Анализ дымообразующей способности напольных покрытий на основе поливинилхлорида в условиях пожара
Автор: Исаков Геннадий Николаевич, Манаева Алина Рамзилевна
Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc
Рубрика: Физика и электроника
Статья в выпуске: 2-1 т.17, 2015 года.
Бесплатный доступ
Предложены уравнения для вычисления кинетических параметров дымообразования напольных покрытий на основе поливинилхлорида (ПВХ) при совместном использовании данных дериватографии и определения коэффициента дымообразования по ГОСТ 12.1.044. Уравнения используются для определения энергии активации, предэкспоненциального множителя процесса дымообразования напольного покрытия марки «Мода-602».
Дымообразование, термодеструкция, дифференциально-термический анализ
Короткий адрес: https://sciup.org/148203635
IDR: 148203635
Текст научной статьи Анализ дымообразующей способности напольных покрытий на основе поливинилхлорида в условиях пожара
АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ
Системный подход к анализу воспламенения и горения естественных и синтетических полимеров получает в настоящее время существенное научное и практическое значение. Необходима разработка научных основ синтеза негорючих полимеров, рациональной технологии получения пожаробезопасных материалов, моделирования условий их эксплуатации, исключающих вероятность происхождения и распространения пожаров [1]. В управлении процессом дымообразова-ния в качестве инструмента оптимизации для наилучшего результата необходимо применить математическое моделирование.
Дым и токсичные продукты горения и термического разложения, выделяющиеся при пожаре, представляют собой одну из главных причин гибели людей (до 80 % погибающих на пожарах) [2]. Риск поражения человека токсичными продуктами дымообразования актуализирует поиск принятия решений, приводящих к минимизации последствий токсического воздействия дыма и применению материалов с пониженной дымообразующей способностью[3].
Коэффициент дымообразования (Dm) – показатель, характеризующий оптическую плотность дыма в режиме тления или горения. Группы строительных материалов по дымообразующей способности устанавливают по ГОСТ 12.1.044 [4]. Коэффициент дымообразования принимает высокие значения в режиме тления. Наиболее интенсивное дымообразование наблюдается для древесины, древесных пластиков, линолеумов, фенолоформальдегидных смол [5].
В качестве напольных покрытий в настоящее время чаще всего используется линолеум на
основе ПВХ. Среди множества альтернативон обладает преимуществом ввиду того, что линолеум является прочным материалом, устойчивым к интенсивным динамическим нагрузкам, обладает высокими показателями влагоустойчивости, звукоизоляции и теплоизоляции (в отличие от древесных покрытий). Напольные покрытия на основе ПВХ являются доступными по ценовой категории, при отсутствии термических воздействий экологически безопасны [5].
Поливинилхлорид (ПВХ) является одним из самых востребованных полимерных материалов. Он обладает высоким спросом благодаря доступности сырья, низкой стоимости и высокими показателями эксплуатации [6]. Уникальные свойства ПВХ и его низкая цена делают его материалом, способным конкурировать с любыми полимерами в очень многих областях [7]. Но недостатком линолеумов на основе ПВХ является то, что они чувствительны к действию высоких температур.
Для получения уравнений, характеризующих процесс термодеструкции с учетом дымообразо-вания, необходимо точно определить параметр-температуру самовоспламенения (Тс.в.).Чаще всего органические материалы имеют температуру самовоспламенения не выше 600 °С. В связи с этим испытание строительных материалов на их основе на негорючесть при температуре 750-900°С обеспечивает получение достаточно надежных результатов [6].
При определении кинетических параметров важно определить Тсв., так как в окрестности этой температуры функциональная связь между обобщенными критериями находится с учетом выполнения условий интегрального подобия. Используя данную связь, можно создать формальную модель для определения кинетических параметров дымообразования.
Затем, применяя асимптотические разложения функций источников в окрестности этих параметров, удается получить приближенные аналитические решения в виде уравнений подобия, на основе которых можно проводить физико-химическое моделирование [8]. В дальнейшем эти уравнения подобия являются базовыми при изучении закономерностей отдельных процессов, а также при решении химических и коэффициентных [9] обратных задач нестационарного тепломассопереноса и воспламенения.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве объекта исследования использованы образцы покрытия напольного на основе поливинилхлорида фирмы «ТАРКЕТТ» «Мода-602». Методика экспериментального исследования состоит в следующем: образец нагревается в потоке высокотемпературного газа-окислителя при температуре от 298 К до 1298 К при скоростях нагрева 5,10,15,20,25 градусов в минуту на приборе STA 449 F1 Jupiter. Испытуемые и эталонные образцы (оксида алюминия-Al2O3) помещаем на платиновые тигли и устанавливали на керамическом стержне, на который опускается электрическая печь. Термопары из платины и ее сплавов наиболее часто используются ввиду ее химической инертности [10].Оксид алюминия в качестве эталонного образца для данного материала является наиболее предпочтительным, так как в исследуемом интервале температур не претерпевает превращений, теплопроводность и теплоемкость близки к теплопроводности и теплоемкости исследуемого вещества [10].
