 2).

Основная задача антипирена заключается в создании эффекта препятствия воспламенения, возгорания органических веществ, замедление распространения горения вплоть до его исчезновения на поверхности материалов, обработанных огнезащитными составами.

Древесина пропитанная антипиреном не поддерживает горение
Рисунок 1. Древесина пропитанная антипиреном не поддерживает горение
Испытания антипирена для дерева: до и после горения
Рисунок 2. Испытания антипирена для дерева: до и после горения

На схеме представлена последовательность возникновения процессов в результате воздействия на материал тепла и окислителя, которые вызывает воспламенение легковоспламеняющихся газов, пиролиз материала, его горение и свечение (рис. 3).

Схема воздействия тепла и окислителя на вещество
Рисунок 3. Схема воздействия тепла и окислителя на вещество

В результате применения антипиренов эту последовательность можно немного изменить, например как представлено на рис. 4, снижая горючесть материала.

Схема действия антипирена, снижая горючесть материала
Рисунок 4. Схема действия антипирена, снижая горючесть материала

Синергетический эффект сурьмы обусловлен летучестью тригалогенидов сурьмы и эффективностью соединений сурьмы при продувке свободными радикалами в широком диапазоне температур (например, 245-565 °C), приведенном на рис. 5.

Синергетический эффект сурьмы
Рисунок 5. Синергетический эффект сурьмы

В вопросе огнезащиты целлюлозы, приведем некоторое обоснование:

  1. Неорганические соли обеспечивают огнестойкость целлюлозного материала, который не подвергается воздействию воды, дождя или пота;
  2. Французский химик Гей-Люссак предложил обработку бурой и сульфатом аммония в качестве огнезащитного средства для хлопка в 1820 году;
  3. Сегодня смесь борной кислоты и буры по-прежнему является эффективным огнезащитным средством для хлопка с добавкой твердых веществ ~ 10%;
  4. Аммониевые соли сильных кислот, особенно фосфорной кислоты (P/N синергизм), особенно полезны в качестве не разрушаемых антипиренов для целлюлозы, основной механизм приведен на рис. 6.
Схема действия гидрофосфата аммония в качестве антипирена целлюлозы
Рисунок 6. Схема действия гидрофосфата аммония в качестве антипирена целлюлозы

Самые успешные прочные антипирены для целлюлозы основаны на фосфор — и азотсодержащих химических системах, которые могут прореагировать с волокном и формированием прошивной структуры на волокне. Ключевой ингредиент одной из этих отделок является тетракис (гидроксиметил)фосфоний хлорид (THPC), получаемый из фосфина, формальдегида и соляной кислоты, рис. 7.

Схема получения антипирена для целлюлозы
Рисунок 7. Схема получения антипирена для целлюлозы

Помимо перечисленных антипиренов и попытке объяснения их действующего механизма, в мировом сообществе применяются другие добавки (рис. 8): Аl(ОН)3, соединения бора (2ВаО·3В2О3·nН2О; 2ZnO·3В2О3·nН2О), фосфора (фосфаты аммония, три(2,3-дибромпропил)фосфат), сурьмы (Sb2O3), высокохлорированные парафины С2025, бромпроизводные ароматических углеводородов (гексабромбензол), смеси солей неорганических кислот с меламино- или мочевино-формальдными смолами, амины никеля, цинка, кобальта, карбонаты и сульфаты аммония, соли молибдена, ванадия, церия. На практике применяют обычно смеси различных антипиренов.

Рынок антипиренов
Рисунок 8. Рынок антипиренов

Благодаря такому широкому распространению антипиренов, хочется надеяться, что в реальности они не только снижают риск пожарной опасности, но и безопасны для человека и животных.

Список литературы

  1. Кропотова Н.А. Попытка объяснений возможных механизмов горения древесины под воздействием электрического поля // NovaInfo.Ru, 2016. — № 55. — Т. 1. — С. 15-19.
  2. Кропотова Н.А. Пути совершенствования огнетушащих свойств материалов на основе полимер-слоистого силиката // Новая наука: опыт, традиции, инновации: Международное научное периодическое издание по итогам Международной научно-практической конференции. — Стерлитамак: АМИ, 2016. — № 6-2 (89). — Ч.2. — С. 229.
  3. Кропотова Н.А. Основа разработки огнезащитного покрытия для стальных конструкций // Современные пожаробезопасные материалы и технологии: сборник материалов II Международной научно-практической конференции, посвященной Году культуры безопасности. — Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018. — С. 323 — 325.