Теоритические основы огнезащиты пластмасс.

Содержание

1. Теоретические основы огнезащиты пластмасс. Химические и физические способы. Виды антипиренов._______________  2
2. Сходство и различия искусственных и природных каменных материалов по основным свойствам и поведению в условиях пожара. _____________________________________________6
3. Задача_______________________________________________14

Список использованной  литературы.___________________16

1Теоретические  основы огнезащиты пластмасс.  Химические и физические способы.  Виды антипиренов.

   Пластмассы – это  композиционные материалы, в которых  в качестве вяжущего вещества  используют полимерные смолы  (высокомолекулярные химические  соединения).

   Достоинства: неограниченность  сырьевых ресурсов; возможности  получения материалов с заранее  заданными свойствами; высокая удельная  прочность; хорошая технологичность  при производстве изделий; высокая  химическая прочность; хорошие  электроизоляционные, гидро-, звуко-, и теплоизоляционные свойства; лёгкость обработки соединений; хорошие декоративные качества; стойкость к низким температурам.

   Недостатки: малый  модуль упругости; большой коэффициент  температурного расширения; повышенная  ползучесть; способность к старению; малая теплостойкость; повышенная  пожарная опасность.

    По происхождению  сырья полимеры подразделяются  на природные, искусственные (модифицированные) и синтетические.

     По отношению  к нагреванию полимеры делятся  на термопластичные и термореактивные.

     По составу основной цепи макромолекул полимеры делятся на карбоцепные (построены только из углеродных атомов) и гетероцепные (кроме атомов углерода имеются атомы кислорода, азота, серы, фосфора,; элементоорганические, содержащие кремний, бор, алюминий, титан, никель – элементов, не входящих в состав природных органических соединений).    Наполнители, добавляемые в пластмассы: порошковые; волокнистые (стекловолокно, асбестоволокно, древесное волокно); слоистые; крошкообразные.

    В целях снижения  пожарной опасности пластмасс  в их состав вводят антипирены (добавки снижающие горючесть), а  также добавки, уменьшающие дымовыделение и образование токсичных продуктов при горении.

    Основные виды  полимеров, используемые при производстве  строительных пластмасс (их вид  и химический состав, исходные  вещества для получения, внешний  вид, применение в строительстве):

 класс А – синтетические полимеры цепной полимеризации;

 класс Б – синтетические полимеры конденсационные или ступенчатой полимеризации;

класс В – химически модифицированные природные полимеры;

класс Г – природные  и нефтяные асфальты и смолы.

    Особенности поведения  пластмасс при пожаре характеризуются  негативными процессами в них  при пожаре:

 физическими (теплоперенос, тепловое деформирование, накопление дефектов, структурные изменения, уменьшение объёмной массы, размягчение, плавление);

 химическими (термическое разложение); физико-химическими (самовоспламенение, воспламенение, горение, распространение пламени, дымовыделение).

   Эти процессы приводят  к ухудшению свойств, необратимым  деформациям, разрушению изделий,  выгоранию.

  Для предотвращения  или торможения горения материала  (а также процессов дымовыделения, образования токсичных продуктов горения) применяют физические и химические методы.

 Физические методы:

 замедление подвода  тепла к материалу за счёт  теплоизолирующего экранирования  его поверхности;

 охлаждение зоны горения  в результате увеличения отводов  тепла в окружающую среду; 

ухудшение условий переноса реагентов (горючих паров, газов  и кислорода) к фронту горения (создание физического барьера между материалом и окисляющей средой).

 Химические методы:

    целенаправленные  изменения структуры материала,  соотношения и состава его  материала; 

    воздействие химических  реагентов – ингибиторов газофазных реакций горения;

    воздействие химических  реагентов, влияющих на твёрдофазные процессы пиролиза.

    Дымоподавление может происходить при введении в состав полимеров гидратированных минералов, которые разлагаясь выделяют влагу, адсорбирующую частицы дыма.

 Снижение выхода токсичных  продуктов осуществляют:

 путём простого разбавления;

 изменением хода реакций  пиролиза и горения, в результате  чего увеличивается выход инертных  веществ;

 путём поглощения и  связывания токсичных компонентов.

    Огнезащита полимерных  материалов основывается на уменьшении  скорости газификации и снижения  количества образующихся горючих  продуктов следующими методами:

   введением инертных  наполнителей;

   введением антипиренов;  нанесением огнезащитных покрытий

    Огнезащита предназначена  для повышения фактического предела  огнестойкости конструкций до  требуемых значений и для ограничения  предела распространения огня  по ним, при этом обращается  внимание на снижение так называемых  побочных эффектов (дымообразования, выделения газообразных токсичных веществ).

