Tworzywa sztuczne w pożarze
Transkrypt
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