Древесностружечные плиты: огнезащита и технология

А. А. Леонович, В. Г. Шпаковский





ДРЕВЕ^ОСТРУЖЕЧ№1Е




                ПЁИТЫ




        ОГНЕЗАЩИТА ТЕХНОиЛОГИЯ








ёанкг-Петер^ур„ XИMИЗДA^ 2024

УДК 674.815
ББК 6П6.69
   Л 476




        Р е ц е н з е н т ы:
        Засл. деят. науки и техники д-р техн. наук профессор В. И. ОНЕГИН

        Генеральный директор ОАО «Фаэтон» канд. техн. наук В. В. ШМАКОВ







        Леонович А. А., Шпаковский В. Г.

Л 476 Древесностружечные плиты: Огнезащита и технология: Монография. — СПб.: ХИМИЗдАт, 2024. изд. 2-е, стереот.. — 160 с. + 8 с. цв. вкл., ил.
        ISBN 978-5-93808-447-6

            Приведены характеристики ДСП, развитие производства, области применения. Дан анализ их пожарной опасности, рассмотрены стандартные методы определения, научные основы снижения горючести древесного вещества и амидо- и феноло-формальдегидных полимеров. Описаны эффективные патентованные огнезащитные средства и раскрыты особенности технологических факторов в связи с участием антипиренов в механизме образования структуры плиты.
            Освещен производственный опыт выработки плит «Hard flame», представлены их свойства и техническая документация.
            Предназначена для инженерно-технических и научных работников древесноплитной и мебельной отраслей и строительства. Окажется полезной для студентов направления 240100 «Химическая технология» и направления 250400 «Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств».

Л

2903030000-15
050(01)-24

Без объявл.

                          © Леонович А. А., Шпаковский В. Г., ISBN 978-5-93808-447-6 2012 © ХИМИЗДАТ, 2012, 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ



Перечень усло,ньи со^ращений и сём,оло,                    4
ПредЁСло,Ёе                                                5
В,еденЁе                                                   7

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ     11
   ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ
   1.1. Осно,ные lара^теристи^и                           11
   1.2. ДёП специального нaзнaченЁfl                      17
   1.3. Раз,ЁТЁе проЁЗ,одст,а ДёП                         38
   1.4. Области применениfl ДёП                           46

2. УСТОЙЧИВОСТЬ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ К ЗАГОРАНИЮ       53
   2.1. Пожарнм опасность ДёП                             53
   2.2. Процесс „оренЁfl                                  58
   2.3. Методы определенЁfl пожарной опасностЁ            61
   2.4. Осно,ы снЁженЁfl „орючестЁ                        69
   2.5. Горючесть синтетических полЁМеро,                 75

3. ОГНЕЗАЩИТНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ      81
   3.1. ^еlноло„ичес^ие о„ранЁченЁfl                      81
   3.2. ^ре•ованиfl к антипиренам                         83
   3.3. Антипирен КМ                                      87
   3.4. Антипирен ФКМ                                     90

4. ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕЗАЩИЩЕННЫХ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ      92
   4.1. Основные направлениfl                             92
   4.2. ^еlноло„ичес^ие факторы                           97
   4.3. Промышленнм теlноло„иfl ОДёП                     110

5. СВОЙСТВА ОГНЕЗАЩИЩЕННЫХ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ       115
   5.1. Токсичность                                      115
   5.2. Горючесть                                        118
   5.3. Прочность                                        123
ёпнсок использованных источников                         130
ПРИЛОЖЕНИЕ 1                                             137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2                                             147

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ

абс. сух. — абсолютно сухой
   ДВП — древесноволокнистая плита
   ДСП — древесностружечная плита
    ДТА — дифференциальный термический анализ
    КМ — антипирен амидофосфат марки КМ
   КФС — карбамидоформальдегидная смола
   НПБ — нормы пожарной безопасности
  СНиП — строительные нормы и правила
     ТГ — термогравиметрия
    ТГП — термогравиметрия по производной
   ТМА — термомеханический анализ
  ФКМ — антипирен фосфорамид марки ФКМ
  ФФС — фенолоформальдегидная смола
       а — ударная вязкость
     Dm — коэффициент дымообразования
    £"упр - модуль упругости
     Л// — теплота сгорания
   HCL50 — показатель токсичности
       J — индекс распространения пламени
     Лт — потеря массы при огневом испытании
   MDF — древесноволокнистая плита средней плотности
   OSB — древесностружечная плита ориентированной структуры
     ЛД — разбухание (набухание) по толщине
    Wₐp - работа адгезии (смачивание)
     tc.ᵣ - продолжительность самостоятельного горения
       £ — деформация
       £р — предельная деформация при ударе
       0 — краевой угол смачивания
       р — плотность
       о — прочность
     <7.. — прочность при изгибе
     °сд — прочность при сдвиге
      с± — прочность при растяжении перпендикулярно пласти

