firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2024.33.01.36-50firesmi-1320Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВSAFETY OF SUBSTANCES AND MATERIALSВлияние длительного естественного старения бумаги на ее свойства и термическую устойчивостьInfluence of long-term natural aging of paper on its properties and thermal stabilityhttps://orcid.org/0009-0009-8856-4276РумянцеваА. А.RumyantsevaA. A.

РУМЯНЦЕВА Алена Андреевна, аспирант

129337, г. Москва, Яро­славское шоссе, 26

Alеna A. RUMYANTSEVA, Postgraduate Student

Yaroslavskoe shosse, 26, Moscow, 129337

alenarum1996@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-5076-3167ФедотовИ. О.FedotovI. O.

ФЕДОТОВ Илья Олегович, адъюнкт

129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

Ilya O. FEDOTOV, Postgraduate Student

Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366

ilafedotov367@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-3821-8606СивенковА. Б.SivenkovA. B.

СИВЕНКОВ Андрей Борисович, д-р техн. наук, профессор

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26

РИНЦ ID: 434522; ResearcherID: R-5518-2017

Andrey B. SIVENKOV, Dr. Sci. (Eng.), Professor

Yaroslavskoe shosse, 26, Moscow, 129337

ID RSCI: 434522; ResearcherID: R-5518-2017

sivenkov01@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9739-9123НагановскийЮ. К.NaganovskiyYu. K.

НАГАНОВСКИЙ Юрий Кузьмич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

РИНЦ ID: 43977865; Scopus AuthorID: 6506689489; ResearcherID: 166916

Yuriy K. NAGANOVSKIY, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903

ID RSCI: 43977865; Scopus AuthorID: 6506689489; ResearcherID: 166916

reut11731@mail.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университетРоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University)Russian FederationАкадемия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияThe State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural DisastersRussian FederationВсероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters,Russian Federation2024270220243313650Copyright © Румянцева А.А., Федотов И.О., Сивенков А.Б., Нагановский Ю.К., 20242024Румянцева А.А., Федотов И.О., Сивенков А.Б., Нагановский Ю.К.Rumyantseva A.A., Fedotov I.O., Sivenkov A.B., Naganovskiy Y.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1320Введение

Введение. В процессе естественного старения в целлюлозных материалах происходят процессы, приводящие к изменению свойств и трансформации структуры материала. Исследование физико-химических превращений в бумаге естественного старения, их влияния на термическую стабильность и пожароопасные свойства материала имеют ограниченный характер.

Цель исследования

Цель исследования. Установление физико-химических свойств и термической устойчивости бумаги естественного старения.

Задачи

Задачи:

Методы исследования

Методы исследования. Исследование проводилось для образцов бумаги различного года издания (1946–2020 гг.). Для исследования задействованы ИК-Фурье спектрометр Bruker, а также методы термического анализа.

Результаты и их обсуждение. По результатам исследования установлено, что в процессе старения бумаги образуются продукты гидролизной дестабилизации лигноуглеводных компонентов с нарушением морфологической структуры материала (снижение плотности до 20 %).

При пиролизе для бумаги естественного старения установлено смещение участка максимальной скорости разложения в низкотемпературную область. Наибольшее снижение энергии активации (до 450 °С) получено для бумаги 1946 г. (Eа = 92,9–185,8 кДж/моль). Термоокислительное разложение бумаги естественного старения на стадии 160…450 °С характеризуется более значительной потерей массы (до 48 %). Установлено расширение температурных границ стадии окисления угольного остатка для пиролиза до 35, а для термоокислительного разложения до 45 %, что способствует повышению общего тепловыделения до 47 %.

Выводы

Выводы. Результаты свидетельствуют о значительной потере химической и термической устойчивости бумаги в результате естественного старения с протеканием гидролизной дестабилизации лигноуглеводного комплекса. Установлены физико-химические изменения, характерные для бумаги естественного старения, нарушение ее морфологической структуры. Стадия окисления угольного остатка характеризуется расширением температурных границ окислительной реакции, имеющей значительный экзотермический эффект.

Introduction

Introduction. During natural aging, processes occur in cellulosic materials that lead to changes in properties and transformation of the material structure. The study of physico-chemical transformations in naturally aged paper, their influence on thermal stability and fire hazard properties of the material is limited.

The aim of the research is to establish the physico-chemical properties and thermal stability of naturally aged paper.

Objectives

Objectives:

Research methods

Research methods. The research was carried out for paper specimens of different year of publication (1946–2020). Bruker FT-IR spectrometer and thermal analysis methods were used for the research.

