CC BY
401
УДК 614.841.411
О.А. Черкасова
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И БИОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА В ПРОЦЕССЕ ГОРЕНИЯ
Рассмотрены изделия из поливинилхлорида, используемые для отделочных и облицовочных работ, а также их способность к возгоранию и распространению пламенного горения. Экспериментально установлены время возгорания и его зависимость от структуры образцов. Найдена скорость распространения пламени и способность к коксообразованию. Установлено наличие хлористого водорода в продуктах пиролиза.
ПВХ, скорость выгорания, коксообразование
O.A. Cherkasova
RESEARCH INTO PHYSICAL AND BIOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF POLYVINYLCHLORIDE WHILE BURNING
The paper considers polyvinylchloride products used in the finishing and lining works, and their capacity for ignition and distribution of flame combustion. Ignition time and its dependence on the pattern structure are experimentally determined. Flame propagation and coke formation capacity are measured. Existence of hydrogen chloride in py-rolized species is established.
PVC, burning speed, coke production
Введение
Опыт эксплуатации зданий и сооружений показывает, что обеспечение пожарной безопасности несущих конструкций в большей степени зависит от выбора строительных или отделочных материалов, обладающих достаточной стойкостью, надежностью и долговечностью в конкретных условиях эксплуатации [1, 2]. Для правильного выбора необходимо учитывать всю информацию по используемым материалам и изделиям, особое внимание при этом уделить перечню контролируемых свойств и их показателям. Ведь пожарная безопасность строительных отделочных конструкций будет определяться в результате возможного возгорания или взрыва [3]. Однако нужно помнить, что отделочные конструкции - это своеобразная функциональная система с приемлемой надежностью. Отсюда следует, что предупреждение аварии этой системы возможно только при постоянном контроле ее состояния и режима работы, как в нормальных условиях, так и при создавшейся аварийной ситуации. Особое внимание уделяется поведению данной конструкции в экстремальных условиях. Данная проблема не нова, однако она не теряет до сих пор своей актуальности.
С учетом того, что скорость распространения пламени во время пожара очень велика и градиент температуры все время повышается, для увеличения огнестойкости отделочных изделий необходимо учитывать ряд физических параметров: горючесть, скорость распространения, а также биофи-68
зических: дымообразование, токсичность. Практика обследования зданий и оценка их состояния показывают, что во многих случаях несущие конструкции подлежат гидро- и теплоизоляции, в качестве которых используются различные полимерные изделия.
В течение длительного времени считалось, что там, где требуется повышенная пожаробезопас-ность, необходимо использовать композиции на основе поливинилхлорида (ПВХ), которые по своей природе обладают меньшей горючестью по сравнению с композициями на основе полиэтилена [1]. Известно, что способность полимерных композиций образовывать прочный кокс является одной из наиболее значимых характеристик пожаробезопасности. Наличие такого коксового остатка способствует уменьшению горючести, снижению выделения дыма и токсичного оксида углерода. Выгорают в основном органические материалы, коксовый же остаток содержит исключительно неорганические. В составе распространенных ПВХ присутствует всего 10% неорганических веществ, которые и составляют коксовый остаток от горения. Известно [1], что при горении ПВХ основными токсическими компонентами являются оксид углерода и хлористый водород, в случае же пластифицированного ПВХ - оксиды пластификатора. Образующийся при пиролизе и горении хлористый водород оказывает вредное воздействие не только на организм человека, но и на металлические части оборудования, корродирует бетонные и железобетонные конструкции. Поэтому в последние десятилетия, помимо требований снижения горючести, остро стоят вопросы и по другим аспектам проблемы: токсичности летучих продуктов горения, их коррозионной активности, дымообразующей способности в условиях пожара.
Учитывая, что токсичность является основным опасном фактором, в особенности при горении полимерных изделий, необходимо правильно подходить к выбору того или иного отделочного материала.
Целью настоящей работы является оценка физических и биофизических параметров изделий из ПВХ при их горении.
Материалы и методы исследования
Экспериментально-теоретические разработки проблемы проводились применительно к декоративно-отделочным и облицовочным материалам стен, полов и потолков, теплоизоляционным материалам строительных конструкций. Для проверки пожарной опасности в качестве образцов для исследования были выбраны отделочные строительные материалы из ПВХ: плинтус; подоконник; вагонка; стеновая панель; сэндвич-панель. Объекты испытания были выбраны исходя из потребности рынка и частого их использования.
Образцы изделий из ПВХ имели одинаковую длину (1) и ширину (Ь), толщина (И) образца зависела от его профиля (б). Геометрические размеры образцов представлены в таблице. Замер линейных размеров производился с помощью штангенциркулей ШЦ-11-250-0,1 и ШЦ-П-125-0,1 ГОСТ 166.
Геометрические размеры объекта исследования
Материал Номер образца Размеры
l, мм b, мм h (s), мм
Плинтус ПВХ 1 190 25 10 (2,5)
Подоконник ПВХ 2 200 20 20 (2)
Вагонка ПВХ 3 200 20 10
Стеновая панель 4 200 20 7
Сэндвич-пакет 5 200 20 8
Экспериментальная установка (рис. 1) была собрана из лабораторного штатива-крепежа 2, защитного короба 5 с дымоходом 4 и горелки 3. В качестве источника зажигания и поддержания горения была использована газовая горелка Pocket Rocket MSR мощностью 2,4 кВт. Защитный короб с дымоходом представлял собой металлический ящик, внутрь которого помещались горелка и штатив с образцами 1.
Повреждением образцов после эксперимента считались выгорание и обугливание, а также способность к коксо-образованию. Время воздействия открытого пламени варьировалось до 3 мин, его фиксировали с помощью секундомера.
Биофизический параметр - токсичность, определяли с помощью синей лакмусовой бумаги. Изменение ее цвета будет говорить о наличии хлористого водорода в продуктах пиролиза. Испытание каждого последующего образца проводилось после охлаждения держателя до комнатной температуры.
Рис. 1. Экспериментальная установка
Результаты исследования
В ходе эксперимента было измерено время возгорания образцов ({вз) (рис. 2а), а также продолжительность горения ({г) равных его участков (рис. 2б). Анализируя полученные данные, было установлено, что возгорание напрямую зависит от структуры образцов. Сэндвич-пакет (образец 5, рис. 2) состоит из двух листов с полимерным покрытием, между которыми располагается пенополи-стироловый уплотнитель, вспыхивает быстрее всех (2 с) и при наличии открытого пламени сгорает очень быстро, что объясняется его гигроскопичностью и хорошей воздухопроницаемостью. К тому же при горении пенополистирола увеличивается температурный градиент и происходит интенсивное дымообразование. На втором месте по возгоранию стоят подоконник (4 с) и вагонка (5 с), у подоконника многокамерная полая конструкция, что позволяет увеличить скорость разогрева образца. Вагонка представляет собой объемную сотовую структуру, что тоже дает увеличение в скорости прогрева. По результатам исследования было установлено, что стеновая панель воспламеняется и горит хуже всех. Причина заключается в том, что, несмотря на конструктивное сходство с сэндвич-панелью, в качестве уплотнителя использовалась ламинированная минеральная вата.
В качестве основных физических характеристик для последующего анализа были выбраны линейная и объемная скорости горения. Для подсчета линейной скорости распространения пламени воспользуемся формулой (1):
^лин = (1)
где I - путь пройденный огнем по поверхности при горении образца, мм, {г - время горения, мин.
1 ГпЛ ^ 11 ппП
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
а б
Рис. 2. Время возгорания и горения исследуемых образцов
Для подсчета объемной скорости выгорания воспользуемся формулой (2):
^об = 77, (2)
где V- объем материала, м3; - поверхностная площадь горения, м2; {г - время горения, мин.
Результаты исследования представлены на рис. 3. При сравнении линейной и объемной скорости горения видим, что самая высокая скорость горения наблюдается у сэндвич-пакета и вагонки ПВХ. С учетом того, что для всех образцов участок пройденный огнем был одинаков (10 см), время горения различно. Хуже всех горение (тление) проходило на стеновой панели, все показатели очень низкие. Кроме того, в результате эксперимента были выявлены основные изменения, произошедшие во время горения с образцами: было установлено, что они подлежат короблению, оплавлению, вспучиванию и коксообразованию (рис. 4).
400-
£ 300.
«
s к
D ft
2 л н о
200
I_| линеиная
объемная
"шьш
1 2 3 4 5
Изделия из ПВХ
Рис. 3. Скорость горения исследуемых образцов
Рис. 4. Состояние образцов после испытания на горение
Как говорилось выше, наличие коксового остатка способствует уменьшению горючести, снижению дыма и токсического оксида углерода и хлористого водорода. Из рис. 4 видно, что образцы 3 и 5 имеют малый коксовый остаток, следовательно данные изделия при пожаре будут вносить основной вклад в дымообразование и выделение токсических веществ. Известно, что в условиях пожара дымообразование наблюдается именно в условиях тления. Таким образом, представление о безусловном преимуществе безгалогенных композиций по сравнению с ПВХ-пластикатами в плане дымооб-разования представляется неверным: и те и другие вносят свой вклад в образования дыма. Если посмотреть на стеновую панель, то видим (рис. 4, образец 4), что данный образец практически не изменился, т.е. сохранил свой первоначальный размер (коксовый остаток имеет первоначальную форму образца), не наблюдается коробление или вспучивание, следовательно, это единственный образец, который препятствовал принудительному горению и дымообразованию. При контакте горячего коксового остатка образцов с лакмусовой бумагой происходило ее покраснение, что говорит о наличии хлористого водорода. Степень покраснения у первых 4 образцов приблизительно одинаковая, у 5 образца на пол тона светлее.
Выводы
Таким образом, при оценке характеристик отделочных СМ из ПВХ предпочтение можно отдать стеновым панелям, т.к. они меньше подлежат тлению и горению, и во время пожара будут представлять наименьшую угрозу для человека.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пожарная опасность строительных материалов / А.Н. Баратов, Р. А. Андрианов, А.Я. Ко-рольченко, Д.С. Михайлов, В.А. Ушков, Л.Г. Филин. М.: Стройиздат, 1988. 380 с.
2. Черкасова О.А. Экология строительных материалов / О.А. Черкасова, О.А. Мацелис, В.З. Угланова // Материалы международной научной конференции по аналитической химии и экологии, посвященной 110-летию со дня рождения академика М.Т. Козловского / под ред. М.К. Наурызбаева. Алматы: ^аза^ университет^ 2013. С. 28-31.
3. Смирнов Н.В. Прогнозирование пожарной опасности строительных материалов: дис. ... д-ра техн. наук: 05.26.03 / Н.В. Смирнов. М., 2002. 273 с.
Черкасова Ольга Алексеевна -
кандидат физико-математических наук, доцент базовой кафедры компьютерной физики и метаматериалов физического факультета Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского
Olga A. Cherkasova -
Ph. D., Associate Professor
Department of Computer Physics and Metamaterials, Chernyshevsky Saratov State University
Статья поступила в редакцию 15.03.14, принята к опубликованию 16.06.14
