Исследование теплопроводности текстильных материалов, пропитанных вспучивающимся антипиреном, методом дифференциально-термического анализа

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №7 УДК 6.20.22:547.775

Р. Н. Фазуллина, И. В. Красина, С. В. Илюшина, А. Н. Минязова

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРОПИТАННЫХ ВСПУЧИВАЮЩИМСЯ АНТИПИРЕНОМ, МЕТОДОМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО-ТЕРМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Ключевые слова: текстильные материалы, вспучивающийся антипирен, пентаэритрит, карбамид, диаммоний фосфат, коксовый слой, теплопроводность, дифференциально-термический анализ, термодеструкция.

В работе исследуется влияние вспучивающего антипирена на термозащитные свойства текстильных материалов. Проведен дифференциально-термический анализ пропитанных образцов. Показано, что вспучивающийся антипирен повышает теплопроводность текстильных материалов за счет образования коксового слоя на поверхности образцов.

Keywords: textile materials, intumescent fire retardant, pentaerythritol, urea, diammonium phosphate, coke layer, thermal conductivity, differential thermal analysis, thermal destruction.

In this paper we investigate the effect of intumescent flame retardant to overload the properties of textile materials. Held differential thermal analysis of the soaked samples. The results study showed that the intumescent fire retardant improves the thermal conductivity of textile materials through the formation of the coke bed at Turn samples.

Введение

В мировом производстве отмечается рост емкости рынка огнестойкого текстиля. Так, если в 2008 году рынок огнестойкого текстиля вырос на 15%, в 2014 году - на 25%, то в 2015 году отмечен рост на 27%. Анализ производства тканей для огне-и термозащитной одежды за 10 лет показал, что до 2015 года для создания огнестойкого текстиля в мире в основном использовались ткани из натуральных волокон, защитные эффекты которых определяются толщиной, весом и специальной пропиткой. В настоящее время для производства высококачественного огнестойкого текстиля широко используются различные волокна и нити с повышенными факторами защиты, которые применяются либо в чистом виде, либо в смеси с натуральными волокнами [1].

В разработке материалов и изделий легкой промышленности пониженной горючести можно выделить следующие направления: 1 - синтез негорючих волокнообразующих полимеров; 2 -применение замедлителей горения - антипиренов; применение наполнителей; нанесение огнезащитных покрытий; 3 - химическая модификация волокнообразующего полимера на стадии получения и формования волокна; а также комбинация различных способов получения материалов повышенной термостойкости, диктуемая соображениями целевого назначения материалов и требованиями, в отношении их технических показателей и стоимости [2].

Повышение эффективности процессов изготовления огнестойкого текстиля и совершенствование технологий достигается за счет использования прогрессивных способов обработки, обеспечивающих производительность труда и влияющих на создание эстетического уровня изделий. В связи с этим, все чаще производственные методы технологических процессов заменяют на нетрадиционные, прогрессивные и более

эффективные, в частности - химизацию. А в результате введения химизации в отрасли, производящие товары народного потребления, расширяется ассортимент изделий, происходят структурные изменения в сырьевом балансе текстильной промышленности [3].

Исследование влияния вспучивающегося антипирена на огнестойкость текстильных материалов

Антипирены - это химические вещества, которые добавляются в горючие материалы для придания им большей сопротивляемости воспламенению. При нанесении антипирена на материал образуется защитная пленка на поверхности, которая прекращает доступ кислорода, а на поверхности от повышенной температуры плавятся соли. Впоследствии чего выделяемое тепло расходуется на реакцию плавления антипирена, и происходит снижение температуры воспламенения материала, а значит, обуславливает его защиту. Однако наряду с улучшением противопожарных свойств антипирены могут ухудшать другие свойства материалов. Ни одна группа и ни один индивидуальный антипирен не лишены недостатков применения. Поэтому применение того или иного антипирена зависит от его различных дополнительных характеристик.

Наибольшей эффективностью огнезащитного действия обладают вспучивающиеся антипирены, благодаря наличию интумесцентной системы (расшифровать), отвечающей за процесс образования пенококса.