Results and their discussion. According to the results of the study it was found that in the process of paper aging hydrolytic destabilization products of lingo-carbohydrate components are formed with disturbance of morpholo­gical structure of the material (density reduction up to 20 %).

In pyrolysis for naturally aged paper, a shift of the maximum decomposition rate plot to the low-temperature region was found. The largest decrease in activation energy (up to 450 °C) was obtained for 1946 paper (Ea = 92.9–185.8 kJ/mol). Thermal oxidative decomposition of naturally aged paper at the 160…450 °C stage is characterized by a more significant mass loss (up to 48 %). The extension of temperature limits of the stage of oxidation of carbon residue for pyrolysis up to 35 % and for thermal oxidative decomposition up to 45 % was established, which contributes to the increase of total heat release up to 47 %.

Conclusions

Conclusions. The results indicate a significant loss of chemical and thermal stability of paper as a result of natu­ral ageing with the progression of hydrolytic destabilization of the lingo-carbohydrate complex. Physico-­chemical changes characteristic for paper of natural aging, violation of its morphological structure were established. The stage of oxidation of the carbon residue is characterized by the expansion of the temperature limits of the oxidation reaction, which has a significant exothermic effect.

гемицеллюлозыцеллюлозалигнининфракрасный спектртермодеструкциятермический анализэнергия активациитепловыделениеhemicellulosecelluloseligninnatural aginginfrared spectrumthermal destructionthermal analysisactivation energyheat releaseReferencesAlén R. Manufacturing cellulosic fibres for making paper: a historical perspective // Technological Transformation in the Global Pulp and Paper Industry 1800–2018 / Särkkä T., Gutiérrez-Poch M., Kuhlberg M. (eds.). Springer, Cham. Vol. 23. DOI: 10.1007/978-3-319-94962-8_2Alén R. Manufacturing cellulosic fibres for making paper: a historical perspective. Technological Transformation in the Global Pulp and Paper Industry 1800–2018 / Särkkä T., Gutiérrez-Poch M., Kuhlberg M. (eds.). Springer, Cham. 23. DOI: 10.1007/978-3-319-94962-82Муллина Э.Р., Лыгина Е.Г., Ершова О.В., Пинчукова К.В. Исследование влияния химического состава целлюлозы на физико-механические свойства бумаги // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 9. С. 56–58.Mullina E.R., Lygina E.G., Ershova O.V., Pinchukova K.V. Study of the influence of the chemical composition of cellulose on the physical and mechanical properties of paper. Modern Science-Intensive Technologies. 2015; 9:56-58. (rus).Korolchenko D., Pizhurin A. Simulating operational control of production in lumber house building businesses // MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 117. P. 00084. DOI: 10.1051/matecconf/201711700084Korolchenko D., Pizhurin A. Modelling operational production management in forestry house building enterprises. S. Jemiolo et al. (ed.). MATEC Web of Conferences. 2017; 117:00084. DOI: 10.1051/matecconf/201711700084Корольченко Д.А., Покровская Е.Н., Портнов Ф.А., Кобелев А.А. Дымообразующая способность и токсичность продуктов сгорания древесных материалов при поверхностном модифицировании элементоорганическими соединениями // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2013. № 10. С. 40–45.Korolchenko D.A., Pokrovskaya E.N., Portnov F.A., Kobelev A.A. Smoke-forming ability and toxicity of combustion products of wood materials at surface modification with organoelement compounds. Pozharovzryzvobesasnost/Fire and Explosion Safety 2013; 10:40-45. (rus).Proceedings of the 9th International Conference on Wood & Fire Safety 2020 / Osvaldova L.M., Markert F., Zelinka S.L. (ed.). Springer Cham., 2020. 480 p. DOI: 10.1007/978-3-030-41235-7Proceedings of the 9th International Conference on Wood & Fire Safety 2020 / Osvaldova L.M., Markert F., Zelinka S.L. (ed.). Springer Cham. 2020; 480. DOI: 10.1007/978-3-030-41235-7Корольченко Д.А., Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справоч. в 2 ч. / 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1. М. : Пожнаука, 2004. 