Механизмы огнезащиты деревянных конструкций и древесины

Деревянные конструкции имеют множество преимуществ, таких как обрабатываемость, отличные механические свойства по отношению к нагрузкам, стойкость к коррозии и неограниченные возможности архитектурного дизайна. Основным недостатком древесины является тот факт, что она горит, а соответственно требует особых мер по противопожарной безопасности.

Во время горения древесина образует внешний защитный слой, который может защитить основной субстрат. Такой углеродный слой уменьшает поступление кислорода и, по причине своей чрезвычайно низкой проводимости, препятствует повышению температуры внутри конструкции или изделия, замедляя процесс горения деревянных элементов. Благодаря этому свойству деревянная колонна может более длительно противостоять огню, чем колонна из стали или даже бетона тех же размеров.

Использование средств огнезащиты, например огнезащитной краски для дерева, может существенно снизить риски, связанные с воспламенением и распространением пожара, а также ограничивать распространение огня на другие элементы. Современные системы противопожарной защиты могут существенно снизить параметры пожара следующими способами:

• уменьшить пожароопасность;
• продлить время возгорания;
• снизить скорость распространения пламени и скорость горения материала;
• уменьшить объем и скорость выделения тепла во время пожара.

По способу применения огнезащитные вещества и системы для огнезащиты древесины делятся на две категории: пропитывающие вещества (пропитки, растворы антипиренов), проникающие в древесину, как правило, в форме водных растворов или в виде растворов в других растворителях; поверхностные покрытия, образующие защитный слой на поверхности древесины, в виде лаков, красок (реактивные терморасширяющиеся покрытия), фольги, матов, штукатурок или тонких противопожарных барьерных материалов.

Если пропитки в древесину наносятся покраской или распылением, эффективность огнезащиты обычно ниже, чем обеспечивают поверхностные покрытия — реактивные или теплоизоляционные.

Механизмы огнезащиты для древесины направлены на задержку возгорания и уменьшение тепла, выделяемого во время горения. Эти цели могут быть достигнуты следующими способами.

Изменение пути пиролиза.

По этому простому и относительно недорогому методу древесину обрабатывают веществом, усиливающим реакцию пиролиза целлюлозы через образование обугливания. На практике антипирены уменьшают количество горючих продуктов пиролиза и таким образом уменьшают выделяемое тепло.

Например, такие вещества, как соли аммиака, которые разлагаются при нагревании и образуют фосфорную или борную кислоту.

Огнезащитное средство может замедлять реакции пиролиза и стабилизировать химические структуры древесины от разложения. Так, сульфат алюминия создает связи между молекулами целлюлозы при повышенных температурах, таким образом предотвращая термическое разложение.

Защита поверхности изолирующими слоями.

Такой эффект может быть достигнут с помощью интумесцентных покрытий, т.е. композиций, которые сильно расширяются при повышении температуры. На поверхности древесины образуется ячеистый, насыщенный углеродом слой, выступающий хорошим утеплителем. Такие покрытия, как правило, очень эффективны для угнетения горения, но имеют недостатки в виде высокой стоимости и способности закрывать внешний вид древесины.

Замедление воспламенения и горения за счет изменения тепловых свойств продукта.

Технические решения по такой огнезащите древесины базируются на добавлении к изделию компонентов, обладающих высокой тепловой инерцией и теплопроводностью. Таким образом, разогрев продукта замедляется: скорость повышения температуры медленнее и тепло отводится от поверхности. Наиболее часто используемыми компонентами являются металлические слои. Их главный недостаток – большое количество металла, необходимого для достаточного эффекта.

Уменьшение горения за счет разжижения пиролизных газов.

Газы сгорания, выделяемые при пиролизе, могут быть разбавлены газами, выделяемыми из антипиренов. Одним из примеров является антипирен гидроксид алюминия, который выделяет водяной пар при температурах несколько ниже температуры термической деградации древесины.

Подавление цепных реакций горения.

Этот путь заключается в применении антипиренов, ингибирующих реакции в газовой фазе за счет поглощения радикалов. Галогены являются наиболее известным примером таких химических веществ и довольно часто используются в промышленности пластмасс. Однако использование галогенов следует избегать для деревянных изделий, главным образом из-за экологических аспектов.