CC BY
17
УДК 614.841.315
О РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОГНЕЗАЩИТНЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ОРГАНОСИЛОКСАНОВ НА ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА
М. В. АКУЛОВА1, А. М. МОЧАЛОВ2
1ФГБОУ ВО Ивановский государственный политехнический университет, Российская Федерация, г. Иваново 2ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: m_akulova@mail.ru, anton.mochalov.93@mail.ru
В работе описываются преимущества и недостатки утеплителей на основе пенополистирола, предлагается путь решения проблемы его повышенной пожарной опасности, приводятся результаты исследования влияния огнезащитных составов на основе органосилоксанов, на воспламеняемость пенополистирольных плит. Показано, что предлагаемый способ защиты утеплителей на основе пенополистирола существенно увеличивает время их воспламенения, что, в случае пожара, дает возможность для эвакуации людей из здания и снижает пожарные риски.
Ключевые слова: Пожарная безопасность, воспламеняемость пенополистирола, огнезащитные составы, жидкое стекло, органосилоксаны.
ON THE RESULTS OF THE STUDY OF THE EFFECT OF FLAME RETARDANTS BASED ON ORGANOSILOXANES ON THE FLAMMABILITY OF POLYSTYRENE FOAM
M. V. AKULOVA1, A. M. MOCHALOV2
и
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Ivanovo State Politechnical University»,
Russian Federation, Ivanovo
о
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo E-mail: m_akulova@mail.ru, anton.mochalov.93@mail.ru
The paper describes the advantages and disadvantages of insulants based on polystyrene foam, proposes a way to solve the problem of its increased fire hazard, presents the results of a study of the effect of flame retardants based on organosiloxanes on the flammability of polystyrene plates. It is shown that the proposed method of protection of insulation based on polystyrene foam significantly increases the time of ignition, which, in case of fire, makes it possible to evacuate people from the building and reduces fire risks.
Key words: Fire safety, polystyrene foam flammability, flame retardants, liquid glass, organosiloxanes.
При строительстве зданий приоритетное внимание уделяется снижению расходуемых средств и ускорению процесса строительства, что достигается путем массового применения легких быстровозводимых ограждающих конструкций и дешевых, но эффективных утеплителей.
В качестве утеплителей широко распространено использование пенополистирольных плит.
Применение пенополистирольных плит при утеплении зданий разнообразно (рис. 1), служит эффективным средством теплоизоляции.
©Акулова М. В., Мочалов А. М., 2019
Рис. 1. Сфера применения пенополистироль-ных плит при утеплении зданий
Пенополистирол обладает положительными свойствами: звукоизоляция, долговечность, влагостойкость, низкий коэффициент теплопроводности, простота в монтаже и крепеже [1]. Но помимо положительных свойств пенополистирол обладает отрицательным свойством, которое ограничивает его повсеместное применение - это пожарная опасность. Пожарная опасность пенополистирола приводит к увеличению материального ущерба и гибели людей на пожарах, возникающих в зданиях, где пенополистирол был использован в качестве утеплителя. Пенополистирол относится к группе горючих материалов с высокой дымообразующей способностью и токсичностью продуктов горения.
Как и многие другие органические строительные материалы, пенополистирол может воспламеняться [2]. При оценке пожарной опасности пенополистирольных плит следует учитывать то, что она определяется не только специфическими свойствами материала, но во многом и условиями его применения и использования. Так, проблема пожарной опасности пенополистирола оценивается по двум основным направлениям: опасность собственно горения материала (воздействие температуры и пламени) и опасность продуктов термического разложения и окисления.