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Пока создавалась эта книга, посвященная огнезащите, в нашей стране на пожарах погибли 6124 человека (по данным МЧС за 6 месяцев 2012 г.). Наибольшее число пожаров происходит от малоинтенсивных источников загорания. В таких условиях огнезащищенные материалы могли бы исключить или локализовать развитие горения, снизить ущерб.
   Огонь стал доступен человеку сотни тысяч лет назад, оказал революционное воздействие на его развитие. Со временем начинают проявляться и негативные стороны. Человек столкнулся с пожарами. Накапливается обыденный опыт укрощения огня, предпринимаются попытки огнезащиты материалов и конструкций, например обмазкой их глиной. Постепенно начинают использоваться химические соединения определенного состава.
   С развитием знаний о процессе горения возникают научные представления об огнезащите тканей и древесины. В XX веке сформулированы теоретические положения и практические решения, направленные на снижение горючести природных, искусственных и синтетических материалов. В частности, возникла проблема сочетания индустриального производства древесноплитных материалов с одновременным уменьшением их пожарной опасности.
   Настоящая монография основывается на многолетних исследованиях и разработках, выполненных в Санкт-Петербургском лесотехническом университете им. С. М. Кирова, по химии и технологии древесных композиционных материалов. Одна из таких разработок относится к созданию и промышленному освоению технологии огнезащищенных древесностружечных плит, успешно реализованной на ЗАО «Плитспичпром» (г. Балабаново), где начиная с 2010 г. выпускается такая продукция.
   Многие положения сравнительно доступными методами могут быть адаптированы к условиям производства других видов плит: Oriented Strand Board (OSB), Medium Density Fiberboard (MDF) и их прогрессивных модификаций. Поскольку нормы пожаробезопасности НПБ 244—97 распространяются на строительные материалы, которые могут подвергаться коррозии, в книгу включены вопросы биозащиты древесностружечных плит на основе специфики их производства с использованием амидных смол.

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Книга предназначена для инженерно-технических работников, желающих пополнить свои профессиональные знания, рассчитана на использование в качестве общенаучного и практического пособия сотрудниками, непосредственно связанными с освоением технологии пожаробезопасных древесноплитных материалов или их производством. Она окажется полезной при решении проблем диверсификации производственного процесса в связи с вызовами мирового рынка.
   Информация изложена таким образом, чтобы ею могли воспользоваться в качестве учебного пособия студенты лесотехнического профиля. Библиографический аппарат способствует углубленному изучению разделов.

ВВЕДЕНИЕ



   Мрачная статистика пожаров в России свидетельствует о ежегодной гибели свыше 12 тысяч человек, и еще большее число получают травмы. Прямой материальный ущерб в 2011 г. превысил 17 млрд. рублей, уничтожено около 43,5 тысяч строений и почти 100 тысяч повреждено. Уничтожаются морские и речные суда, самолеты, вагоны. Горят автомашины.
   В странах Западной Европы и Северной Америки число жертв на пожарах в удельном исчислении на 1 миллион жителей оказывается меньше в 3...4 раза. Необходимы более строгие меры пожарной профилактики. В нашей стране в 2009 г. вступил в силу Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» [65]. Ужесточаются требования к используемым материалам в различных областях народного хозяйства. Строительные материалы, в том числе древесностружечные плиты, в отношении пожарной безопасности должны удовлетворять требованиям СНиП 21-01—97.
   Рынок древесных материалов достаточно консервативен. Совершенствование связано в основном с использованием инженерных подходов, инвестиции направлены на получение надежного экономического результата, тогда как поиск новых видов плит на основе еще никем не реализованных принципов не может иметь достаточного финансирования.
   Конструкторская доля в прогрессе древесноплитной индустрии является определяющей, вклад химической составляющей более скромен. Целевое свойство пожаробезопасности достигается на базе созданных технологий и структуры производства массового продукта общего назначения (bulk — англ.) путем химического или физико-химического модифицирования древесного комплекса или связующего. Это свойство является дополнительным к основным параметрам стандартных ДСП.
   Для вновь разрабатываемых материалов выделяют две группы свойств — технологические и эксплуатационные (функциональные). Первые характеризуют перерабатываемость материала


