29._KUCHARCZYK Wojciech_PO FORM

Wojciech KUCHARCZYK
Politechnika Radomska
Wydział Mechaniczny, Instytut Budowy Maszyn
e-mail: [email protected]
ABLACYJNE ZUŻYWANIE POLIMEROWYCH KOMPOZYTÓW
PROSZKOWYCH DO ZASTOSOWAŃ NA TERMOOCHRONNE
OSŁONY AUTONOMICZNE
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badań ablacyjnego zużywania
fenolowo-formaldehydowych kompozytów z napełniaczami proszkowymi (korundem
Al2O3 oraz proszkiem węgla C) do termoochronnych zastosowań na osłony
autonomiczne. Opisano jakościowy i ilościowy wpływ zmiennych fazowych składów
kompozytów na badane właściwości ablacyjne: ablacyjny ubytek masy
Ua oraz temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki izolującej ts.
ABLATIVE WASTE OF POLYMER PULVERACEOUS COMPOSITES
APPLIED ON THERMO-PROTECTIVE AUTONOMIC SHIELDS
Summary. The paper reports results of studies on ablative waste of thermo-protective
polymer composites with powder fillers. Phenol formaldehyde resin was filled with
a mixture of corundum (Al2O3) and carbon (C) powders to produce composites used
to thermo-protective autonomic shields. The composites were treated with hot
combustion gases to detect the temperature profiles across the studied samples (cubes
10 x 25 x 35 mm) and their mass waste Ua during ablation processes. Carbonization of
the resin matrix was observed.
1. WSTĘP
Celem badań ablacyjnego zużywania kompozytów fenolowo-formaldehydowych
z wybranymi napełniaczami proszkowymi było opracowanie i zweryfikowanie założeń
do konstytuowania osłon autonomicznych do zabezpieczania urządzeń funkcjonujących
w warunkach zagrożenia pożarowego lub krótkotrwałego intensywnego oddziaływania
Ablacyjne zużywanie polimerowych kompozytów ...
243
strumienia cieplnego, będących skutkami np. zamachów terrorystycznych (1995 – Murrah
Federal Building w Oklahoma City, 2001.09.11 – WTC w Nowym Yorku) lub wybuchów
materiałów łatwopalnych (pożary w tunelach pod Alpami: św. Gottharda, św. Bernarda, tunelu
pod Mont Blanc w latach 1999 do 2001).
Według zaleceń ITA (International Tunneling Association) osłony ognioodporne stosowane
w systemach przeciwpożarowych tuneli, powinny ograniczyć wzrost temperatury betonu do 350 °C
oraz uchronić go przed łuszczeniem i odłupywaniem się, a zastosowane w konstrukcjach elementy
stalowe nie mogą przekroczyć temperatury 300 °C, powyżej której występuje drastyczny spadek
wytrzymałości na rozciąganie i sztywności stali [1].
Systemy przeciwpożarowe pozwalają na zapobieganie i przeciwdziałanie rozprzestrzenianiu
się strefy ognia. Ogień można szybko stłumić aktywnymi środkami przeciwpożarowymi (np.
z użyciem spryskiwaczy wodnych lub poprzez nadmuch dwutlenku węgla), ale nawet
początkowa faza rozwoju typowego pożaru zazwyczaj powoduje nagły wzrost temperatury, która
już po 2 minutach może przekroczyć wartość 350 °C [2].
Pożar powoduje gwałtowną zmianę środowiska w budynku (tunelu) lub jego części.
Środowisko to oddziałuje na użytkowników, wyposażenie i konstrukcję nośną budowli.
Rozpatrując oddziaływania pożaru należy wyodrębnić [3]:
1. Oddziaływania na użytkowników:
• termiczne (promieniowanie i konwekcja);
• zmianę składu atmosfery (inhalacja toksycznymi produktami rozkładu termicznego
i spalania, obniżone stężenie tlenu i ograniczenie widzialności);
2. Oddziaływanie na konstrukcję:
• termiczne, przez promieniowanie, konwekcje i przewodzenie;
• chemiczne (korozyjne produkty spalania).
