Научная статья на тему 'ОБРАЗОВАНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ НАГРЕВАНИИ ТЕРМО- И ОГНЕСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ'

ОБРАЗОВАНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ НАГРЕВАНИИ ТЕРМО- И ОГНЕСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
45
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ГАЗОВЫДЕЛЕНИЕ / ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫЕ ГАЗЫ / ГАЗОВАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ / COMPOSITE MATERIALS / GAS RELEASE / FIRE EXPLOSION HAZARDOUS GASES / GAS CHROMATOGRAPHY

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Коршунова Татьяна Владимировна, Потёмкин Григорий Александрович, Дорофеев Андрей Алексеевич, Дрожжин Валерий Станиславович

Исследовано образование пожаровзрывоопасных соединений при нагревании термо- и огнестойких материалов на примере композиционных материалов ВК-58К и «Сферолит». Исследования проводились при помощи методов термоана- лиза и газовой хроматографии. Показано, что при нагревании ВК-58К и «Сферолита» в вакууме до температур 500-1000 °C образуются водород, метан и оксид углерода (II), выделение которых зарегистрировано даже после термообработки мате- риалов для удаления органических соединений. Предложены механизмы образования и показаны пути снижения объёмов образующихся пожаровзрывоопасных газов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Коршунова Татьяна Владимировна, Потёмкин Григорий Александрович, Дорофеев Андрей Алексеевич, Дрожжин Валерий Станиславович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FIRE AND EXPLOSION HAZARDOUS SUBSTANCES FORMATIONAT HEATING THERMO- AND FIRE-RESISTANT COMPOSITE MATERIALS

Purpose. The article is devoted to the study of fire and explosion hazardous compounds formation at heating thermo- and fire-resistant composite materials. The background of this work was the research findings of gas release from polymer and composite materials at their heating in a hermetically sealed volume, thanks to which, it was found that the behavior of two thermo- and fire- resistant composite materials, ВК-58К and ‘Spherolite’, did not correspond to the expected value. Despite the preliminary heat treatment, these materials, when being heated in a vacuum, release hydrogen, methane and carbon monoxide (II) into the environment (in total up tocm3 per 1 g of material). The purpose of the research work was to study the formation mechanism of fire and explosion hazardous gases at heating these composites and to find ways of reducing the volume of these gases.Methods. The studies were carried out using methods of thermoanalysis and gas chromatography. The thermal analysis method was implemented on the SETARAM TGA 92-24 thermal analyzer, and gas chromatography analysis method was implemented on the “Tswet-800” chromatograph.Findings. Н2, CO and СН4 formation mechanism is proposed; it consists of interaction of water andcarbon, contained in one form or another in the studied materials. The method of reducing gas release from ВК- 58К material by removing water from the pores of the material is suggested. This method does not lead to a gas release decrease from “Spherolite”, apparently due to the fact that forms of water and carbon reaction are different from those contained in ВК-58К.Research application field. The findings of the work show that fire-proof materials according to GOST standard 12.1.044-89 under certain circumstances may become a potential source of fire hazard. The suggested ways of reducing gas release will be used for improving items production technology from thermo- and fire- resistant composite materials. Conclusions. It is planned to continue the research work on the mechanisms of gas phase formation at heating the perspective heat insulation material ‘Spherolite’. It is expected that the end result of the research work will be minimizing the risk of components formation that pose a potential fire threat.

Текст научной работы на тему «ОБРАЗОВАНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ НАГРЕВАНИИ ТЕРМО- И ОГНЕСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

УДК 541.427:543.226 КОРШУНОВА Татьяна Владимировна

Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Россия E-mail: tvkorshunova@vniief.ru

ПОТЁМКИН Григорий Александрович Кандидат физико-математических наук Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Россия E-mail: gapotemkin@vniief.ru

DOI 10.25257/FE.2020.3.54-61

ДОРОФЕЕВ Андрей Алексеевич Кандидат технических наук Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Россия E-mail: aadorofeev@vniief.ru

ДРОЖЖИН Валерий Станиславович Кандидат технических наук Российский федеральный ядерный центр -Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Россия E-mail: vsdrozhzhin@vniief.ru

ОБРАЗОВАНИЕ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ НАГРЕВАНИИ ТЕРМО- И ОГНЕСТОЙКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Исследовано образование пожаровзрывоопасных соединений при нагревании термо- и огнестойких материалов на примере композиционных материалов ВК-58К и «Сферолит». Исследования проводились при помощи методов термоанализа и газовой хроматографии. Показано, что при нагревании ВК-58К и «Сферолита» в вакууме до температур 500-1000 °С образуются водород, метан и оксид углерода (II), выделение которых зарегистрировано даже после термообработки материалов для удаления органических соединений. Предложены механизмы образования и показаны пути снижения объёмов образующихся пожаровзрывоопасных газов.