При этом для решения задач оптимизации в каждом случае сохраняли идентичные условия эксперимента (масса образца, материал тигля и эталона, атмосфера в печи).
Согласно проведенным исследованиям [11], Dm при термодеструкции напольных покрытий принимает высокие значения в момент, когда происходит самовоспламенение продуктов термодеструкции.
Предположим, что интенсивное дымообразо-вание наблюдается в окрестности температуры самовоспламенения материала (Тс.в.), когда на кривой дифференциально-термического анализа (ДТА) регистрируется экзопик, отвечающий за тление и самовоспламенение (рис. 1). Поэтому справедливо допущение Т с в « Тн d, когда за температуру начала процесса дымообразования можно принять температуру самовоспламенения .
Температура самовоспламенения (Тсв.) на кривой ДТА определялась по точке перегиба в области экзотермического пика, отвечающего за самовоспламенение продуктов термодеструкции напольных покрытий [11]. Величина скорости потери массы образца (dn/dt) определялась по кривой ДТГА при заданных скоростях нагрева dТ/dt (от 5 до 25 К/мин ) с помощью программного пакета Netzsch Proteus Analysis.
Для описания процесса дымообразования при термодеструкции в атмосфере воздуха будем использовать кинетический подход [11, 12], представив скорость дымообразования в виде:
, (1)
ILL о / V \ / где р - плотность ;
Dm –коэффициент дымообразования (м2/кг);
s/ v - удельная поверхность образца (м-1);
Ed – энергия активации (Дж/моль);
R – универсальная газовая постоянная (Дж/ моль.K).
Степень превращения будет [12]:
_ md - ты
,
^«d ^kd
где mн d – начальная масса исследуемого образца;

Рис. 1. ДТГА (дифференциальная кривая скорости потери массы), ДТА (кривая дифференциальнотермического анализа), Т (температурная кривая), ТГ (термогравиметрическая кривая) при нагреве образца «Мода-602» со скоростью 10 град/мин в атмосфере воздуха
m d – текущая масса исследуемого образца; mk d – конечная масса исследуемого образца.
При постоянной скорости нагрева dT/dt = β производную в (1) можно записать, как [11, 12].
drj с/ н dl'd
,(3)
dt dT dt p dT da pD™ /—Ея\,
. (4)
p V
Для нахождения энергии активации процесса при различных температурах строили зависимость по уравнению 5. Графическое выражение данной зависимости показано на рис. 2.

где d η d / dT – температурный градиент в окрестности температуры;
η d – степень превращения вещества.
По тангенсу угла наклона находили значение энергии активации (Еd) в размерности Дж/моль. Значение предэкпоненциального множителя (К0) находили по формуле:
Ko
dp S dT* V
Dm * P * (1 - Ла) * exp ( нйД) где Еd– энергия активации;
R – универсальная газовая постоянная;
Тнd – температура начала дымообразования;
К0 – предэкспонент в законе Аррениуса.
В начальной стадии дымообразования (1- η d )
→ 1, поэтому справедливо выражение:
dЛd ., S dT V
4,9
4,8
4,7
4,6
4,5
4,4
4,3
4,2
4,1
4,0
3,9
3,8
3,7
3,6
3,5
Dm * P * exP

1,27E-03 1,28E-03 1,29E-03 1,33E-03 1,37E-03
Коэффициент дымообразования Dm определялся согласно ГОСТ 12.1.044 [4], его значения для материала «Мода-602» приведены в табл. 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Горение и тление ПВХ-материалов приводит к интенсивному дымовыделению. Данные по Dm материала «Мода-602» на основе ПВХ приведены в табл. 1.
Энтальпия сгораемых материалов-линолеумов принимает значение от 9218 до 21370 кДж/кг (в зависимости от вида и количества наполнителя и антипирена). При температуре свыше 200 °С воспламеняются, а при 380 °С самовоспламеняются [6].
Значения температур самовоспламенения увеличиваются с ростом частоты воздействия (увеличения скорости нагрева), это согласуется с релаксационными представлениями о процессе термодеструкции (табл. 2). Рост времени релаксации связан с резким уменьшением степеней свободы. При медленном нагревании время релаксации длительное и можно обеспечить медленное изменение температуры, чтобы система находилась в состоянии термодинамического равновесия [13].