     Данные Научно-практического центра «Пожарная безопасность», www.01-news.ru

ВВЕДЕНИЕ

в изделие (шурупоудерживаемость, фрезеруемость и др.). Вторые — поведение материала при эксплуатации в изделии (при «службе»), его способность выполнять в полной мере свое основное назначение — функцию. К ним относятся гигроскопичность, долговечность, биостойкость древесных плит, эмиссия формальдегида из материала и др. Такое свойство, как огнеза-щищенность, проявляется лишь в экстремальных условиях, и за время службы оно вообще может не проявиться. Тем не менее именно придание этого свойства требует наибольшего вмешательства в технологию древесных плит и является критериальным для некоторых областей их использования (в строительстве — судо- и вагоностроение, устройство фальшполов в ЭВЦ и др.).
   Освоение нового вида древесноплитной продукции предполагает выполнение требований малоотходности [21]. Безотходные технологии в принципе неосуществимы, как противоречащие второму началу термодинамики. В обиходе технологии называют безотходными, имея в виду отсутствие материальных отходов или зацикленность технологического процесса. Потери всегда неизбежны — либо материальные, либо энергии, либо информации. При этом следует отказаться от технологии с очисткой отходов «на конце трубы». Очистка требует энергии, а ее производство, как уже отмечалось, требует природных ресурсов и сопровождается загрязнением среды. Необходимы технологии с сокращением отходов в источнике образования. В частности, сокращения содержания СН2О в карбамидоформальдегидных связующих и древесных плитах достигают использованием маломольных смол. Однако при этом уменьшается доля гидроксиметильных групп в смоле, ухудшаются адгезионные свойства и когезионная прочность. Для снижения уровня эмиссии СН2О из плит в КФС вводят меламин, добавляют различные акцепторы формальдегида. Важно химически его связать в соединения, допускающие выделение его из технологического процесса и дальнейшую утилизацию.
   Предметом монографии является технология композиционных древесных материалов специального назначения в связи с обеспечением пожаробезопасности ДСП. Круг вопросов широк и недостаточно освещен в технической литературе. Он охватывает

ВВЕДЕНИЕ

9

механизм снижения горючести плит на основе особенностей термических превращений древесинного вещества под влиянием модифицирующих систем направленного действия, называемых огнезащитными составами или антипиренами. Поскольку индустриальная технология ДСП предусматривает осуществление любого модифицирования плит в процессе производства, то центральным вопросом становится раскрытие особенностей образования ДСП в присутствии значительного количества антипиренов, совместимости их со связующими при нанесении на древесные частицы и особенно на стадии горячего прессования.
   Научный анализ технологических факторов откроет возможность их направленного регулирования с достижением оптимального результата при организации промышленного производства. Например, требуют учета буферная емкость антипирена при подборе отвердителя для карбамидоформальдегидной и мелами-нокарбамидоформальдегидной смол, изменение смачивания ими поверхности древесных частиц, пропитанных антипиреном, развитие адгезионного взаимодействия, кинетика отверждения олигомеров с обеспечением прочных клеевых соединений между элементами структуры плиты.
   При назначении рецептуры огнезащищенных ДСП решающее значение имеет количественная сторона вопроса. Необходимо снизить горючесть до заданного уровня, а это усложняет по мере увеличения расхода антипиренов процессы изготовления таких плит, затрудняет достижение прочностных показателей, влияет на водостойкость.
   Помимо собственно горючести пожарная опасность композиционных древесных материалов включает такие их свойства, как дымообразующая способность и токсичность продуктов горения. Если материал не горит, то в условиях интенсивного зажигания он дымит, негативно воздействует на здоровье человека. Достаточно сказать, что около 60 % общего числа погибших на пожарах явились жертвами отравления в газовой среде продуктов горения.
   В силу отмеченного необходимо снижать пожарную опасность ДСП не только в отношении горючести, но, что особенно

ВВЕДЕНИЕ

важно, и в отношении токсичности продуктов горения. Придание свойства слабогорючести, определяемой в шахтной печи, обеспечивает минимальную способность к распространению пламени и воспламеняемости. Однако при сертификации любого материала как материала с пониженной до определенного уровня пожарной опасностью комплексная оценка обязательна.
    Совершенно недостаточно предлагаемые технические решения по огнезащите древесноплитных материалов сопровождать только информацией о группе огнезащитной эффективности использованного при этом огнезащитного средства.

              1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ДРЕВЕСНОСТРУЖЕЧНЫХ ПЛИТ





   Древесностружечные плиты — композиционный материал, изготовляемый методом горячего прессования, основными компонентами которого являются древесные частицы (стружка) и термореактивное связующее вещество. По международной классификации лесоматериалов ДСП, наряду с ДВП, MDF и фанерой, входят в состав листовых древесных материалов. В отечественной технической литературе их определяют как древесноплитные материалы.
   По данным Европейской федерации производителей древесных плит (EPF), в которую входят более 300 тыс. предприятий из 25 стран, в структуре деревообрабатывающей промышленности основная доля в стоимостном объеме принадлежит мебели (приблизительно 50 %), далее располагаются строительные материалы, в том числе паркет, затем — пиломатериалы и заготовки. Четвертое место занимают древесные плиты, на долю которых приходится 9...10 %, среди них доминируют ДСП.
   В нашей стране на 48 производственных линиях ДСП вырабатывается больше, чем остальных древесноплитных материалов, включая ДВП, фанеру и плиты из многослойного шпона (ЛВЛ). При этом внутренний рынок не обеспечивается отечественным производством ДСП.

1.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

   Свойства ДСП зависят от используемого древесного сырья, вида связующего, наличия специальных добавок, рецептурных характеристик, технологического режима изготовления плит и др. Основным параметром любого материала является прочность. Для оценки данного параметра существует ряд показателей. Применительно к ДСП актуальны такие показатели, как прочность при изгибе (оизг), прочность при растяжении перпендикулярно пласти плиты (ох), а также модуль упругости при изгибе. Используют и другие показатели: прочность при сжатии, прочность на отрыв наружного слоя.