Влияние лакокрасочных материалов на дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины

М. М. АЛЬМЕНБАЕВ, адъюнкт кафедры пожарной безопасности в строительстве Академии Государственной противопожарной службы МЧС России

А. Б. СИВЕНКОВ, канд. техн. наук, доцент, ученый секретарь Академии Государственной противопожарной службы МЧС России

УДК 699.8:667

ВЛИЯНИЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ДЫМООБРАЗУЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ И ТОКСИЧНОСТЬ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Представлены результаты экспериментальной оценки влияния различных видов лакокрасочных материалов на дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины. Установлено, что химическая природа лакокрасочных систем в значительной мере влияет на пожароопасные свойства древесины, в частности на дымообразующую способность и образование токсичных продуктов горения. Результаты, полученные в работе, позволяют выбрать наиболее эффективные подходы и решения по снижению пожарной опасности деревянных конструкций с лакокрасочными материалами, а также обеспечить их пожаробезопасное применение в строительстве.

Ключевые слова: древесина; лакокрасочные материалы; пожарная опасность; дымообразующая способность; токсичность продуктов горения.

Введение

Древесина традиционно широко применяется в зарубежной и отечественной практике строительства. Этот ценнейший природный материал используется в малоэтажном домостроении, а также в качестве строительного материала для несущих и ограждающих деревянных конструкций [1].

При строительстве зданий различного функционального назначения проводятся работы по отделке строительных конструкций лакокрасочными материалами (ЛКМ), которые эффективно обеспечивают их защиту от внешних воздействий, а также улучшают декоративно-эстетический вид.

На сегодняшний день индустрия лакокрасочных материалов для древесины насчитывает большое количество базовых рецептур лаков и красок, широко используемых в строительстве. В их числе такие, как нитроцеллюлозные, полиуретановые, алкидные, акриловые и другие лакокрасочные материалы. По своему назначению они широко востребованы в области строительства для обеспечения атмосфероустойчивости, водостойкости, химической стойкости, термостойкости деревянных

строительных материалов и конструкций. Однако необходимо учитывать тот факт, что ЛКМ не только обладают защитными функциями, но и могут значительно повысить пожарную опасность древесины, в частности дымообразующую способность и токсичность продуктов горения. Это объясняется наличием в составе ЛКМ таких горючих компонентов, как пластификаторы, растворители, отвердите-ли, пигменты и многочисленные виды наполнителей [2]. К сожалению, вопрос о влиянии различных лакокрасочных материалов на пожароопасные свойства древесины остается практически не изученным. Отсутствуют классификационные требования пожаробезопасного применения ЛКМ для объектов деревянного домостроения (коттеджное строительство, таунхаусы и т. д.), а также для зданий и сооружений, строительство которых ведется с применением индустриальных несущих и ограждающих конструкций на основе древесины.

В связи с вышеизложенным в настоящей работе была поставлена цель исследовать влияние лаков и красок, имеющих различную химическую основу и используемых для отделки деревянных строитель-

© Алъменбаев М. М., Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивенков А. Б., 2014

ных материалов и конструкций, на дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины.

Объекты и методы исследования

Для исследования были выбраны зарубежные и

отечественные лакокрасочные системы (далее-

ЛКС), разные по своей химической природе, применяемые как для внешней (наружной), так и для внутренней отделки материалов и конструкций на основе древесины. Для подготовки образцов к испытаниям лаки и краски наносили на поверхность древесины в три слоя с расходом, рекомендованным производителями лакокрасочной продукции. Условную вязкость определяли с помощью вискозиметра ВЗ-246 по времени истечения ЛКМ через насадки соответствующего диаметра. Характеристики исследуемых лакокрасочных систем и значения расходов их нанесения на поверхность древесины представлены в табл. 1.

Для исследования пожароопасных свойств древесины с покрытием из лакокрасочных материалов были использованы метод экспериментального

определения коэффициента дымообразования твердых веществ и материалов и метод экспериментального определения показателя токсичности продуктов горения полимерных материалов соответственно по пп. 4.18 и 4.20 ГОСТ 12.1.044-89* [3]. Условия подготовки образцов для огневых испытаний соответствовали требованиям указанных пожарно-тех-нических методов.