W dokumentach Unii Europejskich oraz w warunkach technicznych, jakim powinny
odpowiadać budowle i ich usytuowanie, obiekty budowlane powinny być zaprojektowane
i wykonane w taki sposób, aby w przypadku pożaru [3]:
• przez założony okres była zapewniona nośność konstrukcji;
• było ograniczone powstanie i rozprzestrzenianie się ognia i dymu w obiektach;
• było ograniczone rozprzestrzenianie się ognia na obiekty sąsiednie;
• ludzie mogli opuścić obiekt lub być uratowani w inny sposób;
• był zapewniony odpowiedni poziom bezpieczeństwa ekip ratowniczych.
Powyższe wymagania szczegółowe nie są rozłączne, ponieważ możliwość opuszczenia
budynku wiąże się z nośnością konstrukcji, rozprzestrzenianiem się ognia i dymu wewnątrz
obiektu, jak i z bezpieczeństwem ekip ratowniczych.
Zapewnienie w określonym czasie, nośności konstrukcji jest podstawowym warunkiem
uzyskania pożądanego poziomu bezpieczeństwa pożarowego. Wartość czasu tk, może być
244
W. Kucharczyk
określona w różny sposób wynikający ze sposobu użytkowania budynku. Może to być
np. czas niezbędny do ewakuacji użytkowników, czy rozpoczęcia akcji gaśniczo-ratowniczej.
W niektórych przypadkach np. budynków wysokościowych lub szpitali, z których całkowita
ewakuacja nie jest możliwa, czas ten może obejmować cały okres trwania pożaru [3].
Dobre właściwości termoochronne (ognio- i termozaporowe) z użyciem kompozytowych
osłon polimerowych można uzyskać stosując typowe osnowy kompozytów ablacyjnych (żywice
fenolowe, epoksydowe, silikonowe, melaminowe) z napełniaczami (lub nanonapełniaczami)
zwiększającymi stabilność cieplną kompozytu [4, 5].
2. BADANIA WŁASNE
Na
osnowę
osłon
autonomicznych
wybrano
żywice
fenolowo-formaldehydowe:
Modofen 54S oraz Nowolak MR. Próbki fenolowo-formaldehydowe formowano pod naciskiem
0,4 MPa i utwardzano bezciśnieniowo w temperaturze 150 °C w czasie 1 h. Właściwości
ablacyjne żywic modyfikowano dodając wysokotopliwe napełniacze sypkie (korund Al2O3
oraz pył węglowy C).
Skład fazowy próbek oraz liczba wykonywanych doświadczeń (N = 8) zostały ustalone
na podstawie przyjętego planu badań doświadczalnych, tj.: ortogonalnej macierzy
pełnoczynnikowej I rzędu typu 23 z powtórzeniami (tabl. 1). [6]
Trzema zmiennymi niezależnymi xi (parametrami wejściowymi), o wartościach dwu
poziomów kodowych ± 1 (poziom górny „+” oraz poziom dolny „–”, tabela 1) były udziały
komponentów kompozytu:
x1 - udział masowy materiału osnowy (Modofen 54S + Nowolak MR) [%];
40 % (+) i 20 % (–),
∆x1 = 10 %;
x1(śr) = 30 %;
x2 - udział masowy Modofenu 54S do sumy mas obu żywic (Modofen 54S + Nowolak MR) [%];
70 % (+) i 30 % (–),
∆x2 = 20 %;
x2(śr) = 50 %;
x3 - udział masowy korundu Al2O3 do sumy mas napełniaczy (Al2O3 + C) [%];
80 % (+) i 60 % (–),
∆x2 = 10 %;
x3(śr) = 70 %;
Funkcją obiektu badań był średni względny ablacyjny ubytek masy Ua [%] obliczany jako
różnica mas próbek przed i po próbach oddziaływania strumienia gazów palnych odniesiona
do mas początkowych. Składy fazowe (wraz z zapisem w zmiennych kodowych) kompozytów
polimerowych, o nadanych numerach porządkowych 1 ÷ 8, przedstawiono w tabeli 1.