Ключевые слова: композиционные материалы, газовыделение, пожаровзрывоопасные газы, газовая хроматография.

Значительную часть неметаллических конструкционных материалов представляют композиционные материалы на полимерной основе. В условиях воздействия повышенных температур, в частности, при пожаре, когда значения температур превышают максимальные температуры хранения и эксплуатации конструкции, такие материалы выделяют целый спектр газообразных соединений, которые, в большинстве своём, являются пожароопасными. Существует целый ряд методов исследований и методик, направленных на определение пожаровзрывоопасных и токсичных соединений, образующихся при нагревании материалов при пожарах [1-6]. Кроме того, множество литературных источников даёт информацию о качественном и количественном составе продуктов газовыделения из многочисленных полимерных материалов при различных температурах [7-11].

Авторами настоящей работы изучалось газовыделение из полимерных и композиционных материалов при их нагреве в герметично замкнутом объёме, при этом применялись методы термогравиметрического (ТГ) и газохроматографического (ГХ) анализа. В процессе исследований было обнаружено, что два термо- и огнестойких композиционных материала, ВК-58К и «Сферолит», при нагревании в вакууме выделяют в окружающую среду водород, метан и оксид углерода (II), несмотря на их предварительную

термообработку с целью удаления соединений, способных к терморазложению. Как известно, все три перечисленных соединения являются взрывоопасными и имеют широкие концентрационные пределы взрываемости в смеси с воздухом [12].

В связи с вышесказанным целью настоящей работы являлось:

1) изучение механизмов образования водорода, метана и оксида углерода при нагревании материалов ВК-58К и «Сферолит»;

2) поиск путей снижения количества образующихся соединений.

Материал ВК-58К (патент РФ № 2461587) представляет собой композит конструкционного назначения на основе эпоксидно-кремнийорганическо-го связующего и порошка карбида бора. Технология изготовления деталей из композита включает его отверждение при температуре 80 °С и дополнительную термообработку при 800 °С. Материал обладает повышенной твёрдостью, отличными прочностными характеристиками и способен работать в интервале температур от минус 60 до плюс 1400 °С.

Материал «Сферолит» (патент РФ № 2285680) -теплоизоляционный композиционный материал на основе полых зольных микросфер и жидкого стекла, используется в качестве теплоизоляционно-конструкционных слоёв, повышающих пожаростойкость конструкций. Технология изготовления деталей из

54

© Коршунова Т. В., Потёмкин Г. А., Дорофеев А. А., Дрожжин В. С., 2020

композита включает термообработку при температуре 300 °С. Материал имеет низкую плотность 0,40,6 г/см3, предел прочности при сжатии до 12 МПа, и сохраняет работоспособность до температуры 1 100 °С.

Для ТГ-измерений использовали термоанализатор Setaram TGA 92-24 с применением измерительной ячейки «rod 92-1600-TG-DTA 1 600 °С», погрешность по измерению массы ±10~6 г. Исследования проводились в атмосфере аргона и воздуха на образцах массой -15-25 мг, скорость нагрева составляла 10 °С/мин, интервал температур от 25-30 до 1 000 °С.

Исследование газовой фазы, образующейся при нагревании материалов, проводилось при помощи метода газовой хроматографии на образцах массой -1-12 г. Принципиальная схема установки для исследований представлена на рисунке 1.