Одним из наиболее опасных факторов пожара рассматриваемого материала является повышенная концентрация токсичных продуктов горения и термического разложения. При воздействии на организм продуктов горения при повышенной температуре и пониженной концентрации кислорода могут наблюдаться различные клинические проявления, отражающие, прежде всего, состояние кислородной недостаточности тканей и органов. Вы-
сокая температура повышает чувствительность организма к токсическому воздействию по причине нарушения процессов терморегуляции. Учащение дыхания и сердечных сокращений, увеличение минутного объема дыхания приводят к ускорению абсорбции газо- и парообразных веществ через дыхательные пути и большому поступлению их в кровь [3]. В среднем только 18 % людей при пожаре гибнет от ожогов, остальные — являются жертвами отравления в сочетании с действием стресса, тепла и других поражающих факторов. Статистика показывает, что даже при сравнительно небольшом пожаре в помещении, насыщенном полимерными материалами, происходит быстрая гибель находящихся там людей главным образом от отравления ядовитыми летучими продуктами, соответственно, пенополистирол также относится к полимерным материалам. Описанные негативные свойства пенополистирола иллюстрируют события, произошедшие в г. Пермь, пожар в клубе «Хромая лошадь» унес жизни более 150 человек, большая часть из которых погибли не от воздействия высокой температуры или пламени, а от отравления токсичными продуктами горения.
Согласно [1] все пенополистирольные плиты относятся к горючим материалам.
Линейная скорость распространения огня по поверхности пенополистирола 1 см/сек, что объясняет чрезвычайно высокую скорость распространения огня в зданиях, утепленных пенополистиролом, данное свойство влияет на быстрое распространение пожара в здании, что способствует большему количеству травмированных и погибших, а также приводит к увеличению и материального ущерба. Удельная массовая скорость выгорания пенополистирола марки ПСБ — 2,19 кг/мин*м2. Вследствие большой скорости горения пенополистирола и высокой удельной теплоты его сгорания теплота высвобождается при пиковой температуре 1500 °С в относительно малое время. В соответствии с [4] через 2 минуты горения ППС достигается температура 1200 °С.
Горение пенополистирола сопровождается обильным выделением густого дыма (рис. 2). Согласно исследованиям во время испытания материалов при воздействии пламенем горелки на поверхность материала образуется расплав, горящие капли которого можно наблюдать в течение 10-15 секунд на первой-второй минуте эксперимента. Несмотря на то, что остальные значения параметров горючести могут соответствовать значениям параметров, установленных для группы Г1 (вследствие высокой ползучести материала под воздействием пламени), наличие горящих
капель расплава однозначно относит такой материал к группе Г4 (сильногорючие материалы).
Рис. 2. Обильное выделение густого дыма при горении пенополистирола
Воспламенение пенополистиролов происходит при температуре от 220 до 380 °С, тогда как самовоспламенение соответствует температуре 460-480 °С [5].
При испытаниях пенополистирольных плит ПСБ, ПСБ-С в ряде случаев не наблюдалось появление горящих капель расплава, однако по остальным параметрам эти материалы относятся к группам горючести ГЗ или Г4.
Анализ характеристик термодеструкции, полученных по кривым термического анализа, позволяет установить, что все материалы ППС имеют коксовый остаток 2-5 %, высокую скорость терморазложения (до 45 %/мин) в интервале температур 350 ... 500 °С и невысокую скорость тепловыделения. Температура начала интенсивного разложения составляет 320 °С. Это подтверждает то, что материалы имеют одинаковую потенциальную пожарную опасность [6].
Все термопластичные пластмассы в течении трех минут способны воспламеняться от лучистой энергии интенсивностью 19800 Вт/м2. При условии защиты пенополистирола гипскокартонной стеной (толщиной 8 мм) и смежной с ней древесноволокнистой плитой, то приблизительно через 22 минуты после начала горения в помещении, появляются, условия способствующие самовоспламенению пенополистирольного утеплителя внутри стеновой конструкции [4]. В случае, если пенопо-листирол защищен асбоцементным листом,
(толщиной 6 мм), то, через 7-8 минут под воздействием лучистой энергии пламени он прогревается до температуры самовоспламенения. В трехслойных железобетонных панелях с утеплителем из ПСБ-С и защитным слоем из мелкозернистого тяжелого бетона толщиной 50 мм, через 15 минут пожара происходит оплавление пенополистирола на значительную глубину, а через 45 минут его полное расплавление.
