Механизм работы антипиренов в огнезащитных составах для древесины

Для защиты древесины и материалов на её основе широко используются огнезащитные составы, содержащие антипирены. Антипирены – специальные вещества, которые повышают устойчивость древесины к воспламенению, горению и распространению пламени. Защитное действие антипиренов обусловлено их особыми химическими свойствами. Различают следующие основные механизмы действия.

Термическое разложение с выделением инертных газов. При нагревании до определенных температур молекулы некоторых антипиренов разлагаются с выделением инертных (негорючих) газов (например, аммиак, углекислый газ, соединения галогенов), что снижает концентрацию кислорода в зоне горения. Кроме того, процессы термического разложения сопровождаются поглощением энергии, что приводит к снижению температуры в зоне горения, замедлению прогрева и термодеструкции древесины. Таким механизмом защитного действия обладают азотсодержащие соединения (например, соли аммония, меламин, мочевина), галоген-содержащие соединения (хлорпарафины, бром-содержащие антипирены). Например, мочевина при относительно невысоких температурах (выше 170 °С) разлагается с выделением углекислого газа и аммиака, которые разбавляют зону  горения и блокируют доступ кислорода к древесине.

Вторым механизмом действия является образование защитного слоя на поверхности древесины, представляющий собой плотный коксовый или стеклообразный слой. Образовавшийся слой блокирует доступ кислорода, замедляет прогрев древесины и изолирует материал от огня. Таким механизмом защитного действия обладают соединения бора (бура, борная кислота), соединения металлов (гидроксид алюминия, оксид и гидроксид магния), жидкое стекло, силиконовые смолы. Так, гидроксиды алюминия (Al(OH)₃) и магния (Mg(OH)₂) разлагаются при относительно невысоких температурах (180-220 °С  для Al(OH)₃, 340-430 °С для Mg(OH)₂) с поглощением тепла по реакциям:

2Al(OH)₃ = Al₂O₃ + 3H₂O

Mg(OH)₂ = MgO + H₂O

При этом образующиеся оксиды алюминия и магния формируют термостойкий барьер на поверхности материала, замедляя нагрев древесины и снижая скорость её пиролиза, а выделяющийся водяной пар снижает концентрацию кислорода и горючих летучих веществ в зоне горения.

Третьим механизмом является изменение процесса пиролиза древесины. Некоторые молекулы антипиренов модифицируют химические реакции при термическом разложении древесины, увеличивая выход негорючих веществ и уменьшая образование горючих газов. Фосфорсодержащие соединения при нагревании образуют фосфорную кислоту, которая катализирует дегидратацию целлюлозы, что, в свою очередь, ускоряет формирование коксового слоя. Сульфаты металлов (например, сульфат алюминия) катализирует карбонизацию древесины. Некоторые соединения (например соединения бора, хлороводород, бромистый водород) способны связывать свободные радикалы, ускоряющие пиролиз древесины).

Фосфаты аммония, широко используемые при изготовлении огнезащитных составов,  разлагаются с выделением метафосфорной кислоты  и аммиака:

(NH₄PO₃)_n = nHPO₃ + nNH₃

Образующаяся метафосфорная кислота формирует стеклообразный защитный слой на поверхности древесины, а газообразный аммиак снижает концентрацию кислорода и горючих газов. Однако, при наличии влаги метафосфорная кислота гидратируется до ортофосфорной кислоты.

HPO₃ + H₂O = H₃PO₄

При наличии ортофосфорной кислоты реакция дегидратации целлюлозы протекает при более низких температурах 150-170 °С (против 220-280 °С без катализатора). При этом увеличивается выход кокса (до 30-40% против 10-15% без использования антипирена). Кроме того, ортофосфорная кислота замедляет окисление лигнина, образует фосфатные эфиры с целлюлозой, предотвращая рекомбинацию продуктов распада, а также способствует селективному образованию редуцирующих веществ за счет подавления побочных реакций.

В настоящее время широкое распространение получили огнезащитные средства, в состав которых входят антипирены, имеющие различающиеся механизмы действия. Их комбинация позволяет эффективно защитить древесину от воздействия огня, предотвращая её воспламенение и горение. Современной тенденцией в создании новых огнезащитных составов является разработка экологичных антипиренов, которые оказывают минимальное негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. Перспективными соединениями для использования в этой роли являются гидроксиды магния, алюминия, фосфорсодержащие органические соединения, наночастицы оксидов алюминия и кремния, биологически активные вещества (специально модифицированные белки, липиды, крахмал). Использование таких антипиренов позволит добиться высокой эффективности защиты древесины от воздействия огня с минимальным выходом токсичных веществ.