В ряде стран приняты и действуют нормативные положения и законодательные акты, запрещающие применение изделий из легковоспламеняющихся тканей и горючих напольных покрытий. Особенно необходима огнезащита текстильных изделий, используемых в качестве декоративно-обивочных тканей и напольных покрытий в автомобильной промышленности, для спецодежды металлургов, пожарных, сварщиков, а также для бытовых целей, оформления интерьеров общественных зданий, больниц, школ. Невоспламеняющиеся текстильные изделия необходимы для армии: ткани для палаток, тентов, спальные мешки, камуфляжные сетки и др.
Возгорание текстильных материалов является причиной все возрастающих количеств пожаров в жилых и общественных зданиях. При сгорании текстильных материалов из химических волокон выделяются газообразные соединения, неблагоприятно воздействующие на озоновый слой атмосферы и на экологическую обстановку в целом. Для придания огнезащитных свойств целлюлозным материалам и тканям из смеси целлюлозных и синтетических волокон используются следующие методы:
- поверхностная обработка;
- химическое модифицирование волокон и изделий из них;
- введение замедлителей горения в расплав или формовочный раствор полимера.
Выбор того или иного метода определяется требуемой степенью огнезащиты и степенью сохранения огнезащитные свойства после многократных водных обработок (стирок). Немаловажным является возможность технологического и аппаратурного оформления процесса и технико-экономические показатели.
Для придания огнезащитных свойств текстильным материалам используют прививочную сополимеризацию под воздействием окислительно-восстановительных систем или обработку текстильных материалов препаратами, взаимодействующими с функциональными группами волокна. Огнезащитные обработки можно подразделить на обработки, придающие невоспламеняемость и придающие огнестойкость. Невоспламеняемость придается декоративным обивочным интерьерным тканям, тканям для детской, производственной одежды. Эти ткани не воспламеняются, но при контакте с открытым пламенем разрушаются.
При создании текстильных материалов со специальными свойствами следует учитывать ряд требований, предъявляемых к применяемым препаратам и к технологическим процессам при их изготовлении.
К огнезащитным материалам относятся материалы, устойчивые к действию высоких температур и способные обеспечить полную защиту от огня. К ним относятся ткани для спецодежды пожарных, сталеваров, литейщиков. Текстильные материалы для спецодежды должны обладать пониженной горючестью, а также прочностью и высокими гигиеническими показателями. Этим требованиям удовлетворяют ткани, изготовленные из смеси целлюлозных волокон с синтетическим волокнами, в частности с полиэфирными, обработанными замедлителями горения.
Термостойкость и горючесть текстильных материалов характеризуется химическим строением и надмолекулярной структурой волокон, соотношением между количеством и составом летучих продуктов. Для снижения горючести волокнистых материалов необходимы замедлители горения.
Замедлители горения отличаются по составу и по эффективности огнезащитного действия. По химическому составу они подразделяются на: хлор-, бром-, азот-, фосфорсодержащие, неорганические (рис. 1).
Рис. 1. Использование замедлителей горения
До настоящего времени широко использовались галогенсодержащие замедлители горения. Эти замедлители горения не являются экологически чистыми. В процессе горения галогенсодержащих материалов могут выделяться токсичные соединения, которые могут привести к летальному исходу.
В связи с этим в настоящее время основное направление исследований в данной области - создание экологически чистых замедлителей горения. Большое внимание уделяется разработке фосфор- и азотсодержащих замедлителей горения. Они в процессе горения образуют карбонизованный остаток, защищающий волокно от пламени. Замедлители горения должны изменять процесс термоокислительного разложения волокон. Это приводит к снижению выделением большого количества тепла и количества выделяющихся газообразных соединений. Поэтому разработка таких систем является наиболее эффективным способом и позволяет получать огенестойкие материалы [1].
Ткани с огнезащитными свойствами должны обладать свойством самозатухания, не должны обладать остаточным тлением или свечением. Текстильные материалы с пониженной горючестью не должны быть токсичными, оказывать раздражающее действие на кожу человека, не должны быть канцерогенными. Для снижения горючести тканей из хлопка и из смеси волокон используется метод поверхностной обработки.