Образец исследуемого композиционного материала 7 взвешивался и помещался в кварцевую газовую пробирку 2. Затем пробирка вакуумирова-лась до первичного вакуума (0,05 мм рт. ст.) и помещалась в вертикальную печь 3, где происходил её нагрев от комнатной температуры до температуры опыта (верхний температурный предел 1000 °С)

Рисунок 1. Принципиальная схема установки для изучения образования газовой фазы: 1 - исследуемый образец; 2 - газовая пробирка с краном; 3 - вертикальная трубчатая печь; 4 - датчик температуры; 5 - датчик давления; 6 - газовые вентили

со скоростью -10 °С/мин. По достижении температуры опыта газовая пробирка выдерживалась на температурной «полке», затем охлаждалась до комнатной температуры и после этого присоединялась к вакуумной системе газового хроматографа для проведения анализа. Анализ газовой фазы проводился на хроматографе «Цвет-800» с детектором по теплопроводности. При этом использовались насадочные колонки с двумя типами сорбентов: цеолит СаА и порапак

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ВК-58К

Термогравиметрический анализ ВК-58К в инертной и в воздушной атмосфере не выявил изменений массы при нагревании материала до температуры 1 000 °С, из чего следовало бы ожидать отсутствия газовыделения. Однако анализ газовой фазы, образующейся при нагреве образца ВК-58К в вакууме до 800 °С, показал, что в этих условиях в реакционной пробирке образуются водород, метан и оксид углерода (II) (табл. 7, опыт№ 1).

Было рассмотрено два наиболее вероятных пути образования Н2, СН4 и СО.

Во-первых, в материале после отжига могло остаться некоторое количество полимерного связующего, разложение которого, как и большинства полимеров, приводит к образованию Н2, СО и СН4. Такой вариант менее вероятен, поскольку, как указано выше, ВК-58К отжигается при температуре 800 °С.

Во-вторых, что более вероятно, Н2, СО и СН4 могли образоваться в результате взаимодействия воды и углерода, содержащихся в материалах в той или иной форме. В этом случае образование водорода протекало по реакции:

С + Н20 = С0 + Н2. (1)

Согласно литературным данным [13], реакция (1) имеет место при температуре 800-1000 °С, однако в определённых условиях (например, нагрев

Таблица 1

Состав газовой фазы, образующейся в опытах с нагреванием композита ВК-58К

Объём образующегося компонента, см3/г г J ' ' композита Общий объём

н2 СО сн4 02 N см3/г ' композша

Опыт № 1,800 °С 0,27 0,006 0,007 0,02 0,03 0,34

Опыт № 2, повторно, 800 °С 0,001 - - 0,002 0,008 0,01

Опыт № 3, повторно с водой, 800 °С 0,44 0,001 0,006 0,06 0,11 0,62

Опыт № 4, повторно, 1 000 °С - - - 0,002 0,008 0,01

Опыт № 5, 1 000 °С 0,51 0,007 0,006 0,07 0,13 0,71

биомассы без доступа воздуха) может начаться уже при температуре 500 °С [14].

Образование метана можно объяснить взаимодействием водорода, полученного по реакции (1), с углеродом:

С + 2Н2 = СН4.

(2)

Кроме того, в присутствии ряда катализаторов пары воды могут разлагаться по реакции (3) или взаимодействовать с СО и СН4 с образованием водорода по реакциям (4), (5).

2H2O = O2 + 2H2,

H2O + CO = CO2 + H2,

H2O + CH4 = CO + 3H2.

(3)

(4)

(5)

Катализаторами в реакциях (3)-(5) могут выступать железо, никель, оксид алюминия и др. [15]. Эти реакции используются в промышленности при получении водорода, как альтернативного источника энергии.

С целью проверки второй гипотезы был проведён ряд опытов с материалом ВК-58К. Для этого были использованы два образца композита: образец № 1 с начальной массой 12,2221 г и образец № 2 с начальной массой 11,2833 г. Оба образца были подвергнуты предварительной термообработке при температуре 800 °С, охлаждение после термообработки проводилось в атмосферном воздухе.

Далее описана последовательность и постановка опытов.

Опыт № 1. Нагрев образца № 1 в вакууме до температуры 800 °С и выдержка его при этой температуре в течение 4 ч.

Опыт № 2. Повторный нагрев образца № 1 в вакууме до температуры 800 °С и выдержка его при этой температуре в течение 4 ч. Перед нагревом образец в течение ~4 ч находился в контакте с атмосферным воздухом при комнатной температуре и относительной влажности 45 %.

Опыт № 3. На образец № 1 помещалось ~10 мг дистиллированной воды, после чего происходил его нагрев в разреженной атмосфере (~1 мм рт. ст.) до температуры 800 °С с выдержкой при этой температуре в течение 30 мин. В данном случае система не вакуумировалась до 0,05 мм рт. ст., поскольку в этом случае могла испариться большая часть помещённой воды.