713 с.Korolchenko D.A., Korolchenko A.Ya. Fire and explosion hazard of substances and materials and means of their extinguishing : Reference book in 2 parts. 2nd edition, revised and supplemented. Moscow, OOO Izdatelstvo “Pozhnauka”, 2004; 1:713. (rus).Лаптев А.Б., Николаев Е.В., Колпачков Е.Д. Термодинамические характеристики старения полимерных композиционных материалов в условиях реальной эксплуатации // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 3. (52). С. 80–88. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-80-88Laptev A.B., Nikolaev E.V., Kolpachkov E.D. Thermodynamic characteristics of ageing of polymer composite materials under real operation conditions. Aviation materials and technologies. 2018; (52):80-88. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-3-80-88 (rus).Заиков Г.Е. Старение, стабилизация и горение полимеров и композитов. О приоритетах в исследованиях // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. 2010. Т. 53. Вып. 12. С. 143–145.Zaikov G.E. Aging, stabilisation and combustion of polymers and composites. About priorities in research. Chemistry and Chemical Technology. 2010; 53(12):143-145. (rus).Zaikov G.E., Buchachenko A.L., Ivanov V.B. Aging of polymers, polymer blends and polymer composites. N.Y. : Nova Science Publ., 2002. Vol. 1. 258 p.Zaikov G.E., Buchachenko A.L., Ivanov V.B. Aging of polymers, polymer blends and polymer composites. New York, Nova Science Publ., 2002; 1:258.Эмануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Химическая физика старения полимеров. М. : Наука, 1984. 342 с.Emanuel N.M., Buchachenko A.L. Chemical physics of aging of polymers. Moscow, Nauka Publ., 1984; 342. (rus).Заиков Г.Е. Деструкция и стабилизация полимеров. М. : Изд-во МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 1993. 248 с.Zaikov G.E. Destruction and Stabilisation of Polymers. Moscow, Lomonosov M.V. MITHT Publishing House, 1993; 248. (rus).Zaikov G.E. Degradation and Stabilization of Polymers. N.Y. : Nova Sci. Publ., 1999. 296 p.Zaikov G.E. Degradation and Stabilisation of Polymers. New York, Nova Sci. Publ., 1999; 296.Заиков Г.Е. Почему стареют полимеры? // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 12. С. 48–55.Zaikov G.E. Why do polymers age? Soros Educational Journal. 2000; 6(12):48-55. (rus).Bausch F., Owusu D.D., Graf J. et al. Shine a light on papyrus: monitoring the aging process // Heritage Science. 2022. Vol. 10. Issue 1. DOI: 10.1186/s40494-022-00687-5Bausch F., Owusu D.D., Graf J. et al. Shine a light on papyrus: monitoring the aging process. Heritage Science. 2022; 10(1). DOI: 10.1186/s40494-022-00687-5Смирнова Е.Г. Влияние состава по волокну на термическую деструкцию бумаги до и после старения // Химия растительного сырья. 2011. № 1. С. 175–178.Smirnova E.G. Effect of fibre composition on thermal degradation of paper before and after aging. Chemistry of Vegetable Raw Materials. 2011; 1:175-178. (rus).Sivenkov A.B., Berlin A.A., Mukhamedgaliev B.A., Almenbayev M.М., Makishev Zh.K., Rakhmetulin B.Zh. Fire hazard and fire resistance of wooden structures // Springer Nature Switzerland AG. 2023. Vol. XVI. 269 p. DOI: 10.1007/978-3-031-24074-4.Sivenkov A.B., Berlin A.A., Mukhamedgaliev B.A., Almenbayev M.М., Makishev Zh.K., Rakhmetulin B.Zh. Fire hazard and fire resistance of wooden structures. Springer Nature Switzerland AG. 2023; XVI:269. DOI: 10.1007/978-3-031-24074-4. DOI: 10.1007/978-3-031-24074-4.Смирнова Е.Г., Журавлева Н.М., Кизеветтер Д.В., Резник А.С. Перспективы применения хитин-глюканового комплекса Aspergillus Niger в композиции электроизоляционных видов бумаги // Химия растительного сырья. 2019. № 3. С. 315–323.Smirnova E.G., Zhuravleva N.M., Kizevetter D.V., Reznik A.S. Prospects for the use of chitin-glucan complex Aspergillus Niger in the composition of electrical insulating types of paper. Chemistry of vegetable raw materials. 2019; 3:315-323. (rus).Захаров И.В., Захарова Н.Л., Канарский А.В., Казаков Я.В., Попов А.В., Дулькин Д.