Таким образом, пенополистирол строительного назначения относится к высокой степени горючести. Самозатухающий пенополистирол также подвержен горению, о свойствах самозатухающего пенополистирола исследователи из Новой Зеландии пишут следующее: «В основном существует две широко используемые марки полистирола: обычная и огнеупорная. Стандартная марка широко используется в упаковочной промышленности. Электронные приборы, такие как компьютеры, телефоны и телевизоры упаковываются для пересылки и распространения с использованием полистирола. Этот продукт легко воспламеняется и хорошо горит, не смотря на то что коэффициент тепловыделения низок так как высоко соотношение воздуха относительно массы полистирола. Это происходит при 285-440°С, когда разлагается или деполимеризу-ются легковоспламеняющиеся материалы, в том числе горючий стирол. Температура вспышки установлена и находится на уровне 345-360°С, а температура самовоспламенения - 488-496°С.
Огнеупорный тип пенополистирола при воздействии температуры свыше 100°С плавится. При дальнейшем нагревании свыше 200°С, образуются газообразные продукты горения при плавлении. Тем не менее, при такой температуре, как только будет удалён источник зажигания, пенополистирол потухнет сам. Это было показано в ряде небольших испытаний на горючесть и воспламеняемость. Однако Догерти Г. (сотрудник противопожарной службы Южной Австралии) предупреждает, что термин «самозатухающий» - это искажение свойств материала. Огнестойкость придают полимеру путем включения в состав присадок, а не распылением на поверхностное покрытие. Первая линия защиты - это металлический лист строительной панели. Однако, как только она разрушится, огнестойкость материала обеспечивается за счет галогенированных соединений, которые были добавлены в смесь. Они предлагали использовать два способа: во-первых, путем ингибирования свободноради-кальных цепных реакций, участвующих в разложении полимера в горючие газы, а во-вторых, выделением тяжелых галогеносодер-
жащих газов, которые защищают фазу конденсации, препятствуя доступу кислорода и передаче тепла. Наиболее популярным соединением является ароматический бром в довольно небольших количествах (1-2%), а в пене из шариков его процентное содержание может быть снижено до менее чем 1% путем добавления радикальных инициаторов, таких как органические пероксиды. Типичные антипире-ны включают в себя такие сложные соединения, как гексабромбутеновые и гексабромфе-нилалиловые эфиры. Следует отметить, что в таких маленьких пропорциях, эти огнезащитные соединения могут быть легко подавлены в большом пламени и будут замедлять распространение пламени только до тех пор, пока не будут израсходованы. Возможно также, что после длительного периода (годы) воздействия даже небольшого нагревания, огнезащитные соединения теряют свою эффективность. Пенополистирол в конечном итоге будет гореть при условии, что он находится в непосредственной близости к большому источнику зажигания или значительному тепловому потоку не менее 50 кВт/м2. Опытная температура воспламенения составляет 320-380°С. В отсутствие условий стандартных испытаний температура самовоспламенения составляет 450-510°С» [12]. Исходя из отчета [12] можно сделать вывод, что и применение самозатухающего пенополистирола не является безопасным.
Существующие марки пенополисти-рольных плит «обеспечивают» высокую скорость распространения огня при пожаре, кроме того при горении выделяется густой дым и свободный стирол.
Вышеописанные положительные свойства пенополистирола, позволяют назвать его высокоэффективным дешевым строительным материалом, применение которого позволит сократить сроки строительства и сэкономить средства на отопление помещений, однако его отрицательные пожароопасные свойства не позволяют применять пенополистирол безопасно и в необходимых объемах. Авторами статьи ведется работа над разработкой наиболее эффективных огнезащитных составов, позволяющих снизить пожарную опасность, и обеспечить широкое применение пенополистирола.