Опыт № 4. Нагрев в вакууме образца № 1 (уже трижды подвергнутого нагреву, не считая предварительной термообработки) до температуры 1 000 °С и выдержка его при этой температуре в течение 10 мин. Перед нагревом, так же как и в опыте № 2, образец в течение ~4 ч находился в контакте с атмосферным воздухом при комнатной температуре и относительной влажности 60 %.

Опыт № 5. Нагрев в вакууме образца № 2 до температуры 1 000 °С и выдержка его при этой температуре в течение 10 мин.

При первичном нагревании образцов ВК-58К (опыты № 1 и 5, табл. 1) зарегистрировано образование водорода, метана и оксида углерода, хотя, как уже отмечалось, композит предварительно отжигался при температуре 800 °С. Присутствие в составе газовой фазы азота и части кислорода можно объяснить тем, что они высвободились из пор композита при его нагревании. Повторный нагрев образца композита, который после первого нагрева охлаждался без доступа атмосферной влаги, показал отсутствие СО и СН4, а общий объём газовой фазы снизился в ~30 раз. При добавлении воды (опыт № 3) и нагреве до 800 °С вновь произошло образование водорода, метана и оксида углерода. При следующем (четвёртом) нагреве образца № 1 до 1 000 °С (опыт № 4) в газовой фазе обнаружены лишь следовые количества компонентов воздуха - азота и кислорода.

Результаты проведённых экспериментов дают основание полагать, что механизм образования водорода, метана и оксида углерода при нагревании композита ВК-58К в вакууме не связан с разложением остатков полимерного связующего. Вероятнее всего, следовые количества воды, которые попадают в поры материала из атмосферного воздуха, взаимодействуют с углеродом (коксом), остающимся в ВК-58К после терморазложения эпоксидно-кремнийорганического связующего, по реакциям (1, 2). Кроме того при нагревании, по-видимому, происходит каталитическое разложение воды с образованием водорода и кислорода по реакции (3). О протекании этой реакции свидетельствует повышенное, по сравнению с атмосферным воздухом, содержание кислорода по отношению к азоту (в воздухе отношение кислорода к азоту ~ 1:4 (как и в опытах № 2 и 4); в опыте № 1 ~ 2:3; в опытах № 3 и 5 ~ 1:2). Катализаторами разложения воды в данном случае могут быть металлические примеси, содержа -щиеся в композите, а также другие компоненты, в том числе и вышеупомянутый кокс.

Перед проведением опытов № 2 и 4, образцы композита находились в течение ~4 ч в контакте с атмосферным воздухом при комнатной температуре и относительной влажности 45-60 %. Поскольку последующее нагревание этих образцов не повлекло за собой образование водорода, метана и СО, можно сделать вывод о том, что при комнатной температуре и нормальной влажности влага из окружающего воздуха в течение нескольких часов не попадает в поры материала.

ИССЛЕДОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА «СФЕРОЛИТ»

Термогравиметрические кривые, полученные при нагревании «Сферолита» в аргоне и в воздухе представлены на рисунках 2 и 3, соответственно.

Масса, % 100 -

99 -

98

97

200 400 600 800 Температура, °С

Рисунок 2. Результаты ТГ-анализа «Сферолита» в аргоне

Масса, %

99 -98 -97 -

200 400 600 800 Температура, °С

Рисунок 3. Результаты ТГ-анализа «Сферолита» в воздухе

В результате ТГ-анализа было показано, что «Сферолит», независимо от атмосферы, постепенно теряет массу в течение всего процесса нагрева вплоть до 1000 °С. Потеря массы в интервале температур от 20 до 1 000 °С при нагреве в инертной среде составила 3,4 %, в воздушной - 2,7 %.

Исследование газовыделения из «Сферолита» проводилось на образцах массой от 1 до 3 г. Образцы материала нагревались в вакууме до заданной

температуры (табл. 2), затем выдерживались при этой температуре в течение 30 мин. Всего было исследовано семь образцов: два образца при температуре 550 °С и по одному образцу для остальных значений температур. Пробирки с образцами, выдержанными при температуре 550 °С, вакууми-ровались и повторно нагревались при температуре 800 °С. Результаты представлены в таблице 2 и на рисунках 4, 5.