Испытания проводились в режиме беспламенного (тлеющего) горения древесины без применения дополнительного источника зажигания. Из опыта экспериментальных исследований пожароопасных свойств древесины и материалов на ее основе считается, что для данного режима характерно наибольшее дымообразование и выход токсичных продуктов горения [1, 4, 5].

Обсуждение результатов исследования

В условиях пожара выделяется большое количество дыма и токсичных продуктов горения, что представляет реальную угрозу для жизни и здоровья людей. Древесина и материалы на ее основе относятся к материалам карбонизующегося типа,

Номер ЛКС Назначение ЛКС Химическая основа ЛКС Общий расход, г/м2 Условная вязкость, с

1 Наружная отделка — покрытие стен Алкидная основа 83 67

2 Наружная отделка — покрытие стен Алкидная основа с водоотталкивающими добавками 101 33

3 Наружная отделка — покрытие настилов пола террас, балконов, лестничных проступей Алкидная основа с водоотталкивающими добавками 160 12

4 Наружная отделка — покрытие стен в промышленном строительстве Акрилалкидная основа 122 12

5 Внутренняя отделка — покрытие стен Водная основа на полиуретановой дисперсии 240 20

6 Внутренняя отделка — покрытие стен и потолков влажных помещений Акрилалкидная основа и водная основа на полиуретановой дисперсии 188 12

7 Внутренняя отделка — покрытие пола Полиуретаноалкидная основа 78 63

8 Внутренняя и наружная отделка Композиция на основе алкидных смол с добавлением сиккатива 110 40-60

9 Внутренняя и наружная отделка Раствор лакового коллоксилина в смеси органических растворителей с добавками пластификаторов (нитроцеллюлозная основа) 94 60-100

10 Внутренняя отделка — покрытие мебели и деревянных предметов Раствор лакового коллоксилина, смол и пластификаторов в смеси летучих органических растворителей (нитроцеллю-лозная основа) 95 50-85

11 Внутренняя отделка — покрытие пола Суспензия пигментов в алкидном лаке с добавлением сиккатива и растворителя 102 70-100

12 Натуральная древесина сосны плотностью 450-500 кг/м3 и влажностью 8-12 % - - -

Таблица 1. Характеристики исследуемых лакокрасочных систем и общий расход нанесения их на поверхность древесины

способным в условиях пожара выделять значительное количество дымовых частиц и токсичных продуктов разложения и горения. Основной подход к оценке влияния ЛКМ на пожароопасные свойства древесины заключается в том, что наличие на поверхности древесины тонких слоев лакокрасочных материалов различной химической природы может изменить не только процесс термического разложения древесного материала, но и внести свой вклад в суммарный эффект дымообразования и выделения различных токсикантов.

При оценке дымообразующей способности древесины с покрытием из ЛКМ представлялось важным определение температурного режима, при котором реализуется наибольшее дымообразование.

На рис. 1 представлены типичные зависимости коэффициента дымообразования для древесины с ЛКМ от плотности внешнего теплового потока. Было установлено, что для большинства образцов древесины с покрытием из различных лакокрасочных систем коэффициент дымообразования составляет более 500 м2/кг (материалы с высокой дымообразующей способностью Д3).

Как видно из рис. 1, полученные зависимости имеют ярко выраженный экстремальный характер, обусловленный переходом режима беспламенного (тлеющего) горения в режим пламенного горения. При этом переход от одного режима к другому реализуется в диапазоне плотности тепловых потоков от 20 до 30 кВт/м2. Для отдельных видов лакокрасочных систем наблюдается смещение режима беспламенного горения в область более высоких температур, что показывает возможность повышения устойчивости исследуемых образцов к воспламенению. Некоторые ЛКМ позволяют значительно снизить дымообразующую способность древесного материала. Так, для образцов древесины с алкидным лаком с добавлением сиккатива и растворителя, используемым преимущественно для внутренней отделки — покрытия пола, коэффициент дымообразования составил 484 м2/кг (материалы с умеренной дымообразующей способностью).

