ОГНЕЗАМЕДЛЯЮЩАЯ ВОДНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ ПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ
FIRE-INHIBITING AQUEOUS COMPOSITION FOR POROUS MATERIAL PROCESSING

Изобретение относится к огнезамедляющим водным композициям для обработки материалов пористой структуры, а именно к композициям на основе сульфамата аммония для обработки углеродсодержащих природных и синтетических материалов и изделий из них - различных тканей, бумаги, древесины, а также поролона, синтетической ваты и др.
Придание огнезамедляющих свойств вышеупомянутым материалам, особенно в связи с запретом использования эффективных бромсодержащих средств огнетушения, является серьезной проблемой, решаемой, например, путем введения в волокно ткани неорганических добавок (антипиренов), препятствующих возгоранию, но приводящих к ухудшению физико-механических свойств ткани. Другой подход основан на обработке материалов водными композициями, создающими защитную пленку на их поверхности, препятствующую распространения огня. Наличие у пористых материалов микрокапилляров позволяет водной композиции проходить по ним и при последующей сушке оставаться в зоне капилляра. При подводе открытого огня под действием температуры происходит разложение входящих в композицию солей, что ведет к появлению газообразных продуктов. Последние блокируют место поджига для подхода кислорода воздуха. Такая обработка придает материалам свойство не воспламеняться под действием открытого огня. При длительном нахождении в зоне горения такие материалы лишь обугливаются, не создавая открытого пламени. В этом случае происходит локальное разрушение материалов и не создаются условия для распространения открытого огня на других участках, что обеспечивает безопасную эксплуатацию изделий.
Известен ряд композиций в виде многокомпонентных водных растворов, включающих азотсодержащие соединения: соли фосфата и бифосфата аммония, сульфат аммония, мочевину и ряд других компонентов (Пат. Великобритании 2301122, A62D 1/00, D06M 11/79, оп. 27.11.1996); трисазиридинилфосфиноксид, цианамид, аммонийные соли фосфорной, амидосульфоновой, серной или соляной кислот (з-ка ФРГ 2028999, D06M 13/00, 16.12.1971). Многокомпонентность композиций приводит к удорожанию и усложнению процесса их получения.
Сульфамат аммония широко применяется в композициях для обработки бумаги в качестве замедлителя горения и используется, как правило, с добавками модификаторов, устраняющих такие недостатки изделий, обработанных раствором сульфамата аммония, как потеря прочности, недостаточно глубокое проникновение раствора в изделия, обесцвечивание последних, легкость вымывания композиций из капилляров, отсутствие газовой защиты изделий.
Известны следующие композиции на основе сульфамата аммония:
- водный раствор сульфата, сульфамата или имидосульфамата аммония и, дополнительно, фосфата аммония, гуанидинфосфата, аммонийалюминийфосфата (пат. Великобритании 1174866, D06M 11/71, D06M 11/66, оп. 17.12.1969);
- водный раствор сульфамата аммония и дициандиамида (пат. США 2771379, D06M 13/00, оп. 20.11.1956);
- водный раствор сульфамата аммония, дициандиамида, борной кислоты, водоотталкивающего реагента - комплекса Вернера (пат. США 2723212 D06M 11/66, D06M 11/24, оп. 08.11.1955);
- водный раствор смеси буры, диаммонийфосфата и сульфамата аммония (пат. Японии 7204752, D06m, оп. 09.02.1972, C.A., 1972, vol.77, 127991);
- водный раствор 1М сульфамата аммония и 0,5-1 М дициандиамида (заявка Японии 89139900, D21H 5/00, оп. 10.05.1989, CA 1989, vol. 111, 235448);
- водный раствор сульфамата аммония и дициандиамда (заявка Японии 83109577, C09K 3/28, оп. 29.06.1983, C.A. 1984, vol. 100, 8450);
- водный раствор сульфамата аммония и мочевины (Заявка Японии 8082688, В41М 3/12, оп. 21.06.1980, C.A. 1980, vol.93, 169610);
- водный раствор сульфамата аммония, буры и фосфорной кислоты (Патент Канады 983225, 18-113.017, оп. 10.02.1976, C.A. 1976, vol.84, 166125);
2
5
- водный раствор полифосфорной кислоты (84% PO), сульфамата аммония и мочевины (Заявка Японии 7413499, 48D8, 39D212, оп. 05.02.1974, C.A. 1974, vol.81, 122688).
Известна также предназначенная для обработки бумаги композиция в виде водного раствора водорастворимой неорганической соли - полифосфата аммония и сульфамата аммония, взятых в соотношении от 1:1 до 9:1 соответственно, в основном в отношении 1:4 до 4:1 (пат. ФРГ 2936762, С09К 21/02, D21H 21/34, оп. 21.08.1980, прототип). Композиция характеризуется низким расходным коэффициентом. Наилучшую огнезамедляющую характеристику имеет смесь из 3 мас.% полифосфата аммония и 2% сульфамата аммония при рН среды 6-8 в присутствии гидроксида аммония. Однако предназначена она только для бумаги.