Для этого была выдвинута гипотеза: применение огнезащитных составов, разработанных на основе органосилоксанов, позволит добиться увеличения времени воспламенения пенополистирольных плит. Несмотря на то, что основным поражающим фактором пенополистирола при его горении является воздействие токсичных продуктов горения, авторы, в первую очередь, делают ставку на увеличение
времени воспламенения материала, так как при положительном результате проведенного исследования пенополистирол либо воспламенится намного позже, чем при применении его в «необработанном» виде, либо не воспламенится вовсе.
Органосилоксаны или силиконы составляют наиболее важную из групп полимеров, в которых основная цепь образована вместо углерода другими элементами [7].
Органосилоксаны с R- Si2 используются для создания лаковых покрытий и пластических масс, в качестве смол для тепло - и электроизоляции, а также защитных химических покрытий. Стеклоткани, пропитанные силиконовыми смолами, применяются для электроизоляции электрических машин и допускают нагрев до 400 °С. Из смол со стеклотканью изготавливают стеклопластики, которые характеризуются высокой прочностью.
Органосилоксаны могут быть линейного, циклического и разветвленного строения. Все они характеризуются высокой гибкостью и свободой вращения атомных группировок вокруг связей Si - С и Si - О.
Участки разной полярности отдельных силоксановых группировок линейных силокса-новых цепей при вращении вокруг связей стремятся расположиться в пространстве так, чтобы дипольные моменты разных группировок были, по возможности, скомпенсированы [8]. В итоге линейные органосилоксаны образуют надмолекулярные структуры. Данное свойство имеет большое значение в практике, оно приводит к тому, что свойства органосилоксанов практически не зависимы к воздействию на них температуры.
Пожарная опасность материалов, применяемых в строительстве, характеризуется свойствами, перечисленными в Федеральном законе1. Как отмечалось выше, в рамках эксперимента, описанного в данной статье, проведена проверка изменения времени воспламенения пенополистирольных плит, до обработки предложенными составами и после. Остальные показатели пожарной опасности пенополистирола, после его обработки огнезащитными составами, планируется изучить при дальнейшем проведении исследования.
Объектами исследования являются пе-нопласты, применяемые в строительстве в качестве утеплителей - пенополистиролы типов RAVATHERM XPS STANDARD (ТУ 2244-00200259620-2013, АО «НИСКО Индастри», д. Крюково, Московская область) и ПСБ-С 15У (ТУ
Технический регламент о требованиях пожарной безопасности: Федеральный закон от 22.07.2008 № 123-Ф3.
2244-007-04001508-96, СП «ТИГИ KNAUF», г. Красногорск Московской области) изготовленные в соответствии с ГОСТ2. Растворы, содержащие водорастворимый этиленсилоксан.
В работе применялся метод снижения пожарной опасности пенополистирола с помощью нанесения на его поверхность защитных растворов, содержащих водорастворимые ор-ганосилоксаны. Сущность метода состоит в определении параметров воспламеняемости материала при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени от источника зажигания. К таким параметрам относятся критическая поверхностная плотность теплового потока (далее-КППТП), а также время воспламенения. После проведения исследования для отнесения материала к той ли иной группе воспламеняемости используют КППТП.
Общий вид установки для испытаний на воспламеняемость приведен на рис. 3.
Рис. 3. Испытательная установка для определения воспламеняемости
Образцы для проведения исследования были подготовлены в соответствии с ГОСТ3 (рис. 4).
Для снижения пожарной опасности пенополистирола его поверхность обрабатывали растворами на основе этиленсилоксана, жидкого стекла и сульфанола в различных концентрациях (5% 10% 2,5%) (табл. 1).
у
ГОСТ 15588-2014 Плиты пенополистироль-ные теплоизоляционные. Технические условия.
3ГОСТ 30402-96 Материалы строительные. Метод испытания на воспламеняемость.
Рис. 4. Образцы для проведения исследования
Подготовленные растворы наносили с помощью кисти на поверхность образцов, затем высушивали в течение суток.
