Tworzywa sztuczne w pożarze

ROZPOZNAWANIE ZAGROŻEŃ
Polimery syntetyczne i uzyskane z nich tworzywa mają zróżnicowaną
budowę chemiczną. Wpływa ona w zasadniczy sposób na zachowanie się
tych materiałów w środowisku pożarowym - między innymi na czas
samozapłonu, szybkość wydzielania ciepła i dymu, całkowite ciepło spalania
itp. Materiały polimerowe syntetyczne od momentu wprowadzenia ich na
rynek konsumencki, tj. od około 50 lat, podnoszą jakość naszego życia.
Tworzywa sztuczne w pożarze
st. kpt. dr Marzena Półka
Mogą być mniej kosztownym zamiennikiem
metalu lub innych naturalnych materiałów polimerowych, np. wełny, jedwabiu, skóry czy
drewna. Większość polimerów syntetycznych
ma lepsze właściwości wytrzymałościowe, chemiczne, wizualne w stosunku do polimerów naturalnych i znajduje zastosowanie w zaawansowanych technologiach: elektronice, optyce,
w urządzeniach medycznych, kosmonautyce
oraz lotnictwie. Polimery syntetyczne możemy
odnaleźć również w urządzeniach i przedmiotach codziennego użytku. Trudno wyobrazić
sobie bez nich meble, sprzęt gospodarstwa domowego, zabawki, opakowania.
Materiały polimerowe są zazwyczaj bardzo dobrymi paliwami. Wartości ciepła spalania tworzyw sztucznych są porównywalne do
ciepła spalania typowych paliw: gazu ziemnego, ropy naftowej (tab. l)1.
Znajomość ciepła spalania materiałów palnych jest niezbędna do obliczenia gęstości obciążenia ogniowego budynków oraz wyznaczenia względnego czasu trwania pożaru wg
PN-B-02852:2001.
Spalanie polimerów jest procesem wieloetapowym, w którym występują powiązane ze
Tab. 1. Wartości ciepła spalania wybranych
materiałów polimerowych
Nazwa materiału
Ciepło spalania [MJ/kg]
Celuloza
16,1
Polietylen
46,5
Polipropylen
46,0
Polistyren
41,6
Polichlorek winylu)
20,1
PU (pianki)
24,4
Ropa naftowa
40,5
Węgiel kamienny
40,2
Alkohol etylowy
24,1
Gaz ziemny
44,0
Tab. 2. Maksymalne tem leratury odporności cieplnej wybrany ch polimerów
Rodzaj tworzywa
polimerowego
Maksymalna temperatura
odporności cieplnej [°C]
Bawełna
90
Poliamid
105
Żywice epoksydowe
120
Poliwęglan
130
Poliestry akrylowe
155
Poliestroimidy
Poliimidy
12
180
>180
akcje chemiczne, między którymi często występują wzajemne sprzężenia. Na ich szybkość wpływa temperatura oraz zjawiska fizyczne związane z wymianą ciepła i masy.
W trakcie rozkładu termicznego materiałów
polimerowych wydzielają się gazowe produkty palne (np. metan, etan) lub gazy niepalne,
np. dwutlenek węgla, ciecze, czyli zwykle częściowo rozłożony polimer i związki organiczne o wysokim ciężarze cząsteczkowym, produkty stale - zwęglone pozostałości, popiół
oraz dym. Lotne produkty rozkładu termicznego gromadzą się w pobliżu powierzchni materiału, gdzie mieszają się z tlenem atmosferycznym i tworzą mieszaninę palną. Szybkość
mieszania się tych składników zależy głównie
od dyfuzji tlenu
sobą wzajemnie, złożone zjawiska chemiczne
i fizyczne. O charakterystyce cieplnej polimerów stanowią: odporność cieplna (ang. heat
resistance ) i termostabilność (ang. thermal stability).
Odporność cieplną okreRys. 1. Uproszczony schemat spalania materiałów polimerowych
śla się poprzez podanie
maksymalnej temperatury
polimeru, w której zachowuje on jeszcze swoje użytkowe właściwości mechaniczne, natomiast termostabilność określa temperatura, w której rozpoczyna się destrukcja chemiczna polimeru.
Odporność cieplna „klasycznych" polimerów nie
przekracza na ogól 130°C,
a dla wybranych termoodpornych polimerów może
przekroczyć 180°C (tab. 2)2.
Uproszczony schemat
spalania polimerów przedstawia rysunek.
3. Zapłon lub samozapłon (zapalenie) Można wyróżnić trzy podstawowe etapy
w przypadku spalania płomieniowego polimeru
spalania materiału polimerowego:
W sprzyjających warunkach mieszanina
1. Ogrzewanie materiału polimerowego
Pod wpływem zewnętrznego bodźca ener- palna (produktów lotnych palnych z powiegetycznego (np. płomień, strumień promienio- trzem) może ulec zapaleniu. Zapłon wymuszowania cieplnego) tworzywa termoplastyczne ny produktów lotnych palnych powstaje wtedy,
(po przekroczeniu temperatury mięknięcia) gdy powstałe z rozkładu termicznego gazy
miękną, topnieją, odkształcają się termicznie palne osiągną stężenie w zakresie granic wy- np. polichlorek winylu, polimetakrylan mety- buchowości i wówczas wystarczy dostarczyć
lu. Tworzywa termoutwarTab. 3. Właściwości termiczne i termokinetyczne wybranych polimerów
dzalne - pod wpływem podPoczątkowa Temperatura, Maksymalna
wyższonej temperatury nie
temperatura
przy której wartość szybmiękną, tylko tworzą zwęrozkładu ter- nastąpił 1 % kości wydzieMateriał polimerowy
gloną strukturę (np. utwarmicznego '
ubytek masy lania ciepła '
dzona nienasycona żywica
polimeru
[kW/m ]
[K]
[K]
poliestrowa).
379
488
450
2. Rozkład termiczny Bawełna
lub piroliza materiału Polietylen o dużej gęstości
506
548
1400
polimerowego
Polietylen o matej gęstości
490
591
800
Po przekroczeniu odpo- Polipropylen
531
588
1500
wiedniej temperatury, tj.
Polistyren
436
603
1100
temperatury początku rozPoli(metakrylan metylu)
670
528
555
kładu termicznego w oto167
396
475
czeniu powietrza lub gazu Poli(chlorek winylu) - plastyfikoobojętnego, np. azotu, pró- wany
356
457
180
żni (piroliza), charaktery- Polichlorek winylu) - nie plastyfikowany
stycznej dla danego poli310
413
463
meru (tab. 3)3, następuje Drewno
zmiana składu chemiczne- " początkowa temperatura rozkładu termicznego otrzymana z krzywych
TGA dla próbek materiału - 10 mg, szybkości ogrzewania 10 K/min
go materiału (np. w procesach destrukcji, depolime- 2) w otoczeniu azotu
warunki rozkładu termicznego jak wyżej
ryzacji, degradacji). Proce'" maksymalna wartość szybkości wydzielania ciepła uzyskana w wyniku
sy te przebiegają w fazie
spalania próbek materiału o grubości 6 mm uzyskana z kalorymetru
2
stałej i obejmują liczne restożkowego w ekspozycji cieplnej 40 kW/m
3
1
2
2
Przegląd Pożarniczy-11/2003