Задачей изобретения является расширение номенклатуры малокомпонентных огнезамедляющих композиций, нетоксичных, безопасных в эксплуатации, получаемых на основе промышленного коммерчески доступного сырья с использованием малоотходных технологических приемов и пригодных для обработки различных видов материалов пористой структуры.
Сущность изобретения заключается в том, что водная композиция, включающая сульфамат аммония и водорастворимую неорганическую соль, в качестве последней содержит карбонат и/или бикарбонат щелочного металла, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.
сульфамат аммония
10-30
карбонат и/или бикарбонат щелочного металла
0,5-8
вода
100
В качестве карбоната и/или бикарбоната щелочного металла берут карбонат и/или бикарбонат натрия или калия.
При растворении указанной смеси благодаря высокой основности раствора часть карбонатов и/или бикарбонатов щелочного металла реагируют с сульфаматом аммония, образуя сульфамат натрия или калия. Таким образом, рабочая композиция представляет собой водный раствор, содержащий сульфаматы аммония, натрия и/или калия и карбонат или бикарбонат натрия или калия. При этом образовавшаяся смесь солей натрия и/или калия является синергетиком сульфамата аммония как замедлителя горения. Композиция не образует при горении токсических продуктов, исходные компоненты легкодоступны и дешевы. Количество сульфамата аммония выше 30 мас.ч. не приводит к повышению огнезамедляющих свойств и является экономически нецелесообразным. Композиция, содержащая ингредиенты в количестве ниже нижнею предела, не проявляет огнезамедляющих свойств.
В то же время известны водные композиции на основе карбоната щелочного металла:
- смесь 25% карбоната калия и 3% смеси сульфокислот (авт. свид. 174537, С09к 3/28, оп. 1962);
- 25-30% карбоната калия и 0,25-1,5% алкилсульфонатов или алкилсульфатов или алкиларилсульфонатов (авт. свид. №916528, С09К 3/28, оп. 1982);
- смесь карбоната натрия в количестве 4 - 30 г на 100 мл воды и 2 г бората натрия на 100 мл раствора (ЕР 0285721, В27К 3/28, оп. 12.10.1988);
но взяты они в значительно больших количествах и в совокупности с соединениями, иными, чем сульфамат аммония. В указанных сочетаниях карбонаты сами проявляют огнезамедляющую способность, а не входят в состав смеси солей-синергетиков сульфамата аммония.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами
2
2
Пример 1. В сосуд с рубашкой, снабженный мешалкой, содержащий 50 мас. частей (мас.ч.) воды с температурой 13-14°С, при перемешивании прибавляют 11 мас.ч сульфаминовой кислоты (HNSOOH), выдерживают 10-15 мин для полного растворения кислоты. Затем порциями по 1,5 мас.ч. прибавляют 7,0 мас.ч. 28%-ного водного аммиака, не допуская повышения температуры реакционной массы более 25°С, чтобы подавить гидролиз сульфаминовой кислоты с образованием сульфата аммония, а также избежать выделения газообразного аммиака. После прибавления всего количества водного аммиака концентрация водного раствора сульфамата аммония составляет 0,235 мас.ч на 1,0 мас.ч. воды (19 мас.% или 20 мас.% по сульфаминовой кислоте). В полученный раствор добавляют сухой карбонат калия в количестве 3,30 мас.ч., тщательно перемешивают.
Пример 2. Опыт проводят аналогично примеру 1, но берут готовый сульфамат аммония в количестве 11,75 мас.ч., который растворяют в 50 мас.ч. воды, вводят карбонат натрия 3,0 мас.ч. и тщательно перемешивают.
Остальные примеры были выполнены аналогично примеру 2. Содержание компонентов в композиции и результаты испытаний представлены в таблицах 1 и 2.
Проверка огнезамедляющей эффективности композиции
1. В полученную композицию по примеру 1 при температуре 15-20°С погружают парусиновую ткань в виде лоскута размером 20×15 см на 0,5-2 мин. Для уменьшения времени пропитки можно повысить температуру композиции до 50°С. Пропитанную ткань отжимают и сушат в термостате. От времени пропитки зависит полнота обработки и качество обработанной ткани. С увеличением концентрации композиции увеличения эффекта не обнаружено. Расход композиции (расчет на сульфаминовую кислоту) составил 15 г на 1 кв.м. После просушки размещают ткань в вытяжном шкафу и поджигают газовой горелкой. Обработанная ткань при действии открытого огня обугливается, но дальнейшего распространения открытого огня не происходит за счет появления газа, вызванного разложением композиции.
2. Испытания также проводились в промышленных условиях. Рулон х/б ткани, аналогичной камуфляжной, шириной 1,2 м и длиной 50 м обрабатывают на автоматической линии, где вначале рулон автоматически распускают, потом погружают в ванну с композицией по примеру 4 со скоростью движения 1,0-1,5 м/сек, затем подают на отжимные вальцы и затем - на сушильные вальцы. Сухую ткань наматывают в рулон, весь этот процесс осуществляют в автоматическом режиме.