Весьма интересным результатом с научной и практической точки зрения является снижение дымообразующей способности древесины при использовании некоторых видов ЛКМ, имеющих сравнительно высокую условную вязкость и образующих на поверхности древесины при визуальном осмотре тонкий пленочный слой. Так, например, для древесины с системой на алкидной основе с условной вязкостью 67 получен коэффициент дымообразования 723 м2/кг. В то же время для ЛКМ на алкидной основе с водоотталкивающими добавками, имеющего более высокую степень проникновения в струк-

1000

900

800

В 700 §

о

1&

о 500

г

I

400 И

и

& 300 •в"

2 200 £

100

-♦-1 +2 -^3 +4 -*- 5 -*-6 -<>8 9 +10 н 11 н 12

10 15 20 25 30

Плотность теплового потока, кВт/м2

35

Рис. 1. Зависимость коэффициента дымообразования .Отах древесины с ЛКМ от плотности внешнего теплового потока при огневых испытаниях: 1.. .12 — номера образцов

туру древесины (условная вязкость 33-35), коэффициент дымообразования составил 969 м2/кг.

Как было показано ранее [6], особенности проникновения ЛКМ в капиллярно-сосудистую структуру древесины и формирования тонкого лакокрасочного слоя определенной толщины на поверхности древесины в условиях огневых испытаний изменяют временные показатели процесса воспламенения материала. Это дает в свою очередь основание разделить все лакокрасочные материалы на две большие группы. Первая группа ЛКМ характеризуется сравнительно низкой вязкостью и максимальным проникновением в структуру древесины, вторая — незначительным проникновением в структуру древесины за счет формирования слоя лакокрасочного материала на поверхности древесины. Определение толщины для различных ЛКМ, при которой возможны количественные изменения показателей пожароопасных свойств древесины, выходит за рамки данной работы и является предметом для последующих исследований.

По результатам огневых испытаний для лакокрасочных систем, способствующих снижению дымообразующей способности древесины, было визуально установлено образование пенококсового каркаса, являющегося, по всей видимости, определенным барьером для поступления дымовых частиц и токсичных продуктов горения в газовую фазу (рис. 2).

Несмотря на то что древесина с ЛКМ относится к группе материалов с высокой дымообразующей

Рис. 2. Образование пенококсового каркаса ЛКМ на поверхности образцов древесины после огневых испытаний: а — система № 1 на алкидной основе; б — система № 2 на алкид-ной основе с водоотталкивающими добавками

способностью (Д3), за исключением древесины с ЛКМ на основе суспензии пигментов в алкидном лаке с добавлением сиккатива и растворителя, значение коэффициента дымообразования древесины с ЛКМ возрастает в зависимости от их химической природы: суспензия пигментов в алкидном лаке с добавлением сиккатива и растворителя ^ раствор лакового коллоксилина в смеси органических растворителей с добавками пластификаторов (нитро-целлюлозная основа) ^ водная основа на полиуре-тановой дисперсии ^ композиция на основе алкид-ных смол с добавлением сиккатива ^ алкидная основа ^ акрилалкидная основа и водная основа на полиуретановой дисперсии ^ древесина натуральная ^ раствор лакового коллоксилина, смол и пластификаторов в смеси летучих органических растворителей (нитроцеллюлозная основа) ^ поли-уретаноалкидная основа ^ алкидная основа с водоотталкивающими добавками (№ 3) ^ акрилалкидная основа ^ алкидная основа с водоотталкивающими добавками (№ 2) (см. табл. 1).

Основную опасность при выделении дыма при горении древесины с ЛКМ представляют токсичные газы, которые при пожаре препятствуют эвакуации людей из здания и затрудняют тушение пожара [4, 5].