Próbki ablacyjne (kostki 10 x 25 x 35 mm) umieszczono w osłonie z ogniotrwałej płyty
kartonowo-gipsowej, gdzie były poddawane oddziaływaniu ustabilizowanego strumienia
gazów palnych przez 120 s. Źródłem ciepła było spalanie gazu MAPP (skroplonej,
Ablacyjne zużywanie polimerowych kompozytów ...
245
ustabilizowanej i jednorodnej mieszaniny składającej się w 56 % objętości z ropy naftowej
oraz 44 % objętości z metyloacetylenu-propadienu CH3C:CH) firmy Berenzomatic, dającego
temperaturę płomienia 2100 ºC. Płomień stabilizowano w dyszy palnika typu JT539T tejże
firmy. Oś palnika umieszczono prostopadle, w osi największej powierzchni próbki, a wylot
jego dyszy w odległości 30 mm od powierzchni ablacyjnej. Dzięki takiemu ustawieniu
i stabilizacji płomienia w dyszy palnika na całej powierzchni próbki uzyskano prawie
jednakową wartość temperatury powierzchni ablacyjnej tpa w całym obszarze oddziaływania
płomienia gazów palnych.
Tabela 1
Zapis zmiennych kodowych i rzeczywiste udziały masowe komponentów
Numer
Osnowa Modofen Nowolak
x1
x2
x3
Al2O3 [%]
próby
[%]
54S [%] MR [%]
1
–
–
–
20
6
14
48
2
+
–
–
40
12
28
36
3
–
+
–
20
14
6
48
4
+
+
–
40
28
12
36
5
–
–
+
20
6
14
24
6
+
–
+
40
12
28
48
7
–
+
+
20
14
6
24
8
+
+
+
40
28
12
48
gdzie: „– „ poziom dolny zmiennej kodowej, „+” poziom górny zmiennej kodowej
C [%]
32
24
32
24
56
12
56
12
W trakcie prób dokonywano w sposób ciągły pomiarów temperatury powierzchni
ablacyjnej tpa(τ) oraz temperatury tylnej powierzchni ścianki próbki ts(τ) i rejestrowano
je przy użyciu oprogramowania DASYLab 90 oraz Compact Connect. Temperaturę
powierzchni ablacyjnej tpa rejestrowano używając pirometru optycznego OPTCT2MHCF
firmy Optris GmbH, a temperaturę tylnej powierzchni ścianki próbki ts mierzono stosując
termo-element typu TP-204N (NiCrSi-NiSi), produkcji Czaki Thermo-Produckt oraz moduł
pomiarowy USB-4718 firmy Advantech.
W wyniku badań ablacyjnych ustalono: ablacyjny ubytek masy Ua [%] (pomiary posłużyły
do określenia równania funkcji obiektu badań (1)) oraz temperaturę tylnej powierzchni
ścianki próbki izolującej ts [oC]. Temperatura powierzchni ablacyjnej tpa była, pośrednio,
parametrem wejściowym badań, stanowiąc warunek graniczny pierwszego rodzaju Dirchleta
(określony przez rozkład temperatury na powierzchni ciała w każdej chwili), umożliwiającym
w przyszłości rozwiązanie równania różniczkowego nieustalonego przewodzenia ciepła w ciałach
stałych Fouriera-Kirchhoffa.
Wartości średnie wyników prób ablacyjnych: maksymalnej temperatury powierzchni
ablacyjnej tpa, końcowej temperatury tylnej powierzchni ścianki próbki ts oraz głównego
parametru – funkcji obiektu badań: ablacyjnego ubytku masy Ua przedstawiono w tabeli 2,
a ich graficzną interpretację na rysunkach 1 ÷ 3.