Определены кинетические параметры ды-мообразования в области температуры самовоспламенения для напольного покрытия марки «Мода-602» при скоростях нагрева 5,10,15,20,25 градусов в минуту с помощью предложенной модели. Уравнения 1-7 позволяют объединить данные дериватографии и определения коэффициента дымообразования согласно ГОСТ 12.1.044 [4] в точке начала дымообразования, за которую
Рис. 2. Графическое выражение зависимости для образца покрытия напольного «Мода-602» при нагреве в атмосфере воздуха (скорости нагрева – 5,10,15,20,25 градусов в минуту)
Таблица 1. Дымообразующая способность напольного покрытия на основе ПВХ марки «Мода-602»
Скорость нагрева, град/мин |
Температурный диапазон, К |
Коэффициент дымообразования, м2/кг |
Классификация по дымообразующей способности |
10 |
473-753 К |
1063 |
Высокая |
25 |
473-789 К |
1433 |
Высокая |
Таблица 2. Кинетические параметры дымообразования напольного покрытия на основе ПВХ при различных скоростях нагрева в атмосфере воздуха
Используя релаксационный подход [8,11,12] определены кинетические параметры дымо-образования в области температуры самовоспламенения для напольного покрытия марки «Мода-602» при скоростях нагрева 5,10,15,20,25 градусов в минуту с помощью предложенной зависимости (1).
В качестве характерной температуры ды-мообразования Tнd использовалась температура самовоспламенения (тления) Тс.в., которая определялась по дериватограммам на рис. 1. в соответствии с релаксационной теорией [8, 11, 12].
С доверительной вероятностью 0,95 значение величины Ed находится в интервале (78,7±1,95) КДж/моль, а среднее значение величины К0 равно (5,67 ±0,4) . 109.
ВЫВОДЫ
-
1. Исходя из релаксационных представлений о механизме термодеструкции, предложены уравнения для вычисления кинетических параметров при совместном использовании дериватографии и определения коэффициента дымообразования согласно ГОСТ 12.1.044-89.
-
2. Уравнения апробированы при определении кинетических параметров дымообразования напольного покрытия на основе ПВХ марки «Мода-602», это позволяет определять кинетические
параметры при больших скоростях нагрева в условиях пожарных нагрузок и изменения управляемых величин [12].
Список литературы Анализ дымообразующей способности напольных покрытий на основе поливинилхлорида в условиях пожара
- Н.А. Халтуринский, А.В. Голованов, М.Н. Попова, Е.В. Соловьева, Ю.А. Пелевин/Материалы из вторичного ПВХ пониженной горючести//Материалы Седьмой Международной научной конференции «Полимерные материалы пониженной горючести». -Таганрог: ЮФУ, 2013. С.137-140.
- Батчер Е., Парнэлл А. Опасность дыма и дымозащита. М.: Стройиздат, 1983. -153 с.
- Дымообразующая способность древесных материалов при поверхностном модифицировании элементорганическими соединениями/Е.Н. Покровская, А.А. Кобелев, Ф.А. Портнов, Д.А. Корольченко//Материалы Седьмой Международной научной конференции ”Полимерные материалы пониженной горючести”. Таганрог: ЮФУ, 2013. С.182-186.
- ГОСТ 12.1.044-89 ССБ Пожаровзрывобезопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения.
- Чалая Н. М. Производство продукции из ПВХ -реальность и перспективы: обзор матер. науч.-практич. семинара//Пластические массы. 2006. № 1. С. 4-7.
- Баратов А.Н. и др. Пожарная опасность строительных материалов. М.: Строиздат, 1988.-380 с.
- Гуткович С.А. Особенности получения и применения поливинилхлорида с различными физико-химическими характеристиками. Автореф. докт. … техн. наук. 02.00.06 «Высокомолекулярные соединения» Москва, 2011. 43 с.
- Исаков Г.Н., Дегтярь Р.А. Релаксационный анализ закономерностей гетерогенного зажигания полимеров при радиационно-конвективном теплообмене//Физика горения и взрыва.1989. Т.25. №4.С.3-8.
- Producing of linoleum with improved physical and mechanical properties/G.F. Aminova, A.I. Gabitov, A.R. Maskova, B.R. Khusnutdinov, L.K. Abdrakhmanova, R.F. Nafikova//Oil and Gas Business: electronic scientific journal. 2013. N.6. p.508-537.
- Берг Л.Г. и др. Практическое руководство по термографии. Изд-во Казанского университета, 2012. 224 с.
- Исаков Г.Н., Белявская Д.В., Манаева А.Р. Определение характеристик пожарной опасности материалов на основе ПВХ методом релаксационного анализа//Полимерные материалы пониженной горючести: материалы седьмой международной научной конференции (7-10 октября 2013 г.). Таганрог: ЮФУ, 2013. С.213-216.
- Исаков Г.Н. Тепломассоперенос и воспламенение в гетерогенных системах. Новосибирск: Издательство СО РАН, 1999. 142 с.
- Исаков Г.Н., Манаева А.Р. Исследования процесса стеклования напольных покрытий на основе поливинилхлорида//Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" 2014. Выпуск № 6 (58). С.1-6. URL: http://ipb.mos.ru/ttb (дата обращения 03.04.2015)