Таблица 2 Состав газовой фазы, образующейся при нагревании композита «Сферолит»

Температура опыта Объём образующегося компонента, см3/г ' композита

Н2 СО СН4 СО2

435 °С 0,61 0,22 0,07 -

500 °С 2,26 0,42 0,20 -

550 °С / Повторный нагрев 800 °С 3,00 / 4,05 0,71 / 3,23 0,39 / 0,36 - / 0,34

700 °С 3,25 1,26 0,80 0,01

800 °С 2,95 1,66 0,60 0,23

850 °С 3,33 2,95 1,11 0,16

1 Г

>0 500 600 700 800

Температура, °С

Рисунок 4. Зависимость удельного объёма образующихся Н2, СО и СН4 от температуры:

■ - Н

■ СО;

СН

900

СО

Ме тан

Водород ,-- Ш Кислород Азот Л /

00:00:00 00:03:17 00:06:35

а

б

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рисунок 5. Хроматограммы газовых смесей, образующихся при нагревании «Сферолита» до температуры 800 °С: а - первичный нагрев; б - повторный нагрев после термостатирования при 550 °С

Результаты экспериментов, представленные в таблице 2 и на рисунке 4, показали, что образование Н2, СО и СН4 начинается уже при относительно низкой температуре 435 °С, причём количество образующихся СО и СН4 плавно возрастает до температуры 800 °С, тогда как резкий рост объёма водорода наблюдается уже при 500 °С. Помимо перечисленных газов также образуется СО2, чего не наблюдалось в опытах с материалом ВК-58К.

Анализ газовой фазы, образующейся после повторного нагрева образцов, показал, что объём водорода и оксида углерода практически не изменяется, наблюдается лишь небольшое снижение объёма образующегося метана (см. рис. 5 и табл. 2). Таким образом, попытка снизить газовыделение нагревом и охлаждением

образцов «Сферолита» в вакууме, по аналогии с ВК-58К, не привела к значимым результатам.

Результаты проведённых экспериментов дают основание предполагать, что образование Н2, СН4, СО и СО2 при нагревании «Сферолита» происходит по реакциям (1)-(5). Вода в данном случае может быть как в порах композита, так и в его компонентах: жидком стекле и микросферах. Углерод, в свою очередь, является составляющим зольных микросфер, поскольку последние являются побочным продуктом сжигания угольного топлива [16].

Таким образом, результаты исследования показали, что огнестойкие материалы при их нагревании в определённых условиях могут выделять в окружающую среду водород, метан и оксид

углерода (в сумме до ~7,6 см3/гкомпозита), что представляет потенциальную опасность в условиях пожара. Предложен механизм образования Н2, СО и СН4, заключающийся во взаимодействии воды и углерода, в том или ином виде содержащихся в изученных материалах.

Предложен способ снижения газовыделения из материала ВК-58К за счёт удаления воды из пор материала. Данный способ не приводит к снижению газовыделения из «Сферолита», по-видимому,

вследствие того, что в реакции вступают формы воды и углерода, отличные от тех, которые имеют место в ВК-58К. Планируется продолжить исследования механизмов образования газовой фазы при нагревании теплоизоляционного материала «Сфе-ролит». Ожидается, что конечным результатом исследований будет минимизация риска образования компонентов, представляющих потенциальную угрозу при пожаре.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кромптон Т. Анализ пластиков: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 679 с.

2. Materazzi S., Vecchio S. Evolved gas analysis by mass spectrometry // Applied Spectroscopy Rewiews. 2011. Vol. 46, pp. 261-340. D0l:10.1080/05704928.2011.565533

3. Cheng S. Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Application to Polymers and Plastics. Elsevier, 2002. 858 p.

4. ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения» [Электронный ресурс] // Консорциум «Кодекс»: сайт. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200004802 (дата обращения 01.08.2020).

5. Пузач С. В., Пузач В. Г., Доан В. М. К определению показателя токсичности продуктов горения горючих веществ и материалов в помещении // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 4. С. 4-13.

6. Иличкин В. С., Смирнов Н. В., Елисеев Ю. Н, Белоусов Ю. Ю, Зайцев А. А., Комова М. А. Определение показателя токсичности продуктов горения материалов экспериментально-расчётным методом // Пожаровзрывобезопасность. 2005. № 3. С. 29-34.