Нами проведена экспериментальная оценка влияния ЛКМ на токсичность продуктов горения древесины по выделению таких продуктов горения, как монооксид углерода (СО) и диоксид углерода (СО2), в режимах пламенного и беспламенного (тлеющего) горения.

На рис. 3 представлены результаты изменения показателя токсичности НС\50 (г/м3) продуктов горения образцов древесины с ЛКМ по выходу СО и СО2 в зависимости от температуры во время огневых испытаний.

Для всех полученных зависимостей наблюдается экстремальный характер изменения показателя токсичности продуктов горения, связанный с переходом в диапазоне температур 450-550 °С режима

~ 90

§ «О №

8 70

Т2

о

И

-2 3 4

• 7

-•-9 -♦-10 » 11 12

300 400 500 600

Температура, °С

700

Рис. 3. Зависимость показателя токсичности продуктов горения образцов древесины с ЛКМ от температуры при огневых испытаниях: Т2 — область, включающая группу материалов умеренно опасных по токсичности продуктов горения; Т3 — группу материалов высокоопасных по токсичности продуктов горения

беспламенного (тлеющего) горения в режим пламенного горения.

По результатам экспериментального исследования установлено, что большинство лакокрасочных систем увеличивает выход токсичных продуктов горения древесины. Несмотря на это испытанные образцы древесины с ЛКМ, как и древесину натуральную, можно отнести к группе материалов по токсичности продуктов горения Т3 (высокоопасные). Интересно отметить, что некоторые лакокрасочные системы способны значительно снизить выход исследуемых токсикантов при горении древесины. Так, например, при использовании лакокрасочной системы № 11 (суспензия пигментов в алкидном лаке с добавлением сиккатива и растворителя) возможно снижение токсичности продуктов горения практически в 2,5-3 раза (показатель токсичности продуктов горения составил 94,78 г/м3). Снижение выхода токсичных продуктов горения установлено

также при использовании лакокрасочных систем на основе алкидных смол с добавлением сиккатива и на основе раствора лакового коллоксилина в смеси с органическими растворителями и добавками пластификаторов. Древесина с покрытием из вышеуказанных лакокрасочных систем относится к группе материалов по токсичности продуктов горения Т2 (умеренно опасные).

Полученные результаты свидетельствуют о том, что ЛКМ могут способствовать как повышению, так и снижению выхода токсичных продуктов горения. Показатель токсичности продуктов горения древесины с покрытием из ЛКМ возрастает в зависимости от их химической природы: суспензия пигментов в алкидном лаке с добавлением сиккатива и растворителя ^ раствор лакового коллоксилина в смеси органических растворителей с добавками пластификаторов (нитроцеллюлозная основа) ^ ^ композиция на основе алкидных смол с добавлением сиккатива ^ акрилалкидная основа и водная основа на полиуретановой дисперсии ^ алкидная основа с водоотталкивающими добавками ^ акрилалкидная основа ^ водная основа на полиуретановой дисперсии ^ полиуретаноалкидная основа ^ ^ древесина натуральная ^ алкидная основа с водоотталкивающими добавками ^ алкидная основа ^ раствор лакового коллоксилина, смол и пластификаторов в смеси летучих органических растворителей (нитроцеллюлозная основа).

Как и в случае снижения дымообразующей способности древесины при использовании ЛКМ, вероятность снижения выхода токсичных продуктов горения можно связать с химической основой лака или краски, а также с образованием пенококсового

Таблица 2. Сводная таблица по результатам оценки дымообразующей способности и токсичности продуктов горения образцов древесины с ЛКМ

Номер ЛКС Группа по дымообразующей способности С^тах м2/кг) Группа по токсичности продуктов горения

1 Д3

2 Д3

3 Д3

4 Д3

5 Д3

6 Д3

7 Д3

8 Д3

9 Д3

10 Д3

11 Д2

12 Д3

каркаса в результате сложных термических превращений, приводящих к карбонизации верхнего слоя ЛКМ. При этом образование данного каркасного слоя характерно только для некоторых видов ЛКМ, имеющих в составе компоненты, склонные к активной карбонизации.