246
W. Kucharczyk
Tabela 2
Wyniki ablacyjnego zużywania kompozytów
Parametr
Max. temperatura tpa [oC]
Max. temperatura ts [oC]
Ubytek masy Ua [%]
1
1146
52,0
13,5
2
1046
53,6
13,0
3
1101
60,9
11,3
Numer doświadczenia
4
5
6
1115
1124
1069
52,1
67,7
52,4
15,5
9,7
12,4
Rys.1. Temperatura powierzchni ablacyjnej tpa
Fig.1. Temperature of ablative surface tpa
Rys.2. Temperatura tylnej powierzchni ścianki ts w czasie badań ablacyjnych
Fig.2. The backside temperature of specimen ts during ablation tests
7
1054
89,0
10,7
8
1110
46,7
9,8
Ablacyjne zużywanie polimerowych kompozytów ...
247
Rys.3. Ablacyjny (erozyjny) ubytek masy Ua kompozytów po próbach
Fig.3. The ablation (erosion) mass waste Ua of composites after the tests
W oparciu o wyniki jednostkowych pomiarów ablacyjnego ubytku masy Ua obliczono
[6]: współczynniki regresji bi funkcji obiektu badań (1); błąd doświadczenia s ( y ) = 0,32 oraz błąd
wyznaczenia współczynników regresji s(bi) = 0,11; a także dla przyjętego rozkładu t-Studenta
i przedziału ufności αp = 0,05 – próg istotności współczynników regresji bistot ≥ bi = 0,26 . Zgodnie
z przeprowadzonymi obliczeniami statystycznymi równanie funkcji obiektu badań Ua przyjmuje
postać:
Ua = 11,96 + 0,82x1 – 1,23x3 – 0,36 x1x3 – 0,35 x2x3
(1)
Największy wpływ na zużycie ablacyjne kompozytu ma udział rodzaj zastosowanego
napełniacza proszkowego (współczynnik b3) – im wyższa zawartość tlenku aluminium Al2O3
(czyli mniejsza zawartość pyłu węglowego C), w tym mniejszy erozyjny ubytek masy
kompozytu po 120 s oddziaływania strumienia gazów palnych. Zależność ta jest tym bardziej
istotna, że sprawdza się także dla wyższych zawartości osnowy (interakcja b13).
Jeżeli jednak zwiększony zostanie udział osnowy do 40 % i równocześnie wzrośnie
zawartość tlenku aluminium Al2O3, a zmniejszy się udział pyłu węglowego C, to kompozyt
fenolowo-formaldehydowy ulegnie w mniejszym stopniu erozyjnemu zużyciu w warunkach
próby ablacyjnej (ujemna wartość b13).
Znaczny wpływ na ablacyjne zużycie warstwy wierzchniej, wyrażone w równaniu funkcji
odpowiedzi wartością współczynnika regresji b1, ma także masowy udział osnowy
kompozytu. Znak ,,+’’ przed wartością współczynnika b1 oznacza, że wraz ze zwiększeniem
248
W. Kucharczyk
udziału osnowy do poziomu 40 % wzrasta ablacyjne zużycie kompozytów fenolowoformaldehydowych.
Nieistotne, z punktu statystycznego opracowania danych jest, której z żywic użytych
na osnowę jest w kompozycie więcej – czy lepiszcza (Nowolaku MR), czy zwilżacza ziaren
(Modofenu 54S) – świadczy o tym znikoma wartość współczynnika b2.
Jednakże, na zmniejszenie ubytku masowego wpływa równocześnie użycie większej
zawartości żywicy zwilżającej ziarna napełniacza (Modofenu 54S) oraz wyższej zawartości
trudnotopliwego korundu Al2O3, a mniejszej pyłu węglowego C (znak ujemny przed
współczynnikiem b23).
Poszukiwane były takie składy fazowe, dla których ablacyjne zużycie kompozytu było
najmniejsze (co jest cechą istotną z punktu widzenia stabilności termicznej i spójności
materiału stosowanego na termoochronne osłony autonomiczne) oraz temperatura końcowa
tylniej powierzchni ścianki próbki izolującej była najniższa (co gwarantują dobre własności
termoochronne kompozytu). Oba te warunki spełnia próbka o składzie fazowym nr 8,
zawierająca 40 % osnowy o większej masowej zawartości Modofenu 54S (28 %)
niż Nowolaku MR (12 %) i o 48 % udziale tlenku aluminium Al2O3 oraz 12 % udziale pyłu
węglowego C.