7. Montaudo G, LattimerR. Mass Spectrometry of Polymers. CRC Press LLC. 2002. 560 p.

8. Menzel J. P., Bruce Prime R. Thermal Analysis of Polymers. Wiley, 2009, 704 p.

9. Pagacz J., Hebda E., Janowski B., Sternik D., Jancia M, Pielichowski K. Thermal decomposition studies on polyurethane

elastomers reinforced with polyhedral silsesquioxanes by evolved gas analysis // Polymer Degradation and Stability. 2018. Vol. 149, pp. 129-142. D0I:10.1016/j.polymerdegradstab.2018.01.028

10. Mitchell G., Higgit C., Gibson L. Emission from polymeric materials: Characterized by thermal desorption-gas chromatography // Polymer Degradation and Stability. 2014. Vol. 107, pp. 328-340. D0I:10.1016/j.polymerdegradstab.2013.12.003

11. Giron N. H., Celina M. C. High temperature polymer degradation: Rapid IR flow-through method for volatile quantification // Polymer Degradation and Stability. 2017. Vol. 145, pp. 93-101. D0I:10.1016/j.polymerdegradstab.2017.05.013

12. Корольченко А. Я., Корольченко Д. Я. Пожароопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник в 2-х ч. М.: Пожнаука, 2004. Ч. 1. 713 с.; Ч. 2. 774 с.

13. Лидин Р. А., Молочко В. А., Андреева Л. Л. Химические свойства неорганических веществ. М.: Химия, 2000.

14. Zhang W, Zhu S., Luque R., Han S., Hua L., Xu G. Recent development of carbon electrode materials and their bioanalytical and environmental application // Chemical Society Reviews. 2016. Iss. 3, pp. 715-752. D0I:10.1039/C5CS00297D

15. Химическая энциклопедия. В 5 т. Т. 1 / Под ред. И. Л. Кнунянца и др. М.: Большая Российская Энциклопедия, 1988.

16. Полые микросферы в золах уноса электростанций. Сборник научных статей / Под ред. В. С. Дрожжина. Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2009. 125 с.

Материал поступил в редакцию 6 июля 2020 года.

Tatyana KORSHUNOVA

Russian Federal Nuclear Center - All-Russia Scientific Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Russia E-mail: tvkorshunova@vniief.ru

Grigory POTEMKIN

PhD in Physics and Mathematics

Russian Federal Nuclear Center - All-Russia Scientific

Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Russia

E-mail: gapotemkin@vniief.ru

Andrei DOROFEEV

PhD in Engineering

Russian Federal Nuclear Center - All-Russia Scientific Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Russia E-mail: aadorofeev@vniief.ru

Valery DROZHZHIN PhD in Engineering

Russian Federal Nuclear Center - All-Russia Scientific Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Russia E-mail: vsdrozhzhin@vniief.ru

FIRE AND EXPLOSION HAZARDOUS SUBSTANCES FORMATION AT HEATING THERMO- AND FIRE-RESISTANT COMPOSITE MATERIALS

ABSTRACT

Purpose. The article is devoted to the study of fire and explosion hazardous compounds formation at heating thermo- and fire-resistant composite materials. The background of this work was the research findings of gas release from polymer and composite materials at their heating in a hermetically sealed volume, thanks to which, it was found that the behavior of two thermo- and fire-resistant composite materials, BK-58K and 'Spherolite', did not correspond to the expected value. Despite the preliminary heat treatment, these materials, when being heated in a vacuum, release hydrogen, methane and carbon monoxide (II) into the environment (in total up to 7.6 cm3 per 1 g of material). The purpose of the research work was to study the formation mechanism of fire and explosion hazardous gases at heating these composites and to find ways of reducing the volume of these gases.

Methods. The studies were carried out using methods of thermoanalysis and gas chromatography. The thermal analysis method was implemented on the SETARAM TGA 92-24 thermal analyzer, and gas chromatography analysis method was implemented on the "Tswet-800" chromatograph.

Findings. H2, CO and CH4 formation mechanism is proposed; it consists of interaction of water and

carbon, contained in one form or another in the studied materials. The method of reducing gas release from BK-58K material by removing water from the pores of the material is suggested. This method does not lead to a gas release decrease from "Spherolite", apparently due to the fact that forms of water and carbon reaction are different from those contained in BK-58K.

Research application field. The findings of the work show that fire-proof materials according to GOST standard 12.1.044-89 under certain circumstances may become a potential source of fire hazard. The suggested ways of reducing gas release will be used for improving items production technology from thermo- and fire-resistant composite materials.

