CC BY
62
В.А. Уварова
канд. техн. наук, старший научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
В.И. Мурашев
д-р техн. наук, проф., главный научный сотрудник ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622.82.6:662.61
ДЕРИВАТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ ВЕЩЕСТВ И МАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Описано применение метода дериватографии для сертификационных испытаний шахтных материалов с целью определения кинетических параметров процесса термодеструкции, а также проведения процедуры их идентификации как части системы мероприятий, обеспечивающих пожарную безопасность.
Ключевые слова: ДЕРИВАТОГРАФИЯ, ВЕЩЕСТВА, МАТЕРИАЛЫ, ИЗДЕЛИЯ, УГОЛЬНАЯ ШАХТА, ПОКАЗАТЕЛИ ПОЖАРНОЙОПАСНОСТИ, ТОКСИЧНОСТЬ, ДЫМООБРАЗОВАНИЕ, СЕРТИФИКАЦИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ, МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТРЕБОВАНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, ПРОЦЕДУРА ИДЕНТИФИКАЦИИ
В настоящее время термический анализ и, в частности, дериватография, является одним из самых распространенных физико-химических методов исследований. Он позволяет исследовать поведение индивидуальных веществ и композиций в условиях программируемого нагрева. На практике классификация и количественная оценка различных процессов, происходящих при нагревании образцов, осуществляются по кривым тепловыделения или изменения массы при обработке термограмм [1].
Особый интерес представляет определение кинетических параметров этих процессов, а также оценка механизмов их протекания. Сущность исследований с применением дериватографии заключается в том, что в процессе непрерывного программируемого нагрева образца фиксируются происходящие в нем изменения:
• потеря массы (TG), обусловленная выделением летучих компонентов либо протеканием химической реакции с изменением массы образца (например, разложение с образованием летучих продуктов);
• поглощение или выделение тепла РТА) вследствие фазовых переходов (твердое-твердое, жидкость
- газ, твердое-жидкость и др.), адсорбции или химической реакции;
• скорость изменения массы (DTG).
Дериватограф, принципиальная схема которого показана на рисунке 1, используется для проведения дифференциально-термического анализа РТА) и дифференциального термогравиметрического анализа (DTG). С помощью дери-ватографа в одном эксперименте фиксируются кривые Т, TG, DTG и DTA.
Одним из основных элементов де-риватографа являются аналитические весы 6.
На одном плече коромысла аналитических весов 6 жестко закреплена керамическая трубка 5, внутри которой находится платинородиевая термопара 4. На спай термопары надет тигель с исследуемым веществом 3. Рядом расположена аналогичная трубка с дифференциальной термопарой, на спай которой надет тигель с инертным веществом-эталоном 2. Тигли накрываются кварцевыми крышками. При проведении анализа электрическая печь 1 опускается, и тигли оказываются внутри нее.
Печь может быть герметично закрытой, что позволяет проводить исследования в газовой среде или при разрежении. Нагрев печи регулируется программным устройством со скоростью от 0,5 до 24 град/мин, максимальная рабочая температура печи 1000 0С. На другом плече коромысла весов подвешена индукционная катушка 7, способная
1 — электрическая печь; 2 — тигель с эталонным веществом;
3 — тигель с исследуемым веществом (составом); 4 — термопара;
5 — керамическая трубка; 6 — весы; 7 — катушка индуктивности; 8 — магнит;
9 —регистрирующий блок с пишущим устройством;
10 — блок питания и управления нагревом печи; 11 — ввод газа (или вакуумирования);
12 — отвод газообразных продуктов
Рисунок 1- Принципиальная схема дериватографа
перемещаться в поле постоянных магнитов 8. При изменении массы пробы коромысло весов поворачивается, и катушка изменяет свое положение. Напряжение, индуцируемое в катушке и пропорциональное скорости изменения массы, подводится к устройству регистрации, записывающему дифференциальную термогравиметрическую кривую (DTG). Таким же образом регистрируется кривая убыли массы (TG).
Одним из аспектов применения дериватографии, как показано в работах [2-4], является идентификация шахтных материалов как часть системы мероприятий, обеспечивающих пожарную безопасность для целей использования их в подземных условиях.
Под процедурой идентификации принято понимать установление тождественности исходного матери-
ала, поставляемого потребителю, с образцами материала, прошедшего сертификационные испытания. При конфликтных ситуациях или расследовании аварий должна подтверждаться идентичность серийно поставляемого материала с его известным сертифицированным прототипом.
Для идентификации шахтных материалов при определении показателей их пожарной опасности могут
научно-технический журнал № 2-2012
1/6 ВЕСТНИК
быть выбраны основные и дополнительные идентификационные термоаналитические параметры. Кроме того, по отклонению идентификационных параметров образца материала, взятого после определенного периода его эксплуатации в шахтных условиях, от исходного (эталонного) образца можно судить
о степени его износа и изменении пожарно-технических характери-
стик.
Другим аспектом применения де-риватографии является использование этого метода в процессе проведения сертификационных испытаний. Для этого требуется определение ряда критериев пожарной опасности шахтных материалов, таких как показатель токсичности и коэффициент дымообразования, которое проводят в режиме термодеструкции образца.
Одной из главных задач в исследовании процессов термической деструкции используемых в шахте материалов является определение температур, при которых происходит тление и горение образца. В
рамках этой задачи было проведено исследование ряда используемых в шахте материалов (шахтная конвейерная лента, материал оболочки электрокабеля, деревянная крепь и др.) [5]. Выбор минимальной и максимальной температур деструкции используемых в шахте материалов производился с использованием дериватографа Q-1500D системы Ф. Паулик, И. Паулик и Л. Эрдей [6].