   Эту задачу выполняют  путем использования теплозащитных  и теплопоглощающих экранов, специальных  конструктивных решений, огнезащитных  составов, технологических приемов  и операций, а также применением  материалов пониженной горючести.

    Огнезащитное  действие экранов основывается  либо на их высокой сопротивляемости  тепловым воздействиям при пожаре, сохранении в течение заданного  времени теплофизических характеристик  при высоких температурах, либо  на их способности претерпевать  структурные изменения при тепловых  воздействиях с образованием  коксоподобных пористых структур, для которых характерна высокая изолирующая способность.     Расположение огнезащитных экранов может осуществляться либо непосредственно на поверхности защищаемых конструктивных элементов, либо на откосе с помощью специальных мембран-коробов, каркасов, закладных деталей.

    Огнезащита предусматривает  применение конструктивных методов,  использование теплозащитных экранов  из облегченных составов, наносимых  на поверхность конструкций высокопроизводительными  индустриальными методами, разработку  материалов, обладающих свойствами  пониженной пожарной опасности  (трудновозгораемостью).

    Вне зависимости  от типа, полимерные строительные  материалы нельзя перевести в  разряд негорючих, но возможно  снизить их пожарную опасность.   Для этого применяются антипирены  – различные вещества, которые  способствуют повышению огнестойкости.  Антипирены для полимерных материалов  можно разделить на три большие  группы.

     В первую  входят вещества, осуществляющие  химическое взаимодействие с  полимером. Эти антипирены применяются  преимущественно для реактопластов,  без ухудшения их физико-химических  свойств.

    Вторая группа  антипиренов – интумесцентные добавки – под воздействием пламени образует на поверхности материала вспененный ячеистый коксовый слой, препятствующий горению.

    И, наконец,  третья группа – это вещества, которые механически смешиваются  с полимером. Их используют  для снижения горючести как  термопластов, так реактопластов  и эластомеров.                              

2 Сходство и  различия искусственных и природных  каменных материалов по основным  свойствам и поведению в условиях  пожара.

Для прогнозирования и  регулирования поведения каменных
материалов в условиях пожара необходимо знать их происхождение
(сущность технологии изготовления), состав, структуру, свойства, т.е.
комплекс внутренних факторов, влияющих на поведение материала в
условиях пожара.

  Учитывая, что ряд  искусственных каменных
материалов (например, тяжелый бетон) могут представлять собой композицию из неорганического вяжущего вещества и заполнителя в виде измельченной горной породы, их поведение в условиях пожара будет зависеть как
от автономного поведения составляющих их компонентов, так и от их взаимодействия.

  Поэтому представляется  целесообразным лишь после ознакомления  с отдельными простыми материалами  и их поведением в условиях
пожара рассмотреть более сложные материалы — конгломераты.

Особенности состава, строения и свойств
природных каменных материалов

    Природные (естественные) каменные материалы получают  из недр
земли путем добычи и обработки горных пород, придавая определенную
формуй рациональные размеры, но не изменяя их внутреннего строения,
состава, а, следовательно, и свойств.

 Горные породы состоят  из породообразующих минералов.  Основные виды породообразующих  минералов Минералами называют  неорганические природные вещества.

    К числу
главных породообразующих минералов относятся кремнезем, глинозем, алюмосиликаты, железисто-магнезиальные силикаты, карбонаты, сульфаты.

    Кремнезем —  Si02 — встречается в виде кварца, который входит в состав горных  пород - гранита, пемзы, кварцевого  песка и др.

   Кварц способен  при повышении температуры претерпевать  модификационные (структурные) изменения .

    Глинозем - AljOj - встречается в виде корунда. Корунд
имеет высокую температуру плавления — 2020°С и используется для получения высокоогнеупорных материалов.

 Глинозем встречается  в виде химических
соединений с водой, с кремнеземом и другими оксидами, например, диаспор —
моногидрат глинозема А1203-Н20 входит в состав бокситов, используемых как
сырье для производства глиноземистого цемента и алюминия.

  Алюмосиликаты — соединения глинозема и кремнезема с другими
веществами образуют в частности полевые шпаты: калиевый полевой шпат,
натриевый полевой шпат, кальциевый полевой шпат .