Результаты сравнительного анализа групп и показателей дымообразования и выхода токсичных продуктов горения древесины с лакокрасочными материалами представлены в сводной табл. 2. Несмотря на высокую дымообразующую способность некоторых лакокрасочных систем — композиции на основе алкидных смол с добавлением сиккатива, раствора лакового коллоксилина в смеси органических растворителей с добавками пластификаторов (нитроцеллюлозная основа), по образованию токсичных продуктов горения они менее опасны по сравнению с системами, для которых наблюдается эффект одновременного повышения дымообразующей способности и выхода токсичных продуктов горения.

Все вышеизложенное дает основание сделать важный вывод, что снижение пожарной опасности древесины по дымообразующей способности и токсичности продуктов горения может быть достигнуто применением не только отдельных лакокрасочных систем, но и комбинации лаков и красок, при которой возможен максимальный эффект в снижении пожарной опасности древесного материала.

Таким образом, результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что определяющими факторами, оказывающими влияние лакокрасочных материалов на дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины, являются химическая основа ЛКМ, расход его нанесения, степень его проникновения в структуру древесного материала, зависящая от вязкости лака или краски, а также порода, разновидность и влажность древесины.

Выводы

В работе проведены исследования влияния лакокрасочных материалов, различных по своей химической природе, на дымообразующую способность и токсичность продуктов горения древесины.

По результатам экспериментальной оценки было установлено, что лакокрасочные материалы могут способствовать как повышению, так и снижению дымообразующей способности и токсичности продуктов горения древесины натуральной.

Древесина относится к группе материалов с высокой дымообразующей способностью (коэффициент дымообразования -Отах = 780 м2/кг) и к группе материалов высокоопасных по токсичности продуктов горения (показатель токсичности продуктов

горенияИа = 30,19 г/м3). При использовании для древесины лакокрасочной системы для внутреннего покрытия пола, содержащей суспензию пигментов в алкидном лаке с добавлением сиккатива и растворителя, коэффициент дымообразования составил ^тах = 484,62 м2/кг (материалы с умеренной дымообразующей способностью), а показатель токсичности продуктов горения—ИС1 = 94,78 г/м3 (материалы умеренно опасные по токсичности продуктов горения). Было установлено существенное влияние на дымообразование древесины расхода и степени проникновения лакокрасочного материала в ее структуру.

Таким образом, снижение дымообразующей способности и токсичности продуктов горения матери-

алов и конструкций на основе древесины может быть достигнуто применением не только отдельных лакокрасочных материалов, но и комбинации нескольких ЛКМ с определенной химической природой.

Результаты, полученные в настоящей работе, могут служить основой для составления специализированного каталога показателей пожароопасных свойств древесины с ЛКМ. Кроме того, они дают возможность выбрать наиболее эффективные подходы и решения по снижению пожарной опасности деревянных конструкций с лакокрасочным покрытием, а также обеспечить их пожаробезопасное применение в строительстве.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Асеева Р. М., Серков Б. Б., СивенковА. Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства: монография. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2010. — 262 с.

2. Стебунов С. В. Исследование пожароопасных свойств лакокрасочных покрытий : дис. ... канд. техн. наук. — М., 2006. — 130 с.

3. ГОСТ 12.1.044-89* ССБТ. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. — Введ. 01.01.91 г. —М.: Стандартинформ, 2006. —100 с.

4. Иличкин В. С., Леонович А. А., Яненко М.В. Термические превращения и токсичность продуктов горения древесины: обзорная информация. —Вып. 8/90. — М.: ГИЦ МВД СССР, 1990. — 67 с.

5. Иличкин В. С., Фукалова А. А. Токсичность продуктов горения полимерных материалов : обзорная информация. — Вып. 1/87. — М. : ГИЦ МВД СССР, 1987. — 67 с.

6. Альменбаев М. М., Карменов К. К., Ельчугин А. В., Серков Б. Б., Сивенков А. Б. Влияние лакокрасочных материалов на воспламеняемость древесины // Промышленное и гражданское строительство. — 2013. — № 10. — С. 54-55.