Испытания проводились в динамическом режиме в диапазоне температур от 200 до 1000 0С со скоростью 5 град/мин. Одновременно определялось изменение массы (TG) и скорость изменения массы (DTG). Результаты исследований представлены в таблице 1.
В таблице 1 показана начальная, максимальная и конечная температуры разложения образца, а также убыль массы исходного образца. Анализ данных таблицы 1 показывает, что термическая деструкция большинства шахтных материалов начинается при температуре
200...400 0С, а заканчивается при температуре 500.700 0С. Причем деструкция изделий на основе пластмассы, капрона, резины и деревянной крепи начинается при температурах 200.300 0С, заканчивается при 400.500 0С, а материала электрокабелей и конвейерной ленты соответственно начинается при 300.400 0С, заканчивается при 600.700 0С. Несколько выше температура максимальной термодеструкции угля (700.900 0С).
Таким образом, исследования с помощью метода дериватографии дают важную информацию для сертификационных испытаний материалов с целью определения их пожароопасных свойств (показателя токсичности, коэффициента дымообразования, количества аэрозольной фазы продуктов термодеструкции). Важным аспектом применения дериватографии является также процедура идентификации шахтных материалов как часть системы мероприятий, обеспечивающих пожарную безопасность.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Королев, Д.В. Определение физико-химических свойств компонентов и смесей дериватографическим методом: Методические указания к лабораторной работе / Д.В. Королев, К.А.Суворов. - СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2003. — 33 с.
2 Идентификация веществ, материалов и средств огнезащиты перед испытаниями на пожарную опасность / Н.Г. Дудеров, Н.В. Смирнов, Ю.К. Нагановский [и др.] // Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. - 1999. - № 5. - С. 20 - 28.
3 Беляева, Л.С. Сравнительный анализ идентификационных термоаналитических параметров конвейерных лент при определении пожарной опасности / Л.С. Беляева, А.В. Бондаренко // Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД.
- Донецк, 2009. - С. 101 - 108.
4 Беляева, Л.С. Процедура и методы идентификации шахтных материалов/ Л.С. Беляева, А.В. Бондаренко, И.Н. Непочатых // Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД. - Донецк, 2010. - С. 106 - 114.
5 Оценить экологическую опасность по газовому и аэрозольному факторам при термическом разложении материалов, рекомендуемых к использованию в шахтах: отчет о НИР (заключительный) / Государственный Восточный научноисследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности; рук. Хавова В.И.; исполн. Грачева Т.М., Ворошилов С.П., Уварова В.А.; № ГР 16.1032.001.02. -Кемерово, 1996. - 46 с.
-N1
00
тезі
мі
Ні
М
НІ
Таблица 1 - Результаты исследования процесса термической деструкции веществ и материалов, применяющихся в угольных шахтах, методом дериватографии
№ Наименование Температура деструкции образца, С Убыль массы образца, %
п/п. изделия (материал) т т Т Температура, °С
¿нач. і тах. ± кон. 200 300 400 500 600 700 800 900
1 Конвейерная лента 2ШТКх4
-резиновая обкладка 202,0 440,0 596,0 - 12,4 26,2 65,0 95,0 96,0 - -
-тканевая прокладка 347,0 427,0 460,0 - 20,0 85,5 - - - - -
2 Вентиляционная труба (винилискожа) 203,0 278,0 338,0 - 47 65,5 80,0 80,0 - - -
3 Вентиляционная труба на основе капрона 185,0 257,0 565,0 2,8 66,7 70,2 85,3 96,0 - - -
4 Кабель КГЭШ
-наружная изоляция 262,0 508,0 685,0 - 2,4 10,0 44,2 65,7 85,7 85,7 -
-внутренняя изоляция 262,0 440,0 800,0 - 1,5 15,0 34,5 34,0 5,0 39,0 60,0
5 Кабель КГСУ
-наружная изоляция 245,0 500,0 627,0 - 10,7 36 54 66,5 69,5 - -
-внутренняя изоляция 330,0 487,0 774,0 - 6,3 23,2 47,4 52,8 57,8 74 75,5
6 Подставка под
аккумуляторы 285,0 435,0 506,0 - 2,5 36,7 94,2 96,7 - - _
(пластмасса)
7 Каска
-пластмасса 383,0 457,0 473,0 - - 14,5 95,7 - - - _
-противоударное устройство 374,0 454,0 487,0 - 2,7 18,3 98,0 - - - -
8 Дерево (хвойное) 208,0 304,0 495,0 7,0 45,2 76,0 90,7 90,7
9 Уголь пл. Волковского 280,0 565,0 955,0 - 2,0 7,3 21,5 42,2 60,2 76,0 89
IV. Проблемы и суждения
DERIVATOGRAFIC METHOD FOR DETERMINATION OF KINETIC Уварова
PARAMETERS OF THERMAL DESTRUCTION OF SUBSTANCES AND Варвара Александровна
MATERIALS USED IN COAL MINES е-mail: [email protected]
V.A. Uvarova, V.I. Murashev
The application of derivatography for certification testing of mine materials Мурашев
in order to determine the process kinetic parameters of thermal destruction Вячеслав Иванович
is described, as well as conducting of their identifying procedure as part of е-mail: [email protected]
measures to provide fire safety.
Key words: DERIVATOGRAPHY, SUBSTANCES, MARETIALS,GOODS,
COAL MINE, INDEXES OF FIRE HAZARD,TOXICITY, SMOKE
FORMING, CERTIFICATION TESTING, DETERMINATION METHODS,
FIRE SAFETY DEMANDS, IDENTIFICATION PROCEDURE