Препарат для огнестойкой отделки должен обладать достаточно высокой эффективностью. При выборе препарата важным является его стоимость и доступность для промышленного производства. Предлагаются новые химические неорганические и органические препараты. Разрабатываются методы придания волокнистым материалам огнезащитных свойств. Для снижения пожарной опасности текстильных материалов используются замедлители горения различного состава.
Проблема придания огнезащитных свойств текстильным материалам различной природы в последние годы приобретает все большую актуальность. Это обусловлено тем, что они являются серьезным источником опасности во время пожаров, легко воспламеняются, способствуют распространению пламени и при горении выделяют большое количество дыма и газов [2].
Разработка новых высокоэффективных аппретов и композиций с различными функциональными группами с целью придания тканям огнезащитных свойств является актуальной научно-технологической задачей.
Существует три основных способа получения текстильных материалов с пониженной пожарной опасностью:
- получение текстильных материалов из термостойких волокон, обладающих пониженной горючестью;
- модифицирование натуральных или химических волокон замедлителями горения, которые обеспечат снижение горючести и дымообразования токсичных продуктов горения;
- обработка тканей замедлителями горения в процессе заключительной отделки.
Обычная одежда под воздействием тепловой энергии мгновенно вспыхивает, синтетические волокна плавятся прямо на коже человека, усиливая страдания и увеличивая степень ожогов. Все это происходит за доли секунды, и оказать помощь практически невозможно.
Спецодежда должна обеспечивать защиту от теплового потока, исходящего от электрической дуги (сварщики, металлурги). Негорючие ткани -- это ткани не распространяющие (не поддерживающие) горение, изготовленные из негорючего модифицированного синтетического волокна. Негорючее модифицированное волокно это волокно из полиэфира, в молекулярную структуру которого введены фосфорорганические соединения. Использование негорючих тканей защищает людей от гибели и спасает от порчи имущество. Огонь быстро распространяется по обычному текстилю -- через 90 секунд после возгорания, в отличие от трудновоспламеняемых материалов.
Основными чертами одежды пожарного являются постоянство огне-, термо- и теплоизоляционных свойств, повышенный комфорт и отличная эргономика. Это главные свойства спецодежды для пожарных. Костюм пожарного должен обеспечивать защиту тела от высоких температур, тепловых потоков, открытого пламени, контакта с нагретыми поверхностями, физико-механических воздействий, воды и агрессивных сред.
При решении вопроса создания тканей с защитными свойствами в качестве критериев особенно важны такие свойства, как устойчивость к воздействию открытого пламени и прожиганию. Эти защитные свойства характеризуются следующими показателями:
- значением кислородного индекса (КИ);
- огнестойкостью;
- прочностью при разрыве;
- устойчивостью к прожиганию;
- воздухопроницаемостью;
- гигроскопичностью;
- сохранением прочностных свойств после воздействия открытого пламени.
Пропитка ткани огнезащитными составами меняет фактуру ткани - делает ее жестче, ткань хуже поддается драпировке, при попадании влаги на ткани появляются разводы и пятна. Ткань, обработанная огнезащитными составами, требует только сухой уборки, а после стирки свойства огнезащиты пропадают.
При правильном выборе аппрета и технологии обработки ткани можно получать хорошие результаты. В качестве огнезащитной пропитки можно привести пример компании «Чайковский текстиль» (Россия). Компания использует препарат Pyrovatex®, который проникает внутрь нити и за счет прочных ковалентных связей с хлопком придает ткани уникальные огнезащитные свойства. Огнезащитные ткани «Чайковский текстиль» соответствуют EN 531 [3]
Рис. 2. Нанесение огнезащитной отделки
Одежда из этой ткани:
- не горит и не плавится при воздействии открытого огня и высоких температур;
- не тлеет после пребывания в пламени в течение 30 секунд;
- сохраняет первоначальную форму при воздействии огня;
- свойства самозатухания сохраняются в течение всего срока эксплуатации;
- сохраняет защитные свойства после 200 циклов стирки;
- может эксплуатироваться в экстремальных условиях;
- отличается высокой морозостойкостью;
- гарантирует безопасность для здоровья (Oeko-Tex Standard 100) [3].