Po 120 s oddziaływania strumienia gazów palnych i temperaturze powierzchni ablacyjnej
1110 oC, temperatura tylniej powierzchni ścianki próbki nr 8 wyniosła tylko 47 oC
(i jest to najniższa wartość z wszystkich 8 składów fazowych), a jej ablacyjny (erozyjny)
ubytek masy nie przekraczał 9,8 % (i jest to tylko o 0,1 % wyższe zużycie niż próbki nr 5
o najmniejszym ubytku masy).
3. WNIOSKI
1. Zarówno analiza statyczna wyników badań ablacyjnego ubytku masy Ua, jak i ocena
zmiany temperatury tylniej powierzchni ścianki izolacyjnej, świadczą o tym, że najlepsze
ablacyjne własności termoochronne kompozytów fenolowo-formaldehydowych
do zastosowań na osłony autonomiczne zabezpieczające przed awaryjnym oddziaływaniu
strumienia gazów palnych, mają próbki o wysokim udziale żywic (40 %), zawierające
większe ilości zwilżacza ziaren (Modofen 54S) niż lepiszcza (Nowolak MR) i wyższe
zawartości korundu Al2O3 niż pyłu węglowego C.
2. Większe zużycie ablacyjne kompozytu z wysoką zawartością żywic fenolowoformaldehydowych można wyjaśnić tym, że to polimery są podstawowym materiałem
ablacyjnym. To one w procesie ablacji ulegają intensywnemu rozkładowi, odbierają ciepło
Ablacyjne zużywanie polimerowych kompozytów ...
249
strumienia gazów palnych i tym samym wpływają na zachowanie niższej temperatury
tylniej powierzchni ścianki próbki izolującej ts.
3. Dużą stabilność termiczną i spójność warstwy ablacyjnej osłon z proszkowych
kompozytów fenolowo-formaldehydowych można uzyskać dla niższej zawartości osnowy
(20 %). Dla takich składów fazowych rejestruje się, co prawda, mniejszą wartość
ablacyjnego ubytku masy, ale jednocześnie wzrost temperatury tylniej powierzchni ścianki
próbki izolującej – co z punktu widzenia własności termoizolacyjnych jest niekorzystne.
4. Odpowiednio dobrane proszki napełniaczy modyfikujące ablacyjne właściwości
termoizolacyjne fenolowo-formaldehydowych osłon termoochronnych mogą znacząco
wpłynąć zarówno na proces ablacyjnego zużywania osłony jak i na jej stopień
zabezpieczenia termoizolacyjnego.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Haack A.: Latest achievements and perspectives in tunnel safety. 30nd ITA - World Tunnel
Congress. Singapore. 22 ÷ 27 May 2004.
Federal Emergency Management Agency: World Trade Center Building Performance
Study: Data Collection, Preliminary Observation, and Recommendation. FEMA
403(2002). New York.
Półka M., Koniecki M.: Parametry krytyczne pożaru jako wyznaczniki bezpieczeństwa
pożarowego. Polski Przemysł Medycyny Lotniczej, 4(2008)14.
Kucharczyk W., Opara T., Kula P.: Termoochronne zabezpieczenia infrastruktury
polimerowymi kompozytami proszkowymi o właściwościach ablacyjnych. Biuletyn
WAT. Vol. LVII 3 (651) 2008. 315 ÷ 327.
Praca zbiorowa. Red. Wróbel G: Polimery i kompozyty konstrukcyjne 2009. Kucharczyk W.:
Badania i analiza ablacyjnych właściwości polimerowych kompozytów proszkowych.
Wyd. Logos Press. Cieszyn 2009. 40 ÷ 47.
Polański Z.: Planowanie doświadczeń w technice. PWN. Warszawa 1984.