А. Повышение устойчивости картона к старению пропиткой биомодифицированным глютеном // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2018. Вып. 222. С. 216–227. DOI: 10.21266/2079-4304.2018.222.216-227Zakharov I.V., Zakharova N.L., Kanarsky A.V., Kazakov Y.V., Popov A.V., Dulkin D.A. Increase of cardboard resistance to aging by impregnation with biomodified gluten. Izvestiya St. Petersburg Forestry Academy. 2018; 222:216-227. DOI: 10.21266/2079-4304.2018.222.216-227 (rus).Смирнова Е.Г. Воздействие старения на структуру бумаги и составляющих ее волокон // Лесной журнал. 2010. № 3. С. 125–130.Smirnova E.G. Impact of aging on the structure of paper and its constituent fibers. Forestry Journal. 2010; 3:125-130. (rus).Vyazovkin S., Nobuyoshi Koga, Christoph Schick. Handbook of thermal analysis and calorimetry recent advances // Techniques and Applications. 2nd Ed. Elsevier Science. 2018. 800 p.Vyazovkin S., Nobuyoshi Koga, Christoph Schick. Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry Recent Advances, Techniques and Applications. 2nd Ed. Elsevier Science. 2018; 800.Принцева М.Ю., Чешко И.Д. Термический анализ и инфракрасная спектроскопия газообразных продуктов термической деструкции в экспертном исследовании антиципированной древесины // Пожарная безопасность. 2014. № 3. С. 96–101.Printseva M.Yu., Cheshko I.D. Thermal analysis and infrared spectroscopy of gaseous thermal degradation products in the expert study of anticyped wood. Fire Safety. 2014; 3:96-101. (rus).Mahdavi Nejad A. Thermal analysis of paper board packaging with phase change material: a numerical study // Journal of Packaging Technology and Research. 2019. Vol. 3 (4). Рр. 181–192. DOI: 10.1007/s41783-019-00060-1Mahdavi Nejad A. Thermal analysis of paper board packaging with phase change material: A numerical study. Journal of Packaging Technology and Research. 2019; 3:181-192. DOI: 10.1007/s41783-019-00060-1Григорьева Н.П., Галимуллин И.Н., Нугманов О.К., Лебедев Н.А., Лутфуллин Р.Р. Идентификация структуры травяной целлюлозы // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 14. С. 362–366.Grigorieva N.P., Galimullin I.N., Nugmanov O.K., Lebedev N.A., Lutfullin R.R. Structure identification of grass cellulose. Bulletin of Kazan Technological University. 2014; 17(14):362-366. (rus).Jingjing Xia, Yanmei Xiong, Shungeng Min, Jinyao Li. A review of recent infrared spectroscopy research for paper // Applied Spectroscopy Reviews. 2022. Vol. 58. Issue 10. Pp. 1–17. DOI: 10.1080/05704928.2022.2142939Jingjing Xia, Yanmei Xiong, Shungeng Min, Jinyao Li. A review of recent infrared spectroscopy research for paper. Applied Spectroscopy Reviews. 2022; 58(10):1-17. DOI: 10.1080/05704928.2022.2142939Mehdi El Moustaqim, Abderrahmane El. Kaihal, Marouani M., Men-la-yakhaf S., Taibi M. , Saloua Sebbahi et al. Thermal and thermomechanical analyses of lignin // Materials Science, Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2018. Vol. 9. Pp. 63–68. DOI: 10.1016/J.SCP.2018.06.002Mehdi El Moustaqim, Abderrahmane El Kaihal, Marouani M., Men-la-yakhaf S., Taibi M., Saloua Sebbahi et al. Thermal and thermomechanical analyses of lignin. Materials Science, Sustainable Chemistry and Pharmacy. 2018; 9:63-68. DOI: 10.1016/J.SCP.2018.06.002Деркачева О.Ю., Ишанходжаева М.М., Федоров А.В. Экспериментальное и теоретическое исследование ИК-спектров лигнинов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Физика и химия. 2018. Т. 5 (63). Вып. 2. C. 78–85. DOI: 10.21638/11701/spbu04.2018.201Derkacheva O.Y., Ishankhodjaeva M.M., Fedorov A.V. Experimental and theoretical study of IR spectra of lignins. Bulletin of St. Petersburg University. Physics and Chemistry. 2018; 5(2):78-85. DOI: 10.21638/11701/spbu04.2018.201 (rus).Aseeva R.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Fire behavior and fire protection in timber buildings // Springer Series in Wood Science, Springer Dordrecht. 2014. Vol. IX. 290 р. DOI: 10.1007/978-94-007-7460-5Aseeva R.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Fire behaviour and fire protection in timber buildings. Springer Series in Wood Science, Springer Dordrecht. 2014; IX:290. DOI: 10.1007/978-94-007-7460-5

The authors declare that there are no conflicts of interest present.