Conclusions. It is planned to continue the research work on the mechanisms of gas phase formation at heating the perspective heat insulation material 'Spherolite'. It is expected that the end result of the research work will be minimizing the risk of components formation that pose a potential fire threat.

Key words: composite materials, gas release, fire explosion hazardous gases, gas chromatography.

REFERENCES

1. Crompton T.R. The analysis of plastics [In Russ. ed. Crompton T. Analiz plastikov. Moscow, Mir Publ., 1988] Pergamon, Oxford, New York, 1984, 445 p.

2. Materazzi S., Vecchio S. Evolved gas analysis by mass spectrometry. Applied Spectroscopy Rewiews. 2011, vol. 46, pp. 261 — 340. D01:10.1080/05704928.2011.565533

3. Cheng S. Handbook of Thermal Analysis and Calorimetry. Application to Polymers and Plastics. Elsevier, 2002. 858 p.

4. Pozharovzryvoopasnost veshchestv i materialov. Nomenklatura pokazatelei i metody ikh opredeleniia. GOST 12.1.044-89 [Fire and explosion hazard of substances and materials. Nomenclature of indicators and methods of their determination. State standard of the Russian Federation]. Available at: http://docs.cntd.ru/ document/1200004802 (accessed August 01, 2020) (in Russ.).

5. Puzach S.V., Puzach V.G., Doan V.M. To definition of toxic potency of combustion products of combustible materials in

compartment. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2011, vol. 20, no. 4, pp. 4-13 (in Russ.).

6. Ilichkin V.S., Smirnov N.V., Eliseev Iu.N., Belousov Yu.Yu., Zaitsev A.A., Komova M.A. Determination of the toxicity index of Gorenje products by experimental calculation method. Pozharovzryvobezopasnost (Fire and Explosion Safety). 2005, no. 4, 29-34 pp. (in Russ.).

7. Montaudo G., Lattimer R. Mass Spectrometry of Polymers. CRC Press LLC. 2002. 560 p.

8. Menzel J.P., Bruce Prime R. Thermal Analysis of Polymers. Wiley, 2009, 704 p.

9. Pagacz J., Hebda E., Janowski B., Sternik D., Jancia M., Pielichowski K. Thermal decomposition studies on polyurethane elastomers reinforced with polyhedral silsesquioxanes by evolved gas analysis. Polymer Degradation and Stability. 2018, vol. 149, pp. 129142. D0I:10.1016/j.polymerdegradstab.2018.01.028

60

© Korshunova T., Potemkin G., Dorofeev A., Drozhzhin V., 2020

10. Mitchell G., Higgit C., Gibson L. Emission from polymeric materials: Characterized by thermal desorption-gas chromatography. Polymer Degradation and Stability. 2014, vol. 107, pp. 328-340. D0I:10.1016/j.polymerdegradstab.2013.12.003

11. Giron N.H., Celina M.C. High temperature polymer degradation: Rapid IR flow-through method for volatile quantification. Polymer Degradation and Stability. 2017, vol. 145, pp. 93-101. D0I:10.1016/j.polymerdegradstab.2017.05.013

12. Korolchenko A.Ya., Korolchenko D.Ya. Pozharoopasnost veshchestv i materialov i sredstva ikh tusheniia. Spravochnik [Fire hazard of substances and materials and means of extinguishing them. Guide]. Moscow, Pozhnauka Publ., 2004. Part 1. 713 p.; Part 2. 774 p.

13. Lidin R.A., Molochko V.A., Andreeva L.L. Khimicheskie svoistva neorganicheskikh veshchestv [Chemical properties of inorganic substances]. Moscow, Khimiya Publ., 2000.

14. Zhang W., Zhu S., Luque R., Han S., Hua L., Xu G. Recent development of carbon electrode materials and their bioanalytical and environmental application. Chemical Society Reviews. 2016, iss. 3, pp. 715-752. D0l:10.1039/C5CS00297D

15. Khimicheskaia entsiklopediia [Chemical encyclopedia. Ed. by I.L. Knunyants]. Moscow, Bolshaya Rossiiskaya Entsiklopedia Publ., 1988.

16. Polye mikrosfery v zolakh unosa elektrostantsii. Sbornik nauchnykh statei [Hollow microspheres in fly ash from power plants. Collection of scientific articles Ed. V.S. Drozhzhin]. Sarov, Russian Federal Nuclear Center All-Russian Research Institute of Experimental Physics Publ., 2009. 125 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.