Огнезащитные вспучивающиеся композиты используются, прежде всего, потому, что образуют тонкий слой, обладают эффективной огнезащитной способностью и могут быть нанесены на различные поверхности механизированным методом. Интумесцентные замедлители горения по внешнему виду похожи на обычный раствор и одновременно

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №7

могут использоваться для защитного и декоративного покрытия. Под воздействием высоких температур покрытие начинает вспучиваться, увеличивается в объеме в 2-3 раза, а на поверхности материала образуется твердый, защитный слой из вспененного кокса. Он действует как защитный барьер от открытого пламени, уменьшает теплопередачу и защищает поверхность.

Однако вспучивающиеся покрытия еще полностью не изучены и используются в узких отраслях промышленности, например в строительной индустрии, для повышения огнестойкости стальных конструкции, деревянных балок, бетонных, кирпичных строительных зданий, воздуховодов сооружений, кабелей, кровли, также в малом количестве для огнезащитных покрытий для текстиля и изделий на основе каучуков. Но текстильные материалы, обработанные

замедлителями горения этого класса, обладают недостаточной эластичностью и повышенной жесткостью, что исключает их использование в производстве специальной одежды [4].

Актуальность данной исследовательской работы связано с изучением влияния вспучивающегося антипирена на теплопроводные свойства текстильных материалов. В ходе исследования смесовые ткани были пропитаны вспучивающим антипиреном, синтезированным в лаборатории кафедры «Технология химических, натуральных волокон и изделий».

В результате был создан огнезащитный вспучивающийся антипирен, включающий в свой состав 3 компонента: карбамид, пентаэритрит и диаммония фосфат, который показал свою эффективность на текстильных материалах [5]. При воздействии пламени с огнестойким составом он образует единую коксующуюся систему, которая не горит и не выделяет дыма и токсичных продуктов.

Нанесение вспучивающегося антипирена проводится после модификации текстильных материалов низкотемпературной плазмой пониженного давления.

Исследование теплопроводности текстильных материалов после пропитки вспучивающимся антипиреном

Влияние вспучивающегося антипирена на текстильные материалы изучали с помощью дифференциально-термического анализа.

Дифференцирующая сканирующая

калориметрия - термогравиметрический анализ представляет собой совмещенный ТГА/ДСК/ДТА анализатор, который позволяет одновременной регистрировать изменения массы образца и процессы, сопровождающиеся выделением или поглощением тепла. Комбинируя информацию ТГА и ДСК можно оценить тепловые эффекты, термодеструкцию материала [6].

На рисунках 1-2 представлены данные ДСК-ТГА образцов тканей арт. 99/2 и арт. 2211 БК, без нанесения антипирена и пропитанных вспучивающимся антипиреном.

\ \

ц

V /

Рис. 1 - ДСК-ТГА хлопкополиэфирной ткани арт. С-99/2: 1 - контрольный образец, 2 - образец, пропитанный вспучивающимся антипиреном

Рис. 2 - ДСК-ТГА полушерстяной ткани арт. 2211 БК: 1 - контрольный образец, 2 - образец, пропитанный вспучивающимся антипиреном

Из графиков ТГА и ДСК видно, что у образцов ткани, пропитанных антипиреном, термодеструкция протекает более плавно, без резких потерь массы. Однако на кривых ТГА температура начала интенсивной потери массы ниже у пропитанных образцов, по сравнению с исходными: для хлопкополиэфирной ткани. Эффект начала потери массы смещается с 2500С до 1500С, а для полушерстяной ткани с 2000С до 1300С. Смещение температуры начала потери массы в низкотемпературную область 150°С и 130°С скорее всего связано с плавлением диаммония фосфата, перестройкой и дегидратацией пентаэритрита [7]. Полное сгорание исходных образцов хлопкополиэфирной и полушерстяной ткани происходит при 4600С и 5500С соответственно. Согласно кривым ТГА температура термодеструкции текстильных материалов после пропитки вспучивающимся антипиреном смещается в более высокотемпературную область, возгорание происходит позже при 7900С и 8000С.