    Они
встречаются в свободном состоянии, а также входят в состав горных пород,
например, гранита, базальта. Применяют полевые шпаты в качестве облицовочного камня.

    Слюды - водные алюмосиликаты, например: калиевая слюда (мусковит), железисто-магнезиальная слюда (биотит).

   В результате окисления и
гидратации биотита образовался вермикулит - гидрослюда - при нагревании и дегидратации увеличивается в объеме в 18-25 раз.

   Это свойство
используют при производстве теплоизоляционных материалов, огнезащитной силикатной краски СКЛ.

   Каолинит — водный алюмосиликат — основной компонент глин.

  Железисто-магнезиальные силикаты.

 Представитель их - оливин,
который преобразовался в серпентинит: одна из его разновидностей —
ризотиласбест — имеет волокнистое строение. Хризотиласбест используют в асбестоцементной промышленности и в производстве теплоизоляционных материалов.

 Карбонаты.

 Важнейший минерал  этой группы — кальцит СаС03 является основой горных пород:  известняка, мергеля, мрамора. Сульфатные  минералы (сульфаты). Наиболее распространённый
представитель - гипс.

Основные виды горных пород

      Горными  породами называют природные  композиции минералов
приблизительно постоянного минералогического и химического составов,
образующие самостоятельные геологические тела, составляющие земную
кору.

     Различают  мономинеральные горные породы  — из одного минерала
и полиминеральные горные породы - из нескольких минералов.

   По геологическому  происхождению горные породы  делятся на три группы: первичные  или изверженные, вторичные или  осадочные, метаморфические. Эти
группы делятся на ряд подгрупп. Изверженные горные породы (гранит, базальт и др.) образовались в
результате вулканической деятельности из застывшей магмы.

 Гранит — это
полиминеральная горная порода, состоящая из калиевого полевого шпата40...70%, кварца 20...40%, слюды 5.„20%.

  Базальт состоит из  полевых шпатов — до 50%, оливина  и небольших
вкраплений вулканического стекла .

При извержениях вулканов вместе с расплавленной магмой выбрасывается  большое количество рыхлого и  порошкообразного материала —
обломочные породы, которые в свою очередь делятся на рыхлые - вулканический пепел, пемза, перлит и уплотненные - вулканический туф.

Пемза — (пористость до 80%) состоит  из кремнезема до 70% и глинозема до 15%.

Перлит состоит из кремнезема. При нагреве до 1000-1200°С увеличивается в объеме в 10-20 раз, в связи с чем применяют для теплоизоляционных материалов.

 Вулканический туф  образовался в результате уплотнения  вулканического пепла (П = 40-70%, X = 0,21...0,33 Вт/м °С)

  Осадочные горные породы образовались в результате разрушения
первичных горных пород: глины, песка, гравия, песчаника, гипса,
известкового туфа, мела, мергеля. 

Глина образовалась из калиевого  полевого шпата. Она состоит из
каолинита с примесями.

Песок образовался в результате разрушения различных горных пород. Гипс — горная порода, состоящая  из минерала того же названия.

Известняк — мономинеральная  горная порода, состоящая главным
образом из кальцита CaCOj.

Мергели - природная смесь  известняка и глины - готовое сырье
для производства портландцемента (содержит 50-80% СаС03 и МдС03, от 20
до 50% глин).

   Метаморфические горные породы образовались в результате изменений изверженных и осадочных горных пород под высокими давлениями
и температурами, имеют высокую объемную массу и прочность, например,
мрамор, образовавшийся из известняков.

   Достоинствами природных каменных материалов являются высокая
прочность, долговечность, водостойкость и морозостойкость, хорошие декоративные качества. К недостаткам можно отнести
малое временное сопротивление растяжению и изгибу, большая объемная
масса. Указанные качества определяют область применения природных
каменных материалов в строительстве.

. Основные виды искусственных каменных
материалов, их характеристики и особенности

    Искусственные  каменные материалы бывают безобжиговые и получаемые обжигом.

    Первые (бетоны, асбестоцемент,  силикатные материалы)
изготовляют соединением минерального вяжущего вещества с водой и заполнителем из природных каменных материалов в процессе соответствующей технологической обработки (механической, тепловой, влажностной).


   Вторые получают  путем обжига сырья из природных  каменных материалов при высоких  температурах (керамические) либо нагрева  сырья до расплавления (каменное  литье, минеральные расплавы) с  последующим охлаждением, сопровождающимся  их затвердеванием.