Материал поступил в редакцию 23 декабря 2013 г.

= English

IMPACT OF PAINTS, VARNISHES AND SMOKE-GENERATION ABILITY AND TOXICITY OF COMBUSTION PRODUCTS OF WOOD

ALMENBAEV M. M., Postgraduate Student of Department of Fire Safety in Construction, Academy of State Fire Service of Emercom of Russia

ASEEVA R. M., Doctor of Chemical Sciences, Professor, Professor of Department of Fire Safety in Construction, Academy of State Fire Service of Emercom of Russia

SERKOV B. B., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Educational Research Center of Fire Safety Problems in Construction, Academy of State Fire Service of Emercom of Russia

SIVENKOV A. B., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Scientific Secretary of Academy of State Fire Service of Emercom of Russia

ABSTRACT

The paper presents the results of experimental evaluation of the impact of various types of foreign and domestic wood paints and varnishes on smoke-generation ability and toxicity of combustion pro-

ducts. Investigated coating systems are used in practice for both external and internal finishing materials and designs based on wood.

The study found that chemical nature of varnishes and paints, thickness of protection layer and the use of multilayer coatings combinations have the significant effect on smoke generation and release of toxic combustion products.

The tests were conducted in the flameless mode smoldering for wood burning without an additional source of ignition. Based on the results evaluation it was found, that paints can both increase and decrease smoke-generation ability and toxicity of combustion products of natural wood. The intensity of smoke generation and output of toxic combustion products are largely determined by the nature and characteristics of pyrolysis or thermal decomposition of wood material in the presence of varnish or paint.

A very interesting result is obtained by reduction of the wood smoke generation when using certain types of paints, with relatively high values relative viscosity that forming on the wood surface by visual inspection thin film layer.

The obtained results allow to choose the most effective approaches and solutions to reduce the fire hazard of wooden structures with varnishes and paints, as well as to ensure their fire safe usage with timber construction.

Keywords: wood; paint and varnish materials; fire hazard; smoke-generation ability; toxicity of combustion products.

REFERENCES

1. Aseeva R. M., Serkov B. B., Sivenkov A. B. Goreniye drevesiny i yeye pozharoopasnyye svoystva [Burning wood and fire behavior]. Moscow, Academy of State Fire Service of Emercom of Russia Publ., 2010. 262 p.

2. Stebunov S. V. Issledovaniyepozharoopasnykh svoystv lakokrasochnykhpokrytiy. Dis. hand. tekh. nauk [Study flammable properties paint and varnish coverings. Diss. cand. tech. sci.]. Moscow, 2006.130 p.

3. Interstate Standard 12.1.044-89*. Occupational safety standards system. Fire and explosion hazard of substances and materials. Nomenclature of indices and methods of their determination. Moscow, Standartinform Publ., 2006. 100 p. (in Russian).

4. Ilichkin V. S., Leonovich A. A., Yanenko M. V. Termicheskiyeprevrashcheniya i toksichnostproduk-tov goreniya drevesiny. Obzornaya informatsiya. Vyp. 8/90 [Thermal transformations and toxicity of combustion products of wood. Survey information. Issue 8/90]. Moscow, GIC MVD SSSR Publ., 1990. 67 p.

5. Ilichkin V. S., Fukalova A. A. Toksichnost produktov goreniya polimernykh materialov. Obzornaya informatsiya. Vyp. 1/87 [Toxicity of the products of combustion of polymeric materials. Survey information. Issue 1/87]. Moscow, GIC MVD SSSR Publ., 1987. 67 p.

6. Almenbaev M. M., Karmenov K. K., Elchugin A. V., Serkov B. B., Sivenkov A. B. Vliyaniye lakokrasochnykh materialov na vosplamenyayemost drevesiny [The impact of paint materials on the wood flammability]. Promychlennoye i grazhdanskoye stroitelstvo — Industrial and Civil Construction, 2013, no. 10, pp. 54-55.