Также в России создана двухкомпонентная долговременная огне-искро-светозащитная отделка тканей. Ткани обрабатываются последовательно водным раствором двойной соли, содержащей в составе азот и фосфор и после сушки солевая композиция закрепляется на поверхности и в объеме тканевого материала с помощью бромсодержащего ненасыщенного мономера, который образует сетчатую структуру при термополимеризации без инициатора при температуре 100-110 C в течении 25-29 минут. Полимерная пространственная сетка сохраняет пористую структуру тканевой основы (ткани паро-влагопроницаемые), ткани устойчивы к действию искр и брызг расплавленного металла с температурой 800-1000°C. Ткани устойчивы к мокрым обработкам и химическим чисткам без снижения огнезащитных свойств - это новый вид высокоэффективной спецодежды для военных, сварщиков, газорезчиков металлургов и пожарников [4].
Ткани, используемые для изготовления защитной и рабочей одежды, должны иметь эксплуатационную долговечность, комфортность и внешнюю привлекательность. Этим требованиям наибольшей степени отвечают фосфорсодержащие соединения [5].
Эффективное действие соединений фосфора в качестве замедлителей горения обеспечивают следующие факторы:
1) специфическое влияние фосфорных соединений на процессы, протекающие в конденсированной фазе при горении волокна: химические превращения полимеров осуществляются в направлении увеличения выхода нелетучего карбонизованного остатка и уменьшения летучих продуктов пиролиза;
2) образование поверхностного стеклообразного или вязкого расплавленного слоя полифосфорных кислот, который служит физическим барьером для переноса тепла от пламени к полимеру и диффузии реагентов;
3) ингибирование газофазных пламенных реакций;
4) влияние на гетерогенное окисление карбонизованного остатка, образующегося при пиролизе полимеров.
Фосфорсодержащие соединения, включающие С-Р и Р-N связи, обеспечивают более высокую термостабильность волокна, причем наличие фосфорамидной группы может способствовать проявлению фосфор-азотного синергизма, усиливать процесс дегидратации и карбонизации полимера. С точки зрения гидролитической стабильности замедлителей горения более целесообразно использовать фосфонаты, чем фосфаты.
Анализ литературных данных показал, что фосфорсодержащие соединения играют большую роль в процессах отделки текстильных материалов. Поэтому разработка перспективных методов получения фосфорсодержащих композиций является важной проблемой в легкой промышленности.
При нагревании целлюлозы свыше 250°С около трети летучих продуктов составляют вода, оксид, диоксид углерода и ацетальдегид. Остальная часть представляет собой смолообразный материал. При более высоких температурах степень превращения в эти продукты может достигать 90%. При этом остается обуглившийся продукт.
В присутствии фосфатов кислота, образовавшаяся при их разложении, этерифицирует гидроксильную группу целлюлозы. Фосфат целлюлозы затем разлагается с образованием двойной связи и регенерацией кислоты, снова принимающей участие в реакции. В результате этого в целлюлозе образуются стабильные сопряженные структуры, и с участием одной молекулы фосфорной кислоты может быть получено большое число двойных связей. Из подобных сопряженных ненасыщенных структур образуется обуглившийся материал, который наряду с водой является основным продуктом. Летучие горючие продукты при этом практически не образуются. Таким образом, фосфорсодержащие соединения при защите целлюлозы играют двойную роль:
- во-первых, уменьшается количество горючих продуктов;
- во-вторых, полимер защищен от действия тепла горящего пламени обуглившимся поверхностным слоем, а также образовавшейся водой [5].
На кафедре «Технология текстильной промышленности и материаловедение» ТарГУ им. М.Х. Дулати проводятся исследования по приданию хлопчатобумажным тканям огнестойкости. В предлагаемой работе изучено применение фосфорсодержащей композиции для совместного действия фосфора и азота в целлюлозных волокнах. В состав композиции вводили вещества, для придания огнезащитности текстильным материалам: полиэтиленполиамид, фосфорную кислоту и формалин. Смесь представлят гидрофильную композицию. Хорошая растворимость композиции в водных растворах позволяет применять ее в отделке ткани методом пропитки.