Оценку эффективности средств огнезащиты для ткани проводят в соответствии с нормами пожарной безопасности НПБ 257-2002 «Материалы текстильные. Постельные принадлежности. Мягкая мебель. Шторы. Занавесы. Методы испытаний тканей на воспламеняемость». Обработанная ткань при действии открытого пламени обугливается без появления открытого пламени за счет появления облака газа, вызванного разложением композиции. При более длительном нахождении ткани в открытом пламени возможно появление кратковременного пламени, которое не распространяется по поверхности ткани и исчезает при выводе ткани из зоны огня. При последующем введении ткани в открытое пламя ткань подвергается более глубокому обугливанию. Огнезамедляющую эффективность оценивали по показателю длины угольной ленты, измеренной от места поджига до места затухания огня.
3. Обработкой композицией подвергались также дерево и изделия из него. Требования к огнезащитным составам и веществам для древесины изложены в НПБ 251-98 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний». Щепы (10 шт.) хорошо просушенного соснового дерева, размером 20×5×3 см, окунают в емкость с композицией и выдерживают 1 минуту, затем сушат в термостате. После полной просушки поджигают в вытяжном шкафу газовой горелкой. Дерево не горело - обугливалось без образования пламени.
4. Кроме того, ткань и другие материалы помимо метода окунания могут обрабатываться методом опрыскивания пульверизатором или нанесением кистью или валиком и т.п.
Таким образом, были обработаны готовые изделия - диван и стулья, содержащие обивочную ткань и деревянные детали. Опрыскивание проводят в несколько заходов - 2-3 раза до полного намокания ткани и сушат в естественных условиях. При поджоге открытого огня не наблюдалось, изделия обугливались без распространения пламени.
5. Бумагу в виде листа формата А4 опрыскивают композицией и сушат утюгом.
Наблюдалось отсутствие открытого огня при поджоге. При длительном воздействии огня бумага разрушается без горения.
Все обработанные композицией изделия не меняют первоначального цвета и не ухудшают прочностных свойств.
Из приведенных примеров видно, что композиция обладает высокими огнезамедляющими свойствами. Кроме того, композиция термически устойчива и не разлагается на воздухе, способна храниться достаточно долго в стеклянной или полиэтиленовой таре. Хорошая проникающая способность композиции по капиллярам пористых материалов различных видов обеспечивает их равномерную пропитку по всей поверхности. Обработка материалов композицией не нарушает их структуру, не снижает физико-механические свойства и практически не увеличивает стоимость изделий. Композиция практически не токсична (III класс опасности). Для ее получения используют выпускаемое промышленностью сырье, обеспечиваемое объемом производства и возможностью транспортировки обычным способом.
Таблица 1Компонентный состав и огнезамедляющая эффективность вариантов композиции
№ опыта
Содержание компонентов мас.ч. в 100 мас.ч. воды
Длина угольной ленты, мм
H<sub>2</sub>NSO<sub>2</sub>O<sup>-</sup>NH<sub>4</sub> <sup>+</sup>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>
КНСО<sub>3</sub>
1
23,5
-
-
6
-
38
2
23,5
6
-
-
-
40
3
30
-
8
-
-
40
4
25
-
-
-
6
39
5
20
4
-
-
-
41
6
11
-
-
0,5
-
59
7
25
2
-
-
3
39
8
15
-
-
4
-
52
9
10
-
2
2
-
53
10
30
-
-
-
-
60
11
23,5
2
2
1,5
1,0
38
Таблица 2Влияние карбонатной составляющей на огнезамедляющую эффективность композиции
№ опыта
Содержание компонентов мас.ч. в 100 мас.ч. воды
Длина угольной ленты, мм
H<sub>2</sub>NSO<sub>2</sub>O<sup>-</sup>NH<sub>4</sub> <sup>+</sup>
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
NaHCO<sub>3</sub>
К<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>
КНСО<sub>3</sub>
1
10
-
-
-
-
64
2
15
-
-
-
-
63
3
20
-
-
-
-
61
4
23,5
-
-
-
-
60
5
40
-
-
-
-
60
6
-
2
10
-
-
62
7
-
-
-
-
14
63
8
23,5
2
-
-
-
52
9
23,5
4
-
-
-
48
10
23,5
8
-
-
-
39
11
23,5
10
-
-
-
39
12
23,5
-
4
-
-
42
13
23,5
-
6
-
-
39
14
23,5
-
8
-
-
39
15
23,5
-
-
2
-
53
16
23,5
-
-
4
-
47
17
23,5
-
-
6
-
38
18
23,5
-
-
10
-
39
19
23,5
-
-
-
2
53
20
23,5
-
-
-
4
47
21
23,5
-
-
-
6
38
22
23,5
-
-
-
10
39