Неорганические (минеральные) вяжущие вещества делят на две
основные группы:

-воздушные вяжущие —  вещества способные твердеть  после соединения с водой и  сохранять прочность только на  воздухе, например: гипс,
воздушная известь, жидкое стекло;

-гидравлические вяжущие  - вещества, способные после соединения
с водой твердеть и сохранять прочность на воздухе и в воде: портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент, гидравлическая известь
и др.

   Особенности поведения природных каменных
материалов в условиях пожара

 Мономинеральные горные  породы (гипс, известняк, мрамор и  др.)
при нагреве ведут себя более спокойно, чем полиминеральные.

   Они претерпевают  в начале свободное тепловое расширение, освобождаясь от физически связанной влаги в порах материала. Это не приводит, как правило, к
снижению прочности и даже может наблюдаться ее рост при спокойном
удалении свободной влаги. Затем в результате действия химических процессов дегидратации (если материал содержит химически связанную влагу) и
диссоциации материал претерпевает постепенное разрушение (снижение
прочности практически до нуля).

     Полиминеральные горные породы ведут себя в основном аналогично мономинеральным, за исключением того, что при нагреве возникают
значительные напряжения,  обусловленные различными величинами коэффициентов теплового расширения у компонентов, входящих в состав горной породы. Это приводит к разрушению (снижению прочности) материала.

    Рассмотрим особенности  поведения мономинеральных и  полиминеральных горных пород  при нагреве на примере двух  материалов: известняка и гранита.

    Известняк —  мономинеральная горная порода, состоящая из минерала кальцита  СаС03. Нагревание кальцита до 600 °С не вызывает значительных изменений минерала, а сопровождается лишь его равномерным
расширением. Выше 600 °С (теоретическая температура 910 “С) начинается
диссоциация кальцита по реакции СаС03 = СаО + СО,, в результате которой образуются углекислый газ (до 44% по массе от исходного материала)
и рыхлый низкопрочный оксид кальция, что вызывает необратимое снижение прочности известняка.

   При испытании  материала при нагреве, а также
после нагрева и остывания в ненагруженном состоянии. Было установлено, что при нагревании известняка до 600°С происходит увеличение его прочности на 78% в связи с удалением физически связанной
(свободной) влаги из микропор материала.     Затем прочность снижается: при
800°С она достигает первоначальной, а при 1000“С прочность составляет
всего 20% от начальной (до нагрева).

  Следует иметь в  виду, что в процессе охлаждения  большинства материалов после  высокотемпературного нагрева продолжается  изменение
(чаще — снижение) прочности. Снижение прочности известняка до первоначальной происходит после нагрева до 700“С с последующим остыванием
(в горячем состоянии до 800°С).

   Поскольку процесс  диссоциации СаС03 протекает со  значительным
поглощением тепла (178,5 кДж/кг), и образующийся при этом пористый оксид кальция обладает малой теплопроводностью, слой СаО создает на поверхности материала теплозащитный барьер, несколько замедляющий дальнейший прогрев известняка вглубь.

  При контакте с  водой при тушении пожара (либо  влагой из воздуха
после остывания материала) происходит повторно реакция гидратации образовавшейся при высокотемпературном нагреве негашеной извести СаО.
 Образующийся при этом гидроксид кальция увеличивается в объеме и является очень рыхлым и непрочным материалом, который легко разрушается.

     Рассмотрим  теперь поведение гранита при  нагревании.

  Поскольку
гранит — полиминеральная горная порода, состоящая из полевого шпата
кварца и слюды, его поведение в условиях пожара будет во многом определяться поведением этих компонентов.

   Установлено, что  зависимость коэффициента изменения  прочности гранита от температуры  можно условно разделить на  несколько участков, отражающих характер проходящих в граните процессов. После нагревания гранита до 200°С и последующего остывания
наблюдается увеличение прочности на 60%, связанное со снятием внутренних напряжений, возникших в период образования гранита в результате неравномерного охлаждения расплавленной магмы, и разницы величины коэффициентов температурного расширения минералов, составляющих гранит.

   Кроме того, увеличение  прочности в некоторой степени,  видимо, также обусловлено удалением  свободной влаги из микропор  гранита. При температуре выше 200°С начинается постепенное снижение
прочности, которое объясняется возникновением новых внутренних напряжений, связанных с различием коэффициентов термического расширения
минералов.