По кривым ДСК можно оценить тепловые эффекты, возникающие при сгорании образцов. Интенсивное тепловыделение у хлопкополиэфирной исходной ткани наблюдается при 4600С до 30 В/г, у пропитанного образца экзотермический эффект практически не выражен и тепловой поток составляет не более 5 В/г при той же температуре. Это свидетельствует о возникновении на поверхности термостабильной структуры, скорее

Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №7

всего, образование коксового слоя, который препятствует теплопередаче [8]. У полушерстяной ткани интенсивное тепловыделение наблюдается при 5300С, но с меньшей теплопередачей по сравнению с хлопкополиэфирной тканью у исходного и пропитанного образца.

Заключение

В целом, положение пиков термодеструкции на кривых ДСК и ТГА свидетельствуют о том, что вспучивающий антипирен придает текстильным материалам более длительную термостойкость и теплозащитные свойства, вероятно, за счет образования вспененного коксового слоя.

Благодарность

Авторы выражают благодарность сотруднику лаборатории «Спектроскопии, микроскопии и термического анализа» ЦКП КНИТУ А.Р. Ефимовой за проведенные исследования образцов методом ДСК-ТГА.

Литература

Малых А. Р. Ассортимент современных огнестойких

текстильных материалов // Концепт. - 2016.

2. Кодолов В.И. Замедлители горения полимерных материалов. М.: Химия, 1980.-269 с.

3. Байбара В. С. Разработка огнезащитного и пламягасящего материала одежды / В.И. Байбара, С.Я. Пичхидзе // Молодой ученый. — 2015. — № 24. — С. 58-60.

4. Светлов Д.О. Эффективная теплопроводность материалов капиллярно- пористой и волокнистой структуры на основе макроквантового термодинамического метода / Д.О. Светлов, В.В. Исаев, Ю.В. Светов // Фундаментальные исследования.-С. 1-11.

5. Сабирзянова Р.Н. (Фазуллина Р.Н.) Исследование теплового сопротивления текстильных материалов пропитанных вспучивающим антипиреном / Р.Н. Сабирзянова (Р.Н. Фазуллина), И.В. Красина // Международная научно - практическая конференция «Наука XXI века: теория, практика и перспективы», Уфа.- 2015.- С.46-50.

6. Исаев В.В. Исследование теплопроводности текстильных полотен / Сб. науч. трудов «Новое в науке и производстве текст. и лег. пром.», вып.4.- М.: Изд. РосЗИТЛП, 2009.- с. 30-38.

7. Лыков А.В. Явление переноса тепла в капиллярно-пористых телах.- М.: Гостехиздат, 1954.- 296 с.

8. Фазуллина, Р.Н. (Сабирзянова Р.Н.) Исследования влияния вспучивающимся антипирена на изменение теплопроводности текстильных материалов / Р. Н. Фазуллина (Р.Н. Сабирзянова), И. В. Красина // Научная сессия КНИТУ.- Казань.- 2015.- С. 488.

© Р. Н. Фазуллина - асс. каф. технологии химических натуральных волокон и изделий КНИТУ, ramfar@mail.ru; И. В. Красина - д.т.н., проф., зав. каф. технологии химических натуральных волокон и изделий КНИТУ,тпа_кга8та@таД.ги; С. В. Илюшина - к.т.н, доцент той же кафедры, strelfy@mail.ru; А. Н. Минязова - асс. той же кафедры, alinaa-87@mail.ru.

© R. N. Fazullina - assistant, Kazan national research technological University, Department of chemical Technology of natural fibers and products, ramfar@mail.ru; I. V. Krasina - doctor of technical Sciences, Professor, Kazan national research technological University, Department of chemical Technology of natural fibers and products, irina_krasina@mail.ru; S. V. Ilyushina - Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Professional Education Kazan National Research Technological University; A. N. Minyazova -assistant, Kazan national research technological University, Department of chemical Technology of natural fibers and products, alinaa-87@mail.ru.