По итогам проведения исследования было выявлено, что все образцы относятся к группе воспламеняемости ВЗ (легковоспламе-няемые), имеющие величину критической поверхностной плотности теплового потока менее 20 киловатт на квадратный метр, это связанно с большим шагом плотности теплового потока между группами воспламеняемости.
Однако, проанализировав параметры времени воспламенения, температуры начала плавления, изменение массы образцов до и после испытания, а также время самостоятельного горения приведенные в табл. 2 и 3, можно сделать вывод об эффективности нанесенных защитных составов, представленных в табл.1.
Анализ характеристик, полученных в ходе исследования, позволяет установить, что все огнезащитные составы снижают критерии пожарной опасности, так время воспламенения пенополистирола марки ПСБ-С 15У увеличилось на 58% и составило 284 секунды (рис. 5). Наиболее эффективным оказался состав №3 состоящий из 10% органосилоксана и 1% десятипроцентного раствора сульфонола, время самостоятельного горения пенополистирола RAVATHERM XPS STANDARD обработанного составом №3 снизилось в 10 раз (рис. 6). Также температура начала плавления увеличилась на 10%, температура начала интенсивного разложения составляет 300 °С.
Таблица 1. Составы огнезащитных растворов
№ 1 состав 2 состав 3 состав 4 состав 5 состав
этиленсилоксан 5% - 10% - 2,5%
жидкое стекло - 5% - 10% 2,5%
10% раствор сульфанола 1% 1% 1% 1% 1%
вода 94% 94% 89% 89% 94%
Таблица 2. Воспламеняемость пенополистирола ПСБ-С 15У с нанесенными на поверхность жаростойкими растворами
Время воспламенения, с Температура плавления, С Изменение массы, % Образование горящих капель Время самостоятельного горения, с
Без обработки 186 326 48 - 1
173 312 49 - 1
180 320 52 - 2
1 состав 244 359 40 - 0
246 355 38 - 0
250 360 40 - 0
2 состав 200 330 43 - 0
210 326 42 - 0
206 333 39 - 1
3 состав 286 430 35 - 0
280 425 30 - 0
288 429 32 - 0
4 состав 220 359 36 - 0
236 366 34 - 0
250 363 32 - 0
5 состав 242 350 40 - 0
240 355 38 - 0
241 360 40 - 0
Таблица 3. Результаты испытаний на воспламеняемость образцов пенополистирола RAVATHERM XPS STANDARD
Время воспламенения, с. Температура плавления, С Изменение массы, % Образование горящих капель Время самостоятельного горения, с.
Без обработки 150 268 86 + 10
154 264 89 + 9
157 259 87 + 13
1 состав 180 290 76 + 5
182 299 78 - 2
176 289 73 - 3
2 состав 166 273 80 + 6
162 280 80 - 7
169 277 79 + 4
3 состав 217 330 65 - 1
218 324 68 - 0
222 327 65 - 0
4 состав 177 290 75 - 0
178 291 75 - 2
173 290 79 - 0
5 состав 186 292 73 - 1
186 301 76 - 0
190 299 70 - 2
Время воспламенения,с
300
200
100
о
без обработки 1 2
□ RAVATHERM XPS STANDARD ■ ПСБ-С 15У
Рис. 5. Время воспламенения пенополистирола исследуемых марок
Время самостоятельного горения , с
15 10 5
о
без обработки 1
3
4 5
3
4
5
□ RAVATHERM XPS STANDARD ■ ПСБ-С 15У
Рис. 6. Время самостоятельного горения пенополистирола исследуемых марок
Таким образом, по итогам проведенного исследования можно сделать вывод, о том, что предложенный огнезащитный состав при использованной методике его нанесения является действенным способом для защиты пено-полистирольных плит от воздействия пламени. При этом, следует учитывать, что применение предложенного огнезащитного состава не вли-
яет на изменение группы воспламеняемости пенополистирола, однако происходит время увеличения воспламенения пенополистироль-ной плиты, что может увеличить время для эвакуации людей из здания, в котором начался пожар. По результатам проведенного исследования можно сделать вывод о том, что выдвинутая гипотеза подтвердилась.
Список литературы
1. Свойства пенопласта. URL: http://stkpenoplast.ru/Polystyrene/Properties.html/ (дата обращения 09.03.2019).
2. Акулова М. В., Мочалов А. М., Лебедев Д. В., Родионов Е. Г. О безопасности самозатухающего пенополистирола // Современные пожаробезопасные материалы и технологии: Сборник материалов Международной научно-практической конференции, Иваново 20-21 сентября 2017 года. Иваново: ФГБОУ ВО «Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России», 2017. С. 9-12.
3. Корольченко А. Я., Трушкин Д. В. Пожарная опасность строительных материалов. М.: «Пожнаука», 2005. 232 с.
4. Гуюмджян П. П., Коканин С. В., Пискунов А. А. О пожароопасности полистироль-ных пенопластов строительного назначения // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20. №8. С. 4-8.
5. Серков Б. В., Фирсова Т. Ф. Здания и сооружения. М.: ИНФРА-М, 2019. 168 с.
6. ЕтумянА. С., Молчадский А. И. Пожарная опасность теплоизоляционных материалов из пенополистирола // Пожаровзрывобезопасность. 2006. №6 С. 66-68.
7. Четфилд X. В., Воложинский Л. А., Гольдберг М. М. Лакокрасочные покрытия. М.: Химия, 1968. 640 с.
8. Воронков М.Г., Милешкевич В. П., Южелевский В. А., Силоксановая связь. Новосибирск, 1976:
References
1. Svojstva penoplasta [Properties of foam], URL: http://stkpenoplast.ru/Polystyrene/ Properties.html/ (дата обращения 09.03.2019).
2. Akulova M. V., Mochalov A. M., Lebe-dev D. V., Rodionov E. G. О bezopasnosti samo-zatuhajushhego penopolistirola [On the safety of self-extinguishing polystyrene foam], Sovremen-nye pozharobezopasnye materialy i tehnologii, 2017, pp. 9-12.
3. Korol'chenko A.Ja., Trushkin D.V. Pozharnaja opasnost' stroitel'nyh materialov [Fire hazard of building materials. Textbook], Moscow, 2005. 232 p.
4. Gujumdzhjan P. P., Kokanin S. V., Piskunov А. А. О pozharoopasnosti polistirol'nyh penoplastov stroitel'nogo naznachenija About the fire danger of polystyrene foams for construction purposes], Pozharovzryvobezopasnost', 2011, vol. 20, issue 8, pp.4-8.
5. Serkov В. В., Firsova T. F. Zdanija i sooruzhenija [Buildings and structures], Moscow, 2019. 168 p.
6. Etumjan A. S., Molchadskij A. I. Pozharnaja opasnost' teploizoljacionnyh materialov iz penopolistirola [Fire hazard of thermal insulation materials from polystyrene foam], Pozharovzryvobezopasnost', 2006, issue 6, pp. 66-68.
7. Chetfild H. V., Volozhinskij L. A., Gol'd-berg M. M. Lakokrasochnye pokrytija [Paint coating], Moscow, 1968. 640 p.
8. Voronkov M.G., Mileshkevich V. P., Ju-zhelevskij V. A., Siloksanovaja svjaz' [Siloxane bond], Novosibirsk, 1976.
Акулова Марина Владимировна
ФГБОУ ВО Ивановский государственный политехнический университет
Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор
E-mail: m_akulova@mail.ru
Akulova Marina Vladimirovna
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education «Ivanovo State Politechnical University»,
Russian Federation, Ivanovo
Doctor of Technical Sciences, Professor
E-mail: m_akulova@mail.ru
Мочалов Антон Михайлович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: anton.mochalov.93@mail.ru Mochalov Anton Mlkhallovlch
Federal State Educational Institution of Higher Education «Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the Ministry of the Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo Teacher
E-mail: anton.mochalov.93@mail.ru