   Уже значительное  снижение прочности гранита наступает  выше
575°С из-за изменения объема кварца, претерпевающего модификационное
превращение (/5-кварц в а-кварц). При этом в граните невооруженным глазом можно обнаружить образование трещин. Однако суммарная прочность
гранита в рассмотренном температурном интервале еще остается высокой:
при 630°С предел прочности гранита равен начальному значению.

   В диапазоне температур 750...800°С и выше продолжается снижение прочности гранита за счет дегидратации и диссоциации минералов полевого шпата и слюды, а также модификационного превращения кварца
из а-кварца в а-тридимит при 870°С. При этом в граните образуются более
глубокие трещины.

    Предел прочности  гранита при 800°С составляет всего
35% от первоначального значения.

   Установлено, что  скорость прогрева оказывает  влияние на изменение прочности  гранита. Так, при быстром (одночасовом)  нагреве прочность его начинает  снижаться после 200°С, в то время как после медленного (восьмичасового) — лишь с 350°С. 

   Таким образом,  можно сделать вывод, что известняк  (мономинеральная горная порода) является более стойким к нагреванию  материалом,
чем гранит (полиминеральная порода).

  Известняк практически  полностью
сохраняет свою прочность после нагревания до 700°С, гранит — до 630°С и
последующего остывания. Кроме того, известняк претерпевает значительно меньшее температурное расширение, чем гранит.

  Это важно учитывать  при оценке поведения искусственных  каменных материалов в условиях  пожара, в которые гранит и  известняк входят в качестве  заполнителей, например, бетона.

  Также следует учитывать,  что после прогрева до высоких  температур и последующего остывания  природных каменных материалов  их
прочность не восстанавливается.

3. Задание: При испытании образцов полимерного строительного материала на установке «Шахтная печь» получены результаты, приведенные в таблице.

Проведите сравнение  с требуемыми показателями и сделайте вывод, относится ли материал к группе трудносгораемых (трудногорючих) или нет.

Решение

Для решения задачи используем  ГОСТ 30244-94  Методы испытаний на горючесть

Произведем обработку  результатов трех испытаний (определение  параметров горючести).

При обработке результатов  трех испытаний рассчитывают следующие  параметры горючести строительного  материала:

- температуру дымовых  газов; 

- продолжительность самостоятельного  горения; 

- степень повреждения  по длине; 

- степень повреждения  по массе.

Температуру дымовых газов (Т,° С) и продолжительность самостоятельного горения (tc.r, с) определяют как среднее арифметическое значение результатов трех испытаний.

T=(T₁+T₂+T₃)/3=(230+232+228)/3=230^oC

tc.r.= (t₁+t₂+t₃)/3=(26+25+28)/3=26.3 округляем полученное значение до 26.

Степень повреждения по длине (SL, %) определяют процентным отношением длины повреждения образцов к  их номинальной длине и рассчитывают как среднее арифметическое значение этого отношения из результатов  каждого испытания.

SL=(SL₁+SL₂+SL₃)/3=(84+88+81)/3=84.3%

Округляем полученное значение до 84

Степень повреждения по массе (Sm, %) определяется процентным отношением массы поврежденной части образцов к начальной (по результатам одного испытания) и рассчитывается как среднее арифметическое значение этого отношения из результатов каждого испытания.

Sm=(Sm₁+Sm₂+Sm₃)/3=(82+78+78)/3=79.3

Округляем полученное значение до79

Материал следует относить к группе горючести в соответствии с ГОСТ 30244-94 (таблица 1).

По всем параметрам кроме  степени повреждения по массе  подходит группа горючести Г2, но так как степень повреждения по массе составляет 79%>50% то этот строительный материал будет группы горючести Г4.

Материал  не является трудногорючим  так как относится к группе Г4  и является сильногорючим строительным  материалом.

Список использованной литературы:

1.  В. Н.Демёхин. Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре. Учебник. М Академия ГПС МЧС 2003.
2. А. Я. Корольченко. Средства огнезащиты. Справочник. М Пожнаука 2005.
3. Федеральный закон № 123 – ФЗ от 22.07.08. Технический регламент «О требованиях пожарной безопасности». 
4. ГОСТ Р 51032-97 "Материалы строительные. Метод испытания на распространение пламени".
5. ГОСТ 28157-89 "Пластмассы. Методы определения стойкости к горению".
6. ГОСТ 30244—94 Материалы строительные. Методы